嵌入式Linux下高速USB主控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
北方工業(yè)大學(xué) 肖珂 歐東梅 郭書軍
摘要: 在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程中,,Linux操作系統(tǒng)的源碼公開,,結(jié)構(gòu)清晰,功能強(qiáng)大,,可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)使其在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛,。USB接口的熱插拔,,即插即用,數(shù)據(jù)傳輸可靠,,擴(kuò)展方便,,成本低等優(yōu)點(diǎn)使其逐漸成為嵌入式系統(tǒng)的必備接口之一。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,,人們對(duì)其性能的要求不斷提高,,特別是USB設(shè)備的讀寫速度受到越來越多的關(guān)注。然而,。目前多數(shù)嵌入式系統(tǒng)僅支持基礎(chǔ)的USB低速或全速外設(shè),,不能滿足人們對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆榇?,基于AT91RM9200平臺(tái)完成了高速USB的硬件設(shè)計(jì)和Linux操作系統(tǒng)下主機(jī)端驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā),。
Abstract:
Key words :
在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程中,Linux操作系統(tǒng)的源碼公開,,結(jié)構(gòu)清晰,,功能強(qiáng)大,可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)使其在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛,。USB接口的熱插拔,,即插即用,數(shù)據(jù)傳輸可靠,,擴(kuò)展方便,,成本低等優(yōu)點(diǎn)使其逐漸成為嵌入式系統(tǒng)的必備接口之一。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,,人們對(duì)其性能的要求不斷提高,,特別是USB設(shè)備的讀寫速度受到越來越多的關(guān)注。然而,。目前多數(shù)嵌入式系統(tǒng)僅支持基礎(chǔ)的USB低速或全速外設(shè),,不能滿足人們對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆榇?,基?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/AT91RM9200" title="AT91RM9200" target="_blank">AT91RM9200平臺(tái)完成了高速USB的硬件設(shè)計(jì)和Linux操作系統(tǒng)下主機(jī)端驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā),。
1 高速USB硬件接口設(shè)計(jì)
目前的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,USB接口的外擴(kuò)主要采用微處理器芯片自帶的USB控制器,,一般只支持低速和全速協(xié)議,無法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,。該設(shè)計(jì)采用AT91RM9200處理器外擴(kuò)ISP1761 USB控制器方案,,解決了嵌入式系統(tǒng)下USB設(shè)備的傳輸速度問題。其USB硬件接口部分電路如圖1所示,。

AT91RM9200是Atmel公司一款基于ARM920T內(nèi)核的微型處理器,。它有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)接口,,時(shí)鐘頻率可達(dá)180 MHz,并且具有低功耗,、低成本,、高性能,在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,。ISP1761是Philips公司開發(fā)的一款高速USB On The Go(OTG)控制器,,芯片內(nèi)集成了64 KB的高速緩沖,單次處理數(shù)據(jù)達(dá)32 KB,,極大地提升了系統(tǒng)的處理性能,,并且功耗很低,其內(nèi)部集成了Slave主機(jī)控制器和外設(shè)控制器,。此外,,ISP761還有可配置的32 b/16 b異步CPU接口,該設(shè)計(jì)ISP1761外部數(shù)據(jù)總線設(shè)置為16 b模式,。
處理器AT91RM9200與外擴(kuò)USB控制器的連接如圖1所示,。其中,A[17∶1]為地址線,;DATA[15∶0]為數(shù)據(jù)線,;WR_N為讀使能;RD_N為寫使能,;CS_N片選信號(hào)采用NCS2,;AT9lRM9200的中斷源1分配給ISP1761作為其中斷信號(hào)。處理器和ISP1761之間的數(shù)據(jù)傳輸通過中斷方式實(shí)現(xiàn),,當(dāng)USB接口有中斷產(chǎn)生時(shí),,處理器的中斷服務(wù)程序通過讀取ISP1761的中斷寄存器判斷中斷來源,從而執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作,。
2 高速USB軟件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
2.1 Linux系統(tǒng)中USB驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
USB內(nèi)核模塊是Linux系統(tǒng)中USB子系統(tǒng)的核心模塊,,它為USB驅(qū)動(dòng)(設(shè)備和主控制器)提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口,以訪問和控制USB硬件,。
如圖2所示,,應(yīng)用程序發(fā)出的USB請(qǐng)求塊(URB)經(jīng)過上層的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)和USB內(nèi)核后到達(dá)USB主控制器。處于最底層USB主控制器的驅(qū)動(dòng)(HCD)是USB主機(jī)直接與硬件交互的軟件模塊,,它將解析URB后,,再將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的USB設(shè)備上。

2.2 ISP1761主控制器驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
圖3為ISP1761與操作系統(tǒng)相連接的接口框圖,。圖3中,,ISP1761要完成操作系統(tǒng)與USB設(shè)備的通信。驅(qū)動(dòng)部分主要分兩個(gè)層次:ISP1761硬件抽象層(HAL)和主控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)層。前者,,通過GPIO接口和操作系統(tǒng)平臺(tái)的相關(guān)函數(shù)來完成訪問ISP1761硬件的功能,;后者,主要實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸給連接的USB設(shè)備,,并管理根集中器端口的功能,。

因此,該設(shè)計(jì)的軟件驅(qū)動(dòng)部分主要由以下兩個(gè)層次來完成USB主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)功能,。
(1)ISP1761的HAL層,。首先初始化設(shè)備結(jié)構(gòu),并添加設(shè)備到系統(tǒng)的設(shè)備層,。其中,,初始化部分主要完成ISP1761資源(如內(nèi)存、中斷等)的初始化設(shè)置和AT91RM9200處理器的初始化設(shè)置,,為后期注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序做準(zhǔn)備,。如果系統(tǒng)成功添加了設(shè)備,在加載和卸載ISP1761主控制器驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)核時(shí),,就會(huì)進(jìn)一步執(zhí)行平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè),,否則將不能注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序。一旦注冊(cè)成功,,驅(qū)動(dòng)程序就已經(jīng)和設(shè)備綁定,,任何用戶態(tài)程序要操作此設(shè)備都可以通過platform_driver結(jié)構(gòu)所定義的函數(shù)進(jìn)行。下面給出該系統(tǒng)注冊(cè)的platform_driver結(jié)構(gòu):

其中,,在設(shè)備探測(cè)和注銷等函數(shù)中調(diào)用了如下一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體isp1761_dev,。該結(jié)構(gòu)體主要包含了ISP1761設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基本信息和中斷處理例程指針。
(2)ISP1761的HCD層,。Philips公司的ISP1761主控制器芯片遵循EHCI標(biāo)準(zhǔn),。該層在加載和卸載ISP1761主控制器驅(qū)動(dòng)到內(nèi)核時(shí)被調(diào)用,主要負(fù)責(zé)與連接的USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,,并管理根集中器端口,。具體包括主控制器例程、內(nèi)存管理,、根集中器和中心集中器的管理,、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/div>
其中,pehci_hcd_urb_enqueue()函數(shù)是該部分所要實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)函數(shù),,主要用于完成將來自USB core層的urb傳輸請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成EHCI可識(shí)別的傳輸描述結(jié)構(gòu),。然后安排到EHCI的periodic schedule list或者asynchronous schedule list的合適位置。當(dāng)HC完成urb對(duì)應(yīng)的傳輸后,,EHCI HCD通過urb→cornplete()通知USB core對(duì)應(yīng)的傳輸結(jié)果,,最終完成通信過程。該函數(shù)的原型如下:

3 USB驅(qū)動(dòng)的調(diào)試使用
USB驅(qū)動(dòng)的正常使用必須在內(nèi)核中正確選擇配置,除了默認(rèn)配置之外,,還要添加諸如SCSI設(shè)備的支持,VFAT文件格式的支持,,新添加ISP1761驅(qū)動(dòng)的支持等,。ISP1761的驅(qū)動(dòng)采用模塊方式編譯,系統(tǒng)啟動(dòng)后,,逐層插入驅(qū)動(dòng)模塊加載USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)核,。此時(shí),系統(tǒng)插入U(xiǎn)盤可成功獲得分區(qū),,如下所示:

執(zhí)行掛載命令mount-t vfat/dev/scsi/host0/busO/target0/lun0/partl/mnt/ usb(前提是已經(jīng)在/mnt目錄下建立了USB目錄,,并且U盤的格式為win-dows下的vfat)便可成功掛載U盤到指定的目錄/mnt/usb下。
拷貝U盤上的文件到嵌入式系統(tǒng),,經(jīng)多次測(cè)試,,速度可達(dá)到約100~125 Mb/s,相比傳統(tǒng)的嵌入式Linux系統(tǒng)下對(duì)USB的支持,,速度得到了很好的提高,,基本滿足高速讀/寫的要求。
4 結(jié) 語
隨著USB接口在嵌入式領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用和嵌入式Linux內(nèi)核的不斷擴(kuò)展,,嵌入式Linux內(nèi)核支持的USB設(shè)備和USB主控制器越來越豐富,,相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)開發(fā)工作也將日益突出。該設(shè)計(jì)給出了嵌入式Linux系統(tǒng)下高速USB主控制器的硬件設(shè)計(jì)方案和驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法,,在提高系統(tǒng)性能的同時(shí),,降低了成本,有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,。同時(shí)驅(qū)動(dòng)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持了其最大可移植性,,對(duì)于嵌入式下USB主控制器的驅(qū)動(dòng)開發(fā)具有很好的借鑒意義。
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