嵌入式Linux下高速USB主控制器的設計與實(shí)現

摘要：針對現有嵌入式Linux系統下USB讀／寫(xiě)速度慢的問(wèn)題，結合AT91RM9200處理器的開(kāi)發(fā)實(shí)例，介紹一種基于Philips公司的USB接口控制芯片ISP1761來(lái)實(shí)現低成本高速USB主機控制器的硬件設計方法。在此基礎上，給出了驅動(dòng)程序的設計方案及相應驅動(dòng)的配置、編譯、下載使用等過(guò)程。測試表明．其速度達到USB 2．0規范的要求，對嵌入式下低成本USB主控制器的硬件設計和驅動(dòng)開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：Linux；驅動(dòng)程序；USB；ISP1761

在嵌入式系統的發(fā)展歷程中，Linux操作系統的源碼公開(kāi)，結構清晰，功能強大，可移植性強等特點(diǎn)使其在嵌入式領(lǐng)域應用越來(lái)越廣泛。USB接口的熱插拔，即插即用，數據傳輸可靠，擴展方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)使其逐漸成為嵌入式系統的必備接口之一。隨著(zhù)嵌入式系統應用領(lǐng)域的不斷擴展，人們對其性能的要求不斷提高，特別是USB設備的讀寫(xiě)速度受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而。目前多數嵌入式系統僅支持基礎的USB低速或全速外設，不能滿(mǎn)足人們對高速數據傳輸的要求。為此，基于A(yíng)T91RM9200平臺完成了高速USB的硬件設計和Linux操作系統下主機端驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。

1 高速USB硬件接口設計

目前的嵌入式系統設計中，USB接口的外擴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(wú)法實(shí)現高速數據傳輸。該設計采用AT91RM9200處理器外擴ISP1761 USB控制器方案，解決了嵌入式系統下USB設備的傳輸速度問(wèn)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A(yíng)RM920T內核的微型處理器。它有豐富的系統與應用外設及標準接口，時(shí)鐘頻率可達180 MHz，并且具有低功耗、低成本、高性能，在嵌入式系統中應用廣泛。ISP1761是Philips公司開(kāi)發(fā)的一款高速USB On The Go(OTG)控制器，芯片內集成了64 KB的高速緩沖，單次處理數據達32 KB，極大地提升了系統的處理性能，并且功耗很低，其內部集成了Slave主機控制器和外設控制器。此外，ISP761還有可配置的32 b／16 b異步CPU接口，該設計ISP1761外部數據總線(xiàn)設置為16 b模式。

處理器AT91RM9200與外擴USB控制器的連接如圖1所示。其中，A[17∶1]為地址線(xiàn)；DATA[15∶0]為數據線(xiàn)；WR_N為讀使能；RD_N為寫(xiě)使能；CS_N片選信號采用NCS2；AT9lRM9200的中斷源1分配給ISP1761作為其中斷信號。處理器和ISP1761之間的數據傳輸通過(guò)中斷方式實(shí)現，當USB接口有中斷產(chǎn)生時(shí)，處理器的中斷服務(wù)程序通過(guò)讀取ISP1761的中斷寄存器判斷中斷來(lái)源，從而執行相應的讀／寫(xiě)操作。

2 高速USB軟件驅動(dòng)實(shí)現

2．1 Linux系統中USB驅動(dòng)結構

USB內核模塊是Linux系統中USB子系統的核心模塊，它為USB驅動(dòng)(設備和主控制器)提供了一個(gè)統一的接口，以訪(fǎng)問(wèn)和控制USB硬件。

如圖2所示，應用程序發(fā)出的USB請求塊(URB)經(jīng)過(guò)上層的USB設備驅動(dòng)和USB內核后到達USB主控制器。處于最底層USB主控制器的驅動(dòng)(HCD)是USB主機直接與硬件交互的軟件模塊，它將解析URB后，再將數據發(fā)送到指定的USB設備上。

2．2 ISP1761主控制器驅動(dòng)的實(shí)現

圖3為ISP1761與操作系統相連接的接口框圖。圖5中，ISP1761要完成操作系統與USB設備的通信。驅動(dòng)部分主要分兩個(gè)層次：ISP1761硬件抽象層(HAL)和主控制器驅動(dòng)(HCD)層。前者，通過(guò)GPIO接口和操作系統平臺的相關(guān)函數來(lái)完成訪(fǎng)問(wèn)ISP1761硬件的功能；后者，主要實(shí)現將數據傳輸給連接的USB設備，并管理根集中器端口的功能。

因此，該設計的軟件驅動(dòng)部分主要由以下兩個(gè)層次來(lái)完成USB主機端的驅動(dòng)功能。

(1)ISP1761的HAL層。首先初始化設備結構，并添加設備到系統的設備層。其中，初始化部分主要完成ISP1761資源(如內存、中斷等)的初始化設置和AT91RM9200處理器的初始化設置，為后期注冊驅動(dòng)程序做準備。如果系統成功添加了設備，在加載和卸載ISP1761主控制器驅動(dòng)程序到內核時(shí)，就會(huì )進(jìn)一步執行平臺驅動(dòng)程序的注冊，否則將不能注冊驅動(dòng)程序。一旦注冊成功，驅動(dòng)程序就已經(jīng)和設備綁定，任何用戶(hù)態(tài)程序要操作此設備都可以通過(guò)platform_driver結構所定義的函數進(jìn)行。下面給出該系統注冊的platform_driver結構：

其中，在設備探測和注銷(xiāo)等函數中調用了如下一個(gè)重要的結構體isp1761_dev。該結構體主要包含了ISP1761設備驅動(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標準。該層在加載和卸載ISP1761主控制器驅動(dòng)到內核時(shí)被調用，主要負責與連接的USB設備進(jìn)行數據傳輸，并管理根集中器端口。具體包括主控制器例程、內存管理、根集中器和中心集中器的管理、數據傳輸等。

其中，pehci_hcd_urb_enqueue()函數是該部分所要實(shí)現的重點(diǎn)函數，主要用于完成將來(lái)自USB core層的urb傳輸請求轉換成EHCI可識別的傳輸描述結構。然后安排到EHCI的periodic schedule list或者asynchronous schedule list的合適位置。當HC完成urb對應的傳輸后，EHCI HCD通過(guò)urb→cornplete()通知USB core對應的傳輸結果，最終完成通信過(guò)程。該函數的原型如下：

3 USB驅動(dòng)的調試使用

USB驅動(dòng)的正常使用必須在內核中正確選擇配置，除了默認配置之外，還要添加諸如SCSI設備的支持，VFAT文件格式的支持，新添加ISP1761驅動(dòng)的支持等。ISP1761的驅動(dòng)采用模塊方式編譯，系統啟動(dòng)后，逐層插入驅動(dòng)模塊加載USB主控制器驅動(dòng)程序到內核。此時(shí)，系統插入U盤(pán)可成功獲得分區，如下所示：

執行掛載命令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(pán)的格式為win-dows下的vfat)便可成功掛載U盤(pán)到指定的目錄／mnt／usb下。

拷貝U盤(pán)上的文件到嵌入式系統，經(jīng)多次測試，速度可達到約100～125 Mb／s，相比傳統的嵌入式Linux系統下對USB的支持，速度得到了很好的提高，基本滿(mǎn)足高速讀／寫(xiě)的要求。

4 結 語(yǔ)

隨著(zhù)USB接口在嵌入式領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應用和嵌入式Linux內核的不斷擴展，嵌入式Linux內核支持的USB設備和USB主控制器越來(lái)越豐富，相應的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)工作也將日益突出。該設計給出了嵌入式Linux系統下高速USB主控制器的硬件設計方案和驅動(dòng)的實(shí)現方法，在提高系統性能的同時(shí)，降低了成本，有很好的實(shí)際應用價(jià)值。同時(shí)驅動(dòng)的模塊化結構設計保持了其最大可移植性，對于嵌入式下USB主控制器的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)具有很好的借鑒意義。