基于μCLinux的USB芯片FT245BL驅動(dòng)設計

　　0 引 言

　　μClinux是針對嵌入式控制領(lǐng)域的操作系統，它繼承了Linux內核的絕大部分特性，專(zhuān)為沒(méi)有內存管理單元MMU的嵌入式微處理器而設計。它內核小，效率高，源代碼開(kāi)放，包含了完整的TCP／IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。ADSP-BF533是ADI公司Blackfin系列的高速數字信號處理器芯片。Blackfin系列是ADI與Intel聯(lián)合開(kāi)發(fā)的體現高性能體系結構的首款第四代DSP產(chǎn)品，16位定點(diǎn)DSP內核，新型指令結構，支持C／C++編程，主頻達600 MHz，內核電壓1．2 V，具有動(dòng)態(tài)電源管理能力，功耗低，擴展能力強，被廣泛應用于各種信號處理。

　　這里使用基于Blackfin ADSP-BF533微處理器的μClinux開(kāi)發(fā)板，在對外通信時(shí)需用到USB接口。結合實(shí)際情況，選擇FTDI公司推出的USB芯片FT245BL。主要介紹USB芯片FT245BL的工作原理和電路設計，以及如何在μClinux操作系統下編寫(xiě)和添加其驅動(dòng)程序的方法。

　　1 FT245BL工作原理與電路設計

　　傳統USB芯片要求設計人員對USB的標準、Firmware編程及驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)等有較深入的理解，工作量大，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，需要經(jīng)驗豐富的設計者才能完成；而FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd．)公司推出的USB芯片FT245BL集成了微控制器，并且把實(shí)現USB通信協(xié)議的固件程序直接固化在芯片中，同時(shí)提供了PC端的沒(méi)備驅動(dòng)程序，用戶(hù)只需進(jìn)行必要的硬件設計和簡(jiǎn)單的軟件編程，所以大大降低了開(kāi)發(fā)難度。

　　1．1 功能結構

　　FT245BL是FTDI公司的一款并行FIFO雙向數據傳輸的USB芯片，對于微處理器它提供8位并行數據總線(xiàn)D0～D7，對于外部主機是標準串行總線(xiàn)或虛擬接口，其數據傳輸速率最高可達1 MB／s，提供USBl．1／2．O規范的全速物理接口，支持UHCI／OHCI／EHCI主控制器。

　　FT245BL芯片的內部系統結構框架圖如圖1所示，芯片主要由3．3 V穩壓器、USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和先進(jìn)先出(FIFO)控制器、6 MHz振蕩器、8×倍頻器、USB鎖相環(huán)、復位器、E。PROM接口等構成。其內部設置了2個(gè)FIFO數據緩沖區，一個(gè)是128 B的接收緩沖區；一個(gè)是384 B的發(fā)送緩沖區。串行接口引擎用來(lái)完成USB數據的串／并雙向轉換；USB協(xié)議引擎用于管理來(lái)自USB設備控制端口的數據流，實(shí)現USB主機控制器需要的USB底層協(xié)議。

　　1．2 工作原理

　　DSP與FT245BL接口框圖如圖2所示。主板CPLD用AMS[0：3]和高5位地址線(xiàn)(A19～A15)進(jìn)行譯碼；FT245BL的TXE和RXF信號在查詢(xún)地址有效時(shí)，通過(guò)DSP讀取其狀態(tài)，判斷是否發(fā)送數據或接收數據；TXE用于判斷發(fā)送FIFO是否滿(mǎn)，0為不滿(mǎn)，1為滿(mǎn)，當TXE為0時(shí)，外部DSP向發(fā)送FIFO緩沖區寫(xiě)數據，直到發(fā)送數據全部寫(xiě)入；RXF用于判斷接收FIFO是否有數據，只要數據個(gè)數≥1，RXF就為低，通知DSP可以讀取數據。FT245BL的RD和WR信號在讀寫(xiě)地址有效時(shí)，分別與DSP的ARE和AWE相連，DSP可以讀取接收數據和寫(xiě)入發(fā)送數據。

　　1．3 電路設計

　　FT245BL芯片使用主板上的3．3 V和5 V電源供電，主板對外作為一個(gè)USB設備。USB總線(xiàn)的電源線(xiàn)連接在芯片的復位引腳RESET上，這樣保證了USB芯片平時(shí)處于復位狀態(tài)。

　　當USB總線(xiàn)連接到主機時(shí)，電源線(xiàn)變高，RESET變高，最終導致RSTOUT變高，由于USBDP引腳配置了一個(gè)1．5 kΩ的上拉電阻連到RSTOUT引腳，使得芯片以全速狀態(tài)連接到主機。FIFO控制器接口包括8位數據線(xiàn)D7～D0、讀RD、寫(xiě)WR、發(fā)送使能TXE、接收完畢RXF的5個(gè)信號。由于FT245BL芯片沒(méi)有片選線(xiàn)，所以信號都是經(jīng)過(guò)主板CPLD內部的譯碼電路處理后才連接的。DSP采用中斷機制讀取FIFO的數據，所以將RXF連接DSP的可編程端口(PF3)，用以產(chǎn)生中斷。

　　2 FT245BL驅動(dòng)程序的編寫(xiě)

　　這里以ADI公司的ADSP-BF533為例，介紹USB接口芯片FT245BL在μClinux下驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。依據FT245BL芯片的結構和接口設計，決定將其作為字符設備來(lái)開(kāi)發(fā)它的驅動(dòng)程序。所用開(kāi)發(fā)平臺的硬件結構如下：

　　2．1 確定設備的設備名稱(chēng)和主設備號

　　主設備號是內核識別不同類(lèi)型設備的惟一標識，內核利用主設備號將設備與相應的驅動(dòng)程序對應起來(lái)。開(kāi)發(fā)新的驅動(dòng)程序，必須找到一個(gè)還未被使用的主設備號，分配給自己的字符設備。主設備號的確定可以通過(guò)兩種方法：一是靜態(tài)定義；二是動(dòng)態(tài)分配。該驅動(dòng)采用的是靜態(tài)主設備號，在ft245b1．C文件中直接定義設置為254，#define FT245BL_major 254。

　　2．2 確定編寫(xiě)需要的file-operations數據結構中的功能函數

　　該驅動(dòng)文件ft245b1．C中定義的file_operations數據結構：

　　2．3 設備的注冊與注銷(xiāo)

　　設備驅動(dòng)在調用前必須首先向系統注冊，這時(shí)就執行加載函數static int_init ft245bl_init(void)。該函數的核心語(yǔ)句是register_chrdev(ft245bl_major，FT245BL_DEV，ft245bl_fops)字符注冊函數。其中，ft245bl_major是設備驅動(dòng)向系統申請的主設備號；FT245BL_DEV是USB設備的名稱(chēng)；ft245bl_fops是之前定義為file_operations數據結構的各個(gè)功能函數的文件指針。該函數返回值為0，表示注冊成功；返回-INVAL，表示申請的主設備號非法；返回-EBUSY，表示該設備號正在使用。設備注冊成功后，設備名會(huì )出現在系統的／proc／devices文件中。

　　設備有注冊就有卸載，卸載字符設備需要調用函數unregister_chrdev(ft245bl_major，FT245BL_DEV)，參數有主設備號和設備名兩個(gè)，USB退出驅動(dòng)，用staticvoid_exit ft245bl_exit(void)函數。

　　2．4 編寫(xiě)相應的功能函數

　　對于每一個(gè)設備驅動(dòng)程序來(lái)說(shuō)，都有一些與此設備密切相關(guān)的功能函數，通常對于塊設備或者字符設備來(lái)說(shuō)，都存在著(zhù)諸如打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫(xiě)這一類(lèi)的操作。當進(jìn)行系統調用時(shí)，將自動(dòng)地使用驅動(dòng)函數中特定的函數來(lái)實(shí)現具體的操作。打開(kāi)函數open()主要完成以下操作，即檢查設備錯誤(諸如設備未就緒或相似的硬件問(wèn)題)，如果是首次打開(kāi)，則初始化設備；讀取次設備號；分配和填寫(xiě)要放在file→private-data內的數據結構；增加使用計數。讀函數read()用來(lái)從外部設備中讀取數據，當其為NULL指針時(shí)，將引起read()系統調用返回-EINVAL(“非法參數”)。函數返回一個(gè)非負值表示成功地讀取了多少字節。寫(xiě)函數write()向外部設備發(fā)送數據，如果沒(méi)有這個(gè)函數，返回一個(gè)-EINVAL；如果返回值非負，就表示成功寫(xiě)入的字節數。當設備被關(guān)閉時(shí)調用release()這個(gè)操作，有時(shí)也稱(chēng)為close()。它應該完成以下操作：使用計數減1;釋放open分配在file→rivate-data中的內存；在最后一次關(guān)閉操作時(shí)關(guān)閉設備。下面是FT245BL驅動(dòng)程序讀函數read()的實(shí)現：

　　讀取函數ft245bl_read通過(guò)判斷USB芯片RXF管腳的狀態(tài)來(lái)處理接收到的數據，如果RXF為0，表示接收緩沖區(RX FIFO)中至少有1個(gè)數據，處理器讀取一個(gè)數據后重新回到判斷；如果RXF為1，表示芯片沒(méi)有接收到數據，這時(shí)程序啟動(dòng)中斷等待事件函數wait_event_interruptible，內核從USB設備驅動(dòng)中釋放出來(lái)，運行其他程序，直到有新的數據到來(lái)時(shí)，內核首先執行中斷處理函數ft245bl_rx_handler，將中斷標志位irqflag置1，喚醒等待隊列ft245bl_waitqueue，然后再回到讀取函數中繼續運行。

　　2．5 中斷處理

　　設備驅動(dòng)程序通過(guò)調用中斷申請函數申請中斷，其格式為：

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