嵌入式系統中USB主機控制器的設計

過(guò)去USB僅應用于個(gè)人計算機，而在嵌入式系統領(lǐng)域的巨大潛力還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)，USB在嵌入式系統中的應用包括KVM開(kāi)關(guān)、數碼相機、PDA、打印機、機頂盒以及移動(dòng)電話(huà)等。本文將介紹在嵌入式系統中應用USB時(shí)其主機控制器的設計。

嵌入式系統被定義為硬件和固件(獨立的或作為更大型系統的一部分)通常帶有某種操作系統，操作系統可以是Windows CE、VxWorks或其它由“自編代碼”構成的更簡(jiǎn)單系統。根據這樣的定義，可以認為任何帶有處理器的電子裝置均可以作為USB嵌入式主機。

嵌入式系統設計挑戰

在基于PC的系統中，USB操作一般需要三種部件，分別是通常作為PCI子系統的主機控制器、USB堆棧以及USB類(lèi)驅動(dòng)器。

主機控制器是集成主板芯片組的一部分，USB堆棧則包含主板芯片及通用主機控制器接口(UCHI)和開(kāi)放主機控制器接口(OHCI)驅動(dòng)程序以及USB驅動(dòng)程序(usbd.sys)，在PC上實(shí)現USB需要上述領(lǐng)域的專(zhuān)門(mén)技術(shù)。

在嵌入式USB系統中，其主要組成部分與PC系統類(lèi)似，如嵌入式主機控制器芯片、帶OHCI堆棧的實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)以及專(zhuān)用驅動(dòng)程序?，F有很多可供選擇的主機控制器芯片，有些帶有處理器，有些則是基于寄存器的，對器件的選擇將影響到其下面兩層。

很多公司都可提供RTOS，最好選擇一個(gè)能配合在一起工作的處理器和RTOS，然后在其上添加應用代碼。如果沒(méi)有真正的RTOS，某些控制器則用一個(gè)“框架”，可在其上構造應用程序。我們后面將介紹這種框架以及如何在上面構建應用。

在PC上實(shí)現USB具有非常豐富的可用資源，包括高達512MB的存儲器、20-60GB的硬盤(pán)以及2GHz或更快的微處理器。此外，多年來(lái)Windows、MAC OS以及Unix等操作系統也一直支持USB，而且世界上還有成千上萬(wàn)的工程師在設計基于PC的USB應用程序和設備驅動(dòng)程序。而對嵌入式系統來(lái)說(shuō)，通常只有不超過(guò)64K的存儲器，以及運行于12MHz～33MHz的處理器，且沒(méi)有硬盤(pán)。由于USB對嵌入式系統相對較新，因此可能只有為數不多的工程師擁有這方面的經(jīng)驗。

控制器與框架

下面我們以賽普拉斯EZ-Host為例介紹嵌入式系統USB控制器與框架結構。EZ-Host有兩個(gè)“串行接口引擎”，每個(gè)引擎包含兩個(gè)USB端口，因此無(wú)需使用額外硬件EZ-Host便可控制四個(gè)USB設備。

EZ-Host器件具有固件結構，可管理大多數USB主機的詳細請求。該結構另一個(gè)特點(diǎn)是支持網(wǎng)絡(luò )集線(xiàn)器。鍵盤(pán)/集線(xiàn)器組合在一起常常帶來(lái)這樣的問(wèn)題，即它究竟是帶有集線(xiàn)器的鍵盤(pán)還是帶有鍵盤(pán)的集線(xiàn)器？答案應該是帶有鍵盤(pán)的集線(xiàn)器。因此要了解集線(xiàn)器后面的鍵盤(pán)，還需要提供集線(xiàn)器支持。幸好，這里的框架代碼包含了對集線(xiàn)器的支持。

EZ-Host框架包含所有實(shí)現USB主機功能所必需的固件，包括任務(wù)調度、設備枚舉、帶寬分配以及功率管理。另外應用程序作為固件的一部分，控制專(zhuān)用USB設備并將其數據傳遞給最終應用。

框架的核心是TD處理器。TD處理器的運行基于一種稱(chēng)為“任務(wù)描述器(TD)”的數據結構，使用其信息與USB硬件尤其是“串行接口引擎(SIE)”進(jìn)行通信。需要注意的是每個(gè)SIE控制兩個(gè)端口，而且每個(gè)SIE具有一個(gè)TD處理器。EZ-Host框架使用了多種數據結構實(shí)現其操作，這些結構包括TD和USB請求模塊(URB)。

任務(wù)描述器是傳遞給硬件的數據結構，包含特定硬件接口(如SIE)和端口編號的數據字段、終點(diǎn)數、收發(fā)數據緩沖器長(cháng)度、數據包ID編碼以及URB結構指示器。

URB含有TD所需的邏輯信息，該邏輯信息包括USB設備緩沖器、安裝軟件包以及USB設備結構指示器。

進(jìn)行USB事務(wù)處理時(shí)，URB帶有事務(wù)處理分配及其裝入的數據結構，而后URB提交給TD處理器，TD處理器再將URB加入TD列表?？臻e時(shí)，TD處理器處理TD列表，安排傳輸時(shí)序，并將設定好的TD傳送給EZ-Host硬件進(jìn)行處理。