基于嵌入式ARM9的USB通信設計與實(shí)現

引 言

USB(Universal Serial Bus)是通用串行總線(xiàn)的縮寫(xiě)，因其具有方便易用，動(dòng)態(tài)分配帶寬，容錯性?xún)?yōu)越和高性?xún)r(jià)比等特點(diǎn)，現已成為計算機的主流接口。

隨著(zhù)嵌入式系統的廣泛應用，各種小型終端需要開(kāi)發(fā)出與外界聯(lián)系的USB接口。目前，常用的技術(shù)有兩種?；趩纹瑱C的USB接口，特點(diǎn)是需要外置芯片，電路復雜，留下的 CPU資源不多;基于A(yíng)RM的USB接口，特點(diǎn)是資源豐富，但ARM系列產(chǎn)品較多，如果選型不當，還需要搭接較多的外圍電路，且不能很好地發(fā)揮CPU性能。

該設計采用三星公司ARM9核的S3C2440A芯片作為CPU，因為該芯片內部集成了控制USB的所有部件，外圍電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。

1 S3C2440A特點(diǎn)

S3C2440A的CPU部分主要集成了電源模塊、復位和時(shí)鐘模塊、觸摸屏和小鍵盤(pán)模塊、程序存儲器和數據存儲器模塊。同時(shí)提供如下豐富的外圍接口：同步存儲器(SDRAM)和NAND FLASH控制接口，可擴展到1 GB的存儲的空間;4個(gè)DMA通道和24個(gè)中斷端口;能控制STN LCD和TFT液晶屏顯示，支持觸摸屏功;USB接口A(yíng)型和B型各一個(gè);3個(gè)串行口、I2C，SPI，I2S等接口;帶AC97音頻接口;具備SD卡、數碼相機接口和網(wǎng)絡(luò )接口。

S3C2440A還具備多種工作模式，管腳為17×17方型分布，橫向從左1到右17編號，縱向從下A到上U編號，分類(lèi)為 A1～A17，B1～B17， C1～C17依此類(lèi)推到U1～U17。這些管腳所對應的功能并不是惟一的，通常只要使能變化，S3C2440A就能實(shí)現不同的控制功能。該設計涉及到的 S3C2440A，其管腳如表1所示分為3類(lèi)。

2.2 串口電路

串口在該設計中的作用是通過(guò)計算機加載USB驅動(dòng)程序，原理如圖2所示。

2.3 電源電路

由于S3C2440A芯片的管腳對電壓提出了不同要求，所以需要完成電源的變壓，其原理如圖3所示。

3 驅動(dòng)程序的研究

按USB接口，其設備結構可分為USB Host(主機)和USB Device(外部設備)。USB主機控制USB設備進(jìn)行通信，而主機與主機之間，或USB設備與USB設備之間是不能通信的。

3.1 USB主機

USB主機的功能通常包含以下幾個(gè)部分：驗證USB設備是否安插好或拔除;控制USB主機與設備兩者中的數據流;返回USB主機的所顯狀態(tài)。

USB系統軟件由以下3個(gè)部分組成：主機控制器驅動(dòng)(HCD)、USB驅動(dòng)(USBD)、主機軟件(Host Software)。主機控制器所具備的功能如表2所示。HCD和USBD包含基于不同抽象層次的軟件接口，兩者以一定的方式協(xié)同完成任務(wù)，用以實(shí)現 USB系統的功能。它們的任務(wù)差別沒(méi)有具體定義，然而HCD要具備的一項功能就是必須支持多種不同主機控制器芯片。在一些操作系統中，當系統必須實(shí)現某些基本功能時(shí)，可由Host Software實(shí)現。

3.2 USB傳輸類(lèi)型

USB定義了4種傳送類(lèi)型：控制傳送、同步傳送、中斷傳送、批傳送。其中，控制傳送是指可靠的、非周期性的、突發(fā)的，并由主機客戶(hù)軟件所發(fā)起的通信，主要應用于控制命令和狀態(tài)信息的傳送;同步傳送是指在主機和設備之間周期性的、連續的通信，一般用于傳送時(shí)實(shí)信息，這種類(lèi)型保留了將時(shí)間概念包含于數據的能力，但傳送并不一定很緊急;中斷傳送是指少量數據的、低速的、周期的傳送;批傳送是指非周期的、大量的、可靠的傳送，其典型應用在于傳送那些可以利用帶寬的數據。

3.3 USB設備請求

USB設備應通過(guò)缺省控制管道(Default Control Pipe)響應來(lái)自主機的請求命令。這些請求是通過(guò)使用控制傳輸來(lái)完成的。請求及請求的參數通過(guò)Setup包發(fā)向設備，由主機負責設置Setup包內的每個(gè)域的值。USB設備請求包含的請求類(lèi)型有三種：標準、廠(chǎng)商和設備類(lèi)。標準請求用來(lái)完成設備的枚舉過(guò)程;廠(chǎng)商請求用來(lái)完成使用者自己定義的請求;設備類(lèi)請求指的是某些特定的USB設備類(lèi)所傳輸出的請求，例如打印機類(lèi)就屬于這一類(lèi)。設備請求要求有嚴格的定義，包含的內容有類(lèi)型、設備請求、值、索引和長(cháng)度。

3.4 USB驅動(dòng)程序結構

S3C2440A芯片支持USB1.1協(xié)議和USB 2.0協(xié)議。該設計是針對USB Host(主機，A型)，并基于USB 1.1協(xié)議編寫(xiě)的。程序結構和數據傳輸的流向如圖4所示。

驅動(dòng)程序的編寫(xiě)主要分為以下幾個(gè)部分考慮：硬件提取層、中斷服務(wù)程序、標準設備請求和主循環(huán)。硬件提取層實(shí)現的是S3C2440A對I/O端口直接的讀寫(xiě)操作;中斷服務(wù)程序處理各種中斷，包括總線(xiàn)任務(wù)上的請求;標準設備請求完成主機送來(lái)的各種標準請求，用于完成各種枚舉請求;而主循環(huán)則負責完成前臺的數據采集等工作，所有的任務(wù)結束后都要回到主循環(huán)上去。

4 結 語(yǔ)

該設計采用三星公司ARM9的S3C2440A芯片作為CPU，比原來(lái)基于單片機的模式，外圍電路簡(jiǎn)單，容易可靠地實(shí)現嵌入式終端的USB接口功能。在調試中，用到的嵌入式開(kāi)發(fā)板GEC2440A套件還提供了串口工具DNW。用這一工具可以檢測驅動(dòng)程序的正確與否，如：程序編寫(xiě)無(wú)誤，則DNW串口會(huì )提示 “USB IS CONNECT”。由于S3C2440A芯片功能豐富，如處理器可提高運算速度，LCD可人機交互，網(wǎng)口可連接因特網(wǎng)，所以開(kāi)發(fā)出的嵌入式終端不但可提升整體性能，還為日后的應用奠定了基礎。