ARM和LINUX系統(tǒng)下嵌入式USB主機的設計

摘要：根據(jù)實際應用中嵌入式系統(tǒng)常需要具備USB 主機功能而大多數(shù)微處理芯片沒有集成這一功能的實際情況，提出了一套基于S3C44B0X 和SL811HST 的系統(tǒng)解決方案。本系統(tǒng)以ARM7 核心板加USB 擴展板為硬件實現(xiàn)方法；在ucLinux 系統(tǒng)下實現(xiàn)USB 驅(qū)動程序的編寫和加載。該系統(tǒng)成本低廉，運行穩(wěn)定，適合應用于手持式設備上及野外工作場合。

1 引言

通用串行總線(Universal Serial Bus，即USB)是一種新型的高速串行總線，作為一種快速、靈活的總線接口，已經(jīng)在電子產(chǎn)品中廣泛應用。同時人們對USB的期望也越來越高，希望USB能應用在各種計算機領域中。但是，由于USB通信模型是一種Host/Slave主從式結(jié)構(gòu)，經(jīng)由USB總線進行通信的雙方必須有一方在通信控制中擔當主機，而兩個USB設備之間則無法直接進行基于USB的數(shù)據(jù)交換。這就大大限制了USB在嵌入式設備中的應用。

ARM( Advanced RISC Machine)作為一種低功耗、高性能的32位嵌入式微處理器，在中高端嵌入式設備開發(fā)中有著廣泛的應用。有些ARM芯片的生產(chǎn)廠商在以ARM為內(nèi)核的微處理器中集成了USB主機控制器，但是，更多的ARM處理器是不帶USB主機功能的。解決這一問題的方法就是在需要使用USB設備的嵌入式系統(tǒng)中外擴一片USB主機控制器芯片，使之具有與USB設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設計">設計考慮設計一種USB主、從機一體化的外部擴展模塊，通過簡單地改變跳線，使得ARM核心的嵌入式設備既可作為USB主機，又可以作為USB從機。

2 總體設計

由于目前USB從機的硬件及軟件方面的開發(fā)已經(jīng)比較成熟，可以直接使用現(xiàn)有的資源，所以本設計主要討論USB主機功能的實現(xiàn)，目標任務是ARM核心板能夠讀寫外接USB設備，這里選擇最常用的U盤，實現(xiàn)讀、寫U盤數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)分為ARM核心板和SL811HST擴展板兩大部分。核心板是一個由ARM7微處理器、FLASH、SDRAM 、JTAG口和串口組成的最小系統(tǒng)。ARM處理器選用的是三星公司的S3C44B0X，這是一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的微處理器，具有低功耗、高性能的特點。Flash用來存放ucLinux操作系統(tǒng)和一些十分重要的數(shù)據(jù)，SDRAM則是操作系統(tǒng)和應用程序的運行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)，JTAG口和串口用于下載和調(diào)試。擴展板主要由USB主控芯片及其外圍電路和USB主、從接口構(gòu)成。USB主控制芯片選用的是Cypress公司的SL811HST，這是一款雙功能的控制芯片，通過設置開關既可以用來做主機又可以做從機。USB接口分為主機接口和從機接口，與主控芯片功能配套。

3 硬件電路

Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)進行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。常用的Flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3V。系統(tǒng)中選用一片16位的Flash存儲器SST39VF1601，單片存儲容量2M，用于存放操作系統(tǒng)和程序代碼，系統(tǒng)上電或復位后從此獲得第一條指令并開始執(zhí)行，因此，應將Flash存儲器配置到BANK0，即將S3C44B0X的nGCS0>接到其片選引腳CE#端;將S3C44B0X的OM[1:0]置為10,選擇BANK0為16位工作方式。與Flash存儲器不同，SDRAM不具有掉電保持數(shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，因此，它在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)，系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)也都存放在其中。系統(tǒng)中選用一片HY57V641620HG，它的存儲容量為8M，工作電壓為3.3V,16位數(shù)據(jù)寬度。1620的CS與S3C44B0X的nGCS6連接。

JTAG接口主要是用來實現(xiàn)芯片的嵌入式調(diào)試及在系統(tǒng)編程的功能，如對Flash器件進行編程等。串口的主要作用是向計算機傳輸信息，這些信息可以在計算機的超級終端上顯示，以便于調(diào)試程序時監(jiān)測程序的內(nèi)部變量值;在ucLinux操作系統(tǒng)運行時，串口將用來顯示它的啟動信息和運行狀態(tài)，向操作系統(tǒng)發(fā)送命令對其進行控制也需要通過串口來完成。ARM核心板的硬件組成如圖1所示：

圖1 ARM 核心板的構(gòu)成

Cypress公司的SL811HST芯片是一款嵌入式的USB主機/從機控制器，它的雙功能端口既可作為USB主機又可作為從機來支持全速或低速的USB器件，能夠與單片機、DSP和ARM等實現(xiàn)無縫接口。數(shù)據(jù)線為8位，只需要9根線用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，16個內(nèi)部寄存器，可以對USBHost進行充分的控制。內(nèi)部多達256字節(jié)的RAM，為USB傳輸建立了足夠的緩沖區(qū)。它的主要優(yōu)點有：通過其M/S引腳對主/從模式方便的進行選擇；提供全速和低速2種USB總線速度方式；硬件自動產(chǎn)生幀起始包SOF和CRC5/16校驗；片上集成了接口引擎（SIE）、單端口根Hub、USB收發(fā)器和256B的SRAM，其中0x00～0x0F共16個字節(jié)是寄存器區(qū)，其余的240B是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

SL811HS只有一根地址線A0。A0=1用于設定偏移量，A0=0用于讀寫數(shù)據(jù)。讀寫數(shù)據(jù)應該首先指定偏移量，然后實現(xiàn)讀取時序。A0與ARM的ADDR0相連。nCS和ARM的nGCS2相連，即把SL811HST分配到ARM的外部I/O口02。SL811HST與S3C44B0X的連接如圖2所示：

圖 2 SL811HST 與S3C44B0X 連接圖

4 軟件系統(tǒng)

本設計的軟件系統(tǒng)是在Linux環(huán)境下編寫調(diào)試運行的，前期工作為下載ucLinux內(nèi)核包，打補丁包等。ucLinux是專門針對如ARM7這類無MMU的CPU而設計的，它主要由以下幾個部分構(gòu)成:BootLoader、內(nèi)核初始化、系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)/捕獲函數(shù)、設備驅(qū)動和文件系統(tǒng)。其中BootLoader被用來初始化系統(tǒng)板上的硬件資源，必須根據(jù)系統(tǒng)板上不同的硬件資源進行相應的配置。本系統(tǒng)中主要是更改了FLASH和SDRAM的容量及數(shù)據(jù)寬度，開啟了外部I/O口2并設定為8位數(shù)據(jù)寬度以用來配置SL811HST，并把它的基地址設定為0x012000000完成對源代碼的修改之后就可以進行內(nèi)核的編譯。編譯是在裝有Linux及所需的交叉編譯工具鏈的計算機上來進行的，編譯生成的image.ram文件可以下載到SDRAM中直接運行，image.rom文件可以燒寫到FLASH中，系統(tǒng)上電或重啟后，將從FLASH的0x0地址處開始執(zhí)行，對硬件資源進行初始化后進入ucLinux。

從Linux2.4內(nèi)核以后，Linux的設備驅(qū)動中加入了對USB的支持，ucLinux也秉承了這一特點。本設計采用內(nèi)核編譯的方式加載USB驅(qū)動，將驅(qū)動程序的源代碼加進ucLinux系統(tǒng)內(nèi)核，編譯移植到嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動后將自動加載驅(qū)動。

編譯過程如下：

1：在ucLinux內(nèi)核的USB驅(qū)動目錄中添加如下三個文件：s181lh－usb.c、sl8llh.h、s1811husb.h。；

2：編輯/uclinux-s2cev40/linux-2.4.x/drivers/usb/config.in文件。修改這個文件的內(nèi)容加入對SL811HST的描述語句：

USB 設備驅(qū)動程序被編譯進ucLinux 內(nèi)核，包含在image.bin 文件中。在系統(tǒng)啟動時，USB 設備驅(qū)動就自動執(zhí)行了。

5 總結(jié)

本文作者創(chuàng)新點：巧妙利用ucLinux 內(nèi)核模塊，簡化開發(fā)過程，節(jié)約成本。本設計以uclinux 嵌入式操作系統(tǒng)為平臺，充分發(fā)揮了SL811HST 芯片的Host/Slave 兩種模式的作用， 整套系統(tǒng)上電運行結(jié)果證明，本系統(tǒng)設計能夠順利的讀寫U 盤數(shù)據(jù)，并且達到USB1.1的全速。此系統(tǒng)價格低廉，實現(xiàn)簡單有效。為嵌入式系統(tǒng)添加USB 主機接口，使得USB 能應用在沒有PC 的領域中，真正實現(xiàn)USB 點對點的通訊。在需要野外大量采集記錄數(shù)據(jù)的場合，如勘測，氣象等領域，嵌入式USB 主機方便攜帶；在需要遠距離傳輸數(shù)據(jù)的場合，在USB 設備上增加無線網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)就可以實時傳送，等等。