Linux下USB主機接口設計

由于人們對數字形式信息的需求量越來(lái)越大，數據通信及其應用技術(shù)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應用。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展。USB通信正向高速、方便快捷、穩定可靠的方向發(fā)展。目前，大多數USB設備都是需要與PC機相連進(jìn)行通信，而USB設備之間的通信則無(wú)法實(shí)現。而對于一些處在特殊環(huán)境下的稱(chēng)重設備的數據傳輸和系統升級，PC機很不方便實(shí)現，因此迫切要求開(kāi)發(fā)出能夠識別USB設備的主機端口。這樣使用U盤(pán)等設備就能實(shí)現數據傳輸。本系統設計在AT91SAM7X256控制器的基礎上，增加了主機端口，適用于工礦企業(yè)中稱(chēng)重設備的數據更新和系統升級。

　　1系統整體方案

　　USB(UniversalSerialBus)即通用串行總線(xiàn)，提供一種兼容不同速度的、可擴充的，使用方便的外圍設備接口，同時(shí)也是為解決計算機接口太多等問(wèn)題而設計的。在嵌入式系統中如果處理器集成了OHCI標準的USB主機控制器，則直接就可以引出USB主控端口：而對于沒(méi)有集成的處理器，則需要使用USB主控器件，從總線(xiàn)上擴展USB主機接口。很多IC制造商都提供這種主控器件，如Scanlogic公司的SL811HS／T等。在編寫(xiě)USB設備驅動(dòng)程序設計時(shí)，可以分為3部分編寫(xiě)：主機端設備驅動(dòng)程序、主機控制器驅動(dòng)程序設計和設備端驅動(dòng)程序。對于一些不具備USB主機端口的設備，為了實(shí)現通信的方便、快捷性，如與U盤(pán)直接通信等設備是完全有必要在原來(lái)設備的基礎上擴展USB主機端口。

　　該系統硬件設計是由電源、復位、時(shí)鐘電路、以太網(wǎng)口、USB主機和設備端口以及串口組成，其結構框圖如圖1所示。其中，以太網(wǎng)口用于將設備接入網(wǎng)絡(luò )實(shí)行遠程管理和監控。將設備的數據接入Internet，實(shí)現遠程監控，適用于工礦企業(yè)設備的集中化管理和維護。USB主機端口通過(guò)主機控制器SL811HS／T與控制器AT9lSAM7X256相連，進(jìn)行數據通信。USB設備端口作為與PC機通信的接口。該系統設計的創(chuàng )新在于該設備拋開(kāi)了PC機，既可作為主機，也可作為外設，并與其他0TG設備直接實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信。

　　2硬件電路設計

　　USB主機與設備之間的通信最終都是通過(guò)USB主機控制器和USB設備的總線(xiàn)接口間的電纜實(shí)現的，任何一個(gè)輸出請求都是由主機控制器組成包的形式發(fā)往總線(xiàn)的。USB,總線(xiàn)中只有一個(gè)主機，它是USB樹(shù)形結構的根，通過(guò)一個(gè)根HUB提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)，由其連接各個(gè)USB設備。

　　2．1核心器件選型

　　該系統設計選用Scanlogic公司的SL811HS／T作為USB主機接口器件，該器件是既能用作Host模式又能用作Slave模式的，具有標準微處理器總線(xiàn)接口USB控制器，適用于非PC設備在Host模式下，它支持嵌入式主機與USB外圍設備的通信，在Slave模式下，可作為主機的一個(gè)外設。SL811HS具有以下特點(diǎn)：是遵循USBl．1協(xié)議的嵌入式USBHost／Slave器件；提供8bit寬數據總線(xiàn)及中斷支持，方便與微處理器、微控制器連接；通過(guò)硬件設置或軟件設置，工作在Host或Slave模式；自動(dòng)探測所接設備是低速設備還是高速設備：8bit雙向數據總線(xiàn)；片上SI-E、USB收發(fā)器；軟件控制下運行為單個(gè)USB主或從設備主機或從設備模式有1．5Mb／s的低速，12Mb／s的全速，自動(dòng)識別低速和全速設備8位雙向數據，工作于12MHz或48MHz晶振或振蕩器。

　　微處理器是系統核心，其性能直接決定該系統設計的準確性，穩定性和可靠性?；诒鞠到y對精度和實(shí)時(shí)性的要求。選用ATMEL公司的AT9lSAM7X256單片機。它具有以下特點(diǎn)：1)內部集成ARM7TDMIARMThumb處理器，支持嵌入式ICE內電路仿真以及調試通信接口：2)復位控制器(RSTC)，基于上電復位單元，提供外部信號整形和復位源狀態(tài)；3)時(shí)鐘發(fā)生器(CKGR)，低功耗RC振蕩器，3～20MHz片上振蕩器和1個(gè)PLL；4)電源管理控制器(PMC)，具有電源優(yōu)化功能，包括慢速時(shí)鐘模式(低于500Hz)和空閑模式，4個(gè)可編程外部時(shí)鐘信號；5)USB2．0全速(每秒12Mbit)設備接口，具有片上收發(fā)器，大小為1352字節的可配置成FIF0；6)10／100base-T(Mb／s)的以太網(wǎng)口；7)提供片上1．8V穩壓器，為內核及外部組件提供高達100mA的電流，3．3VVDDIO提供I／O線(xiàn)電源，獨立的3．3VVDDFLASH提供Flash電源，具有掉電檢測的1．8VVDDCORE提供內核電源。

　　2．2AT91SAM7X256的USB設備端口設計

　　AT91SAM7X256的USB設備端口原理圖，如圖2所示。由于A(yíng)T91SAM7X256支持USB2．0全速(每秒12Mbit)設備接口，故AT91SAM7X256的2個(gè)引腳DDM和DDP與外界USB相連，直接實(shí)現USB設備端口。

　　由USB接口輸入5V直流電源，二極管VD1用于限制電源的導通方向，經(jīng)過(guò)C18、C19濾波，然后經(jīng)過(guò)SPXll7M-3．3將電源穩壓至3．3V。為了降低噪聲和出錯率，應隔離模擬電源與數字電源，圖3中的L1和L2用于電源隔離元件(將數字電源的高頻噪聲隔離)。SPXll7M-3．3是Sipex公司的LDO器件，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出電壓精度高穩定性高。SPXll7M系列LD0器件輸出電流可達800mA，具有電流保護和熱保護功能，可廣泛應用于數字家電和工業(yè)控制等領(lǐng)域。

　　2．3USB主機端口設計

　　AT91SAM7X256的USB主機端口原理圖，如圖3所示。SL811HS／T選用48引腳的TQFP封裝形式，SL811HS／T既能用作Host模式又能用作Slave模式。將SL811HS／T的M／S引腳接地，即設為低電平信號(M／S=0)，選擇作為主機端口。

　　SL811HS／T的D0～D7端口為雙向數據I／O端口，與控制器的PAl0～PAl7端口相連，實(shí)現數據通信。SL811HS／T的nRD引腳與AT91SAM7X256的PA9相連，nWR引腳與AT9lSAM7X256的PA8相連，SL811HS／T的nCS引腳與AT91SAM7X256的PA7相連，AO引腳與AT91SAM7X256的PA6相連，控制SL811HS／T的讀寫(xiě)狀態(tài)，如圖4所示。

　　訪(fǎng)問(wèn)存儲器和控制寄存器的空間時(shí)，先設A0=0后寫(xiě)地址，接下來(lái)設A0=1，再進(jìn)行寄存器／存儲器讀／寫(xiě)周期。當nWR或nCS處于無(wú)效時(shí)，SL811HS寫(xiě)或讀操作終止。對于連接到SL81lHS的設備，在writenWR信號之前取消片選nCS，數據將一直保持并與指定的值相同。SL811HS／T的nRST引腳與AT91SAM7X256的PAl8相連，實(shí)現軟件低電平復位功能。SL811HS／T的引腳7、8與USB接口的DATA+，DATA-相連實(shí)現數據通信。S-L811HS／T的Clk／X1引腳和X2引腳與外接12MHz晶振相連。

　　3系統軟件實(shí)現

　　USB設備驅動(dòng)程序設計包括主機端設備驅動(dòng)程序、主機控制器驅動(dòng)程序和設備端驅動(dòng)程序3部分組成。主機端設備驅動(dòng)程序就是設備驅動(dòng)程序，它是主機環(huán)境中為用戶(hù)應用程序提供一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)USB外設的接口。Linux為這部分驅動(dòng)程序提供編程接口，設計者只要按照需求編寫(xiě)驅動(dòng)程序框架，通過(guò)調用操作系統提供的APl接口函數可以完成對USB外設的特定訪(fǎng)問(wèn)。

3．1USB設備驅動(dòng)程序框架

　　圖5所示Linux中USB驅動(dòng)的體系結構。LinuxUSB主機驅動(dòng)由3部分組成：USB主機控制器驅動(dòng)，USB驅動(dòng)和不同的USB設備類(lèi)驅動(dòng)。USB驅動(dòng)程序首先要向Linux內核進(jìn)行注冊自己，并告之系統該驅動(dòng)程序所支持的設備類(lèi)型及其所支持的操作。這些信息通過(guò)usb_driver結構傳遞。

　　3．2注冊和注銷(xiāo)

　　USB驅動(dòng)程序注冊，就是把在初始化函數中填好的use_driver結構作為參數傳遞給use_register()函數即可，函數的調用方法為：result=usb_register(skel_driver)；當要從系統卸載驅動(dòng)程序時(shí)，也是將use_driver結構作為參數傳遞給usb_deregister函數處理。函數的調用格式為：

當USB設備插入時(shí)，為了使linux-hotplug系統自動(dòng)裝載驅動(dòng)程序，需要創(chuàng )建一個(gè)MODULE_DEVICE_TABLE。核心代碼如下(這個(gè)模塊僅支持某一特定設備)：


3．3probe()函數

　　probe()函數的編寫(xiě)格式為：staTIcvoid*skel_probe(structusb_device*dev，unsignedintifnum，conststructusb_device_id*id)；驅動(dòng)程序需要確認插入的設備是否可以被接收，如果不接收，或者在初始化的過(guò)程中發(fā)生任何錯誤，probe()函數返回一個(gè)NULL值。否則返回一個(gè)含有設備驅動(dòng)程序狀態(tài)的指針，通過(guò)這個(gè)指針，就可以訪(fǎng)問(wèn)所有結構中的回調函數。

　　在驅動(dòng)程序里，最后一點(diǎn)是要注冊devfs(設備文件系統)。首先創(chuàng )建一個(gè)緩沖用來(lái)保存那些被發(fā)送給USB設備的數據和那些從設備上接收的數據，并為設備傳輸創(chuàng )建一個(gè)USB請求塊(URB)以向設備寫(xiě)入數據，同時(shí)USBurb被初始化，然后在devfs子系統中注冊設備，允許devfs用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)USB的設備。注冊過(guò)程如下：

　　如果devfs_register函數失敗，devfs子系統會(huì )將此情況報告給用戶(hù)。如果設備從USB總線(xiàn)拔掉，設備指針會(huì )調用disconnect函數。驅動(dòng)程序就需要清除那些被分配了的所有私有數據，關(guān)閉urbs，并且從devfs上注銷(xiāo)調自己。

　　3．4open()，write()和read()函數

　　首先，要打開(kāi)此設備。在open()函數中MODULE_INC_USE_COUNT宏是一個(gè)關(guān)鍵，它起到一個(gè)計數的作用，有一個(gè)用戶(hù)態(tài)程序打開(kāi)一個(gè)設備，計數器就加1。read()函數首先從open()函數中保存的fi。write()函數和read()函數是完成驅動(dòng)對讀寫(xiě)等操作的響應。在skelwrite中，一個(gè)FLL_BULK_URB函數，就完成了urb系統callbak和的skel_write_bulk_callback之間的聯(lián)系。read函數與write函數稍有不同在于：程序并沒(méi)有用urb將數據從設備傳送到驅動(dòng)程序，而是用usb_bulk_msg函數代替，這個(gè)函數能夠不需要創(chuàng )建urbs和操作urb函數的情況下，來(lái)發(fā)送數據給設備，或者從設備來(lái)接收數據。調用usb_bulk_msg函數并傳到一個(gè)存儲空間，用來(lái)緩沖和放置驅動(dòng)收到的數據，若沒(méi)有收到數據表示失敗并返回一個(gè)錯誤信息。usb_bulk_msg函數，當對USB設備進(jìn)行一次讀或者寫(xiě)時(shí)，usb_bulk_msg函數是非常有用的；然而，當需要連續地對設備進(jìn)行讀／寫(xiě)時(shí)，應建立一個(gè)自己的urbs，同時(shí)將urbs提交給USB子系統。

　　MOD_DEC_USE_COUNT宏也會(huì )被調用到，首先確認當前是否有其他的程序正在訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)設備，如果是最后一個(gè)用戶(hù)在使用，可以關(guān)閉任何正在發(fā)生的寫(xiě)，操作如下：
　

　　USB設備可以在任何時(shí)間點(diǎn)從系統中取走，即使程序目前正在訪(fǎng)問(wèn)它。USB驅動(dòng)程序必須要能夠很好地處理解決此問(wèn)題，它需要能夠切斷任何當前的讀寫(xiě)，同時(shí)通知用戶(hù)空間程序：USB設備已經(jīng)被取走。

　　4實(shí)驗結果

　　經(jīng)過(guò)大量的試驗，該系統工作穩定可靠，傳輸速度快且具有極低的誤碼率。利用邏輯分析儀和BusHound軟件進(jìn)行相應的邏輯功能分析，USB主機與設備之間可以正常通信。因為整個(gè)電路主要應用于稱(chēng)重系統，所以著(zhù)重測試了控制傳輸和批量傳輸這兩種數據傳輸方式。批量傳輸的有效數據傳輸速率可以達到1Mb／s，這是傳輸帶寬的限制和數據包中冗余信息的存在所導致的?？傮w來(lái)講，1Mb／s的傳輸速率還是令人滿(mǎn)意的。

　　5結束語(yǔ)

　　本系統以AT91SAM7X256單片機為核心進(jìn)行設計，采用SL811HS／T主控器件，實(shí)現了USB主機端口的擴展，使稱(chēng)重設備中同時(shí)具有USB設備端和主機端口，因此，該系統設計實(shí)現數據的點(diǎn)對點(diǎn)通信，實(shí)現稱(chēng)重設備數據更新、系統升級的可靠、快捷，適合工礦企業(yè)特殊環(huán)境下設備數據的更新，便于對設備的管理和維護。并在稱(chēng)重系統中引入USB主機端口具有非常實(shí)用的特點(diǎn)。因此，該系統設計具有很好的應用前景。