ARM和LINUX系統(tǒng)下嵌入式USB主機(jī)的設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中嵌入式系統(tǒng)常需要具備USB 主機(jī)功能而大多數(shù)微處理芯片沒(méi)有集成這一功能的實(shí)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(kuò)展板為硬件實(shí)現(xiàn)方法；在ucLinux 系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)USB 驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)和加載。該系統(tǒng)成本低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，適合應(yīng)用于手持式設(shè)備上及野外工作場(chǎng)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(yīng)用。同時(shí)人們對(duì)USB的期望也越來(lái)越高，希望USB能應(yīng)用在各種計(jì)算機(jī)領(lǐng)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(jìn)行通信的雙方必須有一方在通信控制中擔(dān)當(dāng)主機(jī)，而兩個(gè)USB設(shè)備之間則無(wú)法直接進(jìn)行基于USB的數(shù)據(jù)交換。這就大大限制了USB在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)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(shè)備開(kāi)發(fā)中有著廣泛的應(yīng)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(jī)控制器，但是，更多的ARM處理器是不帶USB主機(jī)功能的。解決這一問(wèn)題的方法就是在需要使用USB設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中外擴(kuò)一片USB主機(jī)控制器芯片，使之具有與USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α１?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)一種USB主、從機(jī)一體化的外部擴(kuò)展模塊，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變跳線，使得ARM核心的嵌入式設(shè)備既可作為USB主機(jī)，又可以作為USB從機(jī)。

2 總體設(shè)計(jì)

由于目前USB從機(jī)的硬件及軟件方面的開(kāi)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(shè)計(jì)主要討論USB主機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)任務(wù)是ARM核心板能夠讀寫(xiě)外接USB設(shè)備，這里選擇最常用的U盤(pán)，實(shí)現(xiàn)讀、寫(xiě)U盤(pán)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)分為ARM核心板和SL811HST擴(kuò)展板兩大部分。核心板是一個(gè)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(diǎn)。Flash用來(lái)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(yīng)用程序的運(yùn)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(kuò)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(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)既可以用來(lái)做主機(jī)又可以做從機(jī)。USB接口分為主機(jī)接口和從機(jī)接口，與主控芯片功能配套。

3 硬件電路

Flash存儲(chǔ)器是一種可在系統(tǒng)進(jìn)行電擦寫(xiě)，掉電后信息不丟失的存儲(chǔ)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(chǔ)器SST39VF1601，單片存儲(chǔ)容量2M，用于存放操作系統(tǒng)和程序代碼，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此獲得第一條指令并開(kāi)始執(zhí)行，因此，應(yīng)將Flash存儲(chǔ)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(chǔ)器不同，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲(chǔ)器，因此，它在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)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(chǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)芯片的嵌入式調(diào)試及在系統(tǒng)編程的功能，如對(duì)Flash器件進(jìn)行編程等。串口的主要作用是向計(jì)算機(jī)傳輸信息，這些信息可以在計(jì)算機(jī)的超級(jí)終端上顯示，以便于調(diào)試程序時(shí)監(jiān)測(cè)程序的內(nèi)部變量值;在ucLinux操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，串口將用來(lái)顯示它的啟動(dòng)信息和運(yùn)行狀態(tài)，向操作系統(tǒng)發(fā)送命令對(duì)其進(jìn)行控制也需要通過(guò)串口來(lái)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(jī)/從機(jī)控制器，它的雙功能端口既可作為USB主機(jī)又可作為從機(jī)來(lái)支持全速或低速的USB器件，能夠與單片機(jī)、DSP和ARM等實(shí)現(xiàn)無(wú)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(gè)內(nèi)部寄存器，可以對(duì)USBHost進(jìn)行充分的控制。內(nèi)部多達(dá)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(diǎn)有：通過(guò)其M/S引腳對(duì)主/從模式方便的進(jìn)行選擇；提供全速和低速2種USB總線速度方式；硬件自動(dòng)產(chǎn)生幀起始包SOF和CRC5/16校驗(yàn)；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(gè)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(shè)定偏移量，A0=0用于讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)數(shù)據(jù)應(yīng)該首先指定偏移量，然后實(shí)現(xiàn)讀取時(shí)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(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)是在Linux環(huán)境下編寫(xiě)調(diào)試運(yùn)行的，前期工作為下載ucLinux內(nèi)核包，打補(bǔ)丁包等。ucLinux是專門(mén)針對(duì)如ARM7這類(lèi)無(wú)MMU的CPU而設(shè)計(jì)的，它主要由以下幾個(gè)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(shè)備驅(qū)動(dòng)和文件系統(tǒng)。其中BootLoader被用來(lái)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(jìn)行相應(yīng)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(kāi)啟了外部I/O口2并設(shè)定為8位數(shù)據(jù)寬度以用來(lái)配置SL811HST，并把它的基地址設(shè)定為0x012000000完成對(duì)源代碼的修改之后就可以進(jìn)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(jì)算機(jī)上來(lái)進(jìn)行的，編譯生成的image.ram文件可以下載到SDRAM中直接運(yùn)行，image.rom文件可以燒寫(xiě)到FLASH中，系統(tǒng)上電或重啟后，將從FLASH的0x0地址處開(kāi)始執(zhí)行，對(duì)硬件資源進(jìn)行初始化后進(jìn)入ucLinux。

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

編譯過(guò)程如下：

1：在ucLinux內(nèi)核的USB驅(qū)動(dòng)目錄中添加如下三個(gè)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(gè)文件的內(nèi)容加入對(duì)SL811HST的描述語(yǔ)句：

USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被編譯進(jìn)ucLinux 內(nèi)核，包含在image.bin 文件中。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)就自動(dòng)執(zhí)行了。

5 總結(jié)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：巧妙利用ucLinux 內(nèi)核模塊，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，節(jié)約成本。本設(shè)計(jì)以u(píng)clinux 嵌入式操作系統(tǒng)為平臺(tái)，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(yùn)行結(jié)果證明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠順利的讀寫(xiě)U 盤(pán)數(shù)據(jù)，并且達(dá)到USB1.1的全速。此系統(tǒng)價(jià)格低廉，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效。為嵌入式系統(tǒng)添加USB 主機(jī)接口，使得USB 能應(yīng)用在沒(méi)有PC 的領(lǐng)域中，真正實(shí)現(xiàn)USB 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊。在需要野外大量采集記錄數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，如勘測(cè)，氣象等領(lǐng)域，嵌入式USB 主機(jī)方便攜帶；在需要遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，在USB 設(shè)備上增加無(wú)線網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)傳送，等等。