嵌入式系統(tǒng)中的USB控制器與框架結(jié)構(gòu)

過(guò)去USB僅應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)，而在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的巨大潛力還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)，USB在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用包括KVM開(kāi)關(guān)、數(shù)碼相機(jī)、PDA、打印機(jī)、機(jī)頂盒以及移動(dòng)電話等。本文將介紹在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用USB時(shí)其主機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。

嵌入式系統(tǒng)被定義為硬件和固件(獨(dú)立的或作為更大型系統(tǒng)的一部分)通常帶有某種操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以是Windows CE、VxWorks或其它由“自編代碼”構(gòu)成的更簡(jiǎn)單系統(tǒng)。根據(jù)這樣的定義，可以認(rèn)為任何帶有處理器的電子裝置均可以作為USB嵌入式主機(jī)。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在基于PC的系統(tǒng)中，USB操作一般需要三種部件，分別是通常作為PCI子系統(tǒng)的主機(jī)控制器、USB堆棧以及USB類(lèi)驅(qū)動(dòng)器。

主機(jī)控制器是集成主板芯片組的一部分，USB堆棧則包含主板芯片及通用主機(jī)控制器接口(UCHI)和開(kāi)放主機(jī)控制器接口(OHCI)驅(qū)動(dòng)程序以及USB驅(qū)動(dòng)程序(usbd.sys)，在PC上實(shí)現(xiàn)USB需要上述領(lǐng)域的專門(mén)技術(shù)。

在嵌入式USB系統(tǒng)中，其主要組成部分與PC系統(tǒng)類(lèi)似，如嵌入式主機(jī)控制器芯片、帶OHCI堆棧的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)以及專用驅(qū)動(dòng)程序。現(xiàn)有很多可供選擇的主機(jī)控制器芯片，有些帶有處理器，有些則是基于寄存器的，對(duì)器件的選擇將影響到其下面兩層。

很多公司都可提供RTOS，最好選擇一個(gè)能配合在一起工作的處理器和RTOS，然后在其上添加應(yīng)用代碼。如果沒(méi)有真正的RTOS，某些控制器則用一個(gè)“框架”，可在其上構(gòu)造應(yīng)用程序。我們后面將介紹這種框架以及如何在上面構(gòu)建應(yīng)用。

在PC上實(shí)現(xiàn)USB具有非常豐富的可用資源，包括高達(dá)512MB的存儲(chǔ)器、20-60GB的硬盤(pán)以及2GHz或更快的微處理器。此外，多年來(lái)Windows、MAC OS以及Unix等操作系統(tǒng)也一直支持USB，而且世界上還有成千上萬(wàn)的工程師在設(shè)計(jì)基于PC的USB應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。而對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通常只有不超過(guò)6?K的存儲(chǔ)器，以及運(yùn)行于12MHz～33MHz的處理器，且沒(méi)有硬盤(pán)。由于USB對(duì)嵌入式系統(tǒng)相對(duì)較新，因此可能只有為數(shù)不多的工程師擁有這方面的經(jīng)驗(yàn)。

控制器與框架

下面我們以賽普拉斯EZ-Host為例介紹嵌入式系統(tǒng)USB控制器與框架結(jié)構(gòu)。EZ-Host有兩個(gè)“串行接口引擎”，每個(gè)引擎包含兩個(gè)USB端口，因此無(wú)需使用額外硬件EZ-Host便可控制四個(gè)USB設(shè)備。

EZ-Host器件具有固件結(jié)構(gòu)，可管理大多數(shù)USB主機(jī)的詳細(xì)請(qǐng)求。該結(jié)構(gòu)另一個(gè)特點(diǎn)是支持網(wǎng)絡(luò)集線器。鍵盤(pán)/集線器組合在一起常常帶來(lái)這樣的問(wèn)題，即它究竟是帶有集線器的鍵盤(pán)還是帶有鍵盤(pán)的集線器？答案應(yīng)該是帶有鍵盤(pán)的集線器。因此要了解集線器后面的鍵盤(pán)，還需要提供集線器支持。幸好，這里的框架代碼包含了對(duì)集線器的支持。

EZ-Host框架包含所有實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能所必需的固件，包括任務(wù)調(diào)度、設(shè)備枚舉、帶寬分配以及功率管理。另外應(yīng)用程序作為固件的一部分，控制專用USB設(shè)備并將其數(shù)據(jù)傳遞給最終應(yīng)用。

框架的核心是TD處理器。TD處理器的運(yùn)行基于一種稱為“任務(wù)描述器(TD)”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用其信息與USB硬件尤其是“串行接口引擎(SIE)”進(jìn)行通信。需要注意的是每個(gè)SIE控制兩個(gè)端口，而且每個(gè)SIE具有一個(gè)TD處理器。EZ-Host框架使用了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其操作，這些結(jié)構(gòu)包括TD和USB請(qǐng)求模塊(URB)。

任務(wù)描述器是傳遞給硬件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含特定硬件接口(如SIE)和端口編號(hào)的數(shù)據(jù)字段、終點(diǎn)數(shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)包ID編碼以及URB結(jié)構(gòu)指示器。

URB含有TD所需的邏輯信息，該邏輯信息包括USB設(shè)備緩沖器、安裝軟件包以及USB設(shè)備結(jié)構(gòu)指示器。

進(jìn)行USB事務(wù)處理時(shí)，URB帶有事務(wù)處理分配及其裝入的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而后URB提交給TD處理器，TD處理器再將URB加入TD列表。空閑時(shí)，TD處理器處理TD列表，安排傳輸時(shí)序，并將設(shè)定好的TD傳送給EZ-Host硬件進(jìn)行處理。

為了執(zhí)行控制轉(zhuǎn)移，可以使用框架函數(shù)send_request()，send_request()函數(shù)將分配一個(gè)傳遞給TD處理器的URB結(jié)構(gòu)。URB應(yīng)該包含有關(guān)設(shè)置狀態(tài)的信息，并且借助參數(shù)傳遞給send_request()。URB需要的信息包括：

* 請(qǐng)求類(lèi)型：表明USB請(qǐng)求類(lèi)型的字節(jié)，該字節(jié)包含表示傳輸方向、傳輸類(lèi)型以及傳輸接受方的位。

* 請(qǐng)求：11種標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求中的一種，這些請(qǐng)求包括：Clear_Feature、Get_Configuration、Get_Descriptor、Get_Interface、Get_Status、Set_Address、Set_Configuration、Set_Descriptor、Set_Feature、Set_Interface、Synch_Frame。
* 值：特殊請(qǐng)求字段。

* 索引：特殊請(qǐng)求字段。

* 長(zhǎng)度：相關(guān)數(shù)據(jù)緩沖器的大小

載入用于URB的設(shè)置信息之后，便可將其它設(shè)備信息裝入U(xiǎn)RB，如地址、速度、終點(diǎn)數(shù)以及傳輸方向，還有表示傳輸類(lèi)型的字節(jié)和“回調(diào)”函數(shù)指示器。利用回調(diào)函數(shù)可以在框架內(nèi)進(jìn)行某些并行操作，也可在硬件處理USB操作的同時(shí)執(zhí)行其它任務(wù)。TD需要USB傳輸類(lèi)型信息，這樣框架就可以安排正確的傳輸類(lèi)型時(shí)序。此外，與批量或中斷傳輸相反，框架一次只允許進(jìn)行一個(gè)控制傳輸操作。

裝入所有URB信息之后，URB便被提交給TD處理器。TD處理器是框架的組成部分，它與硬件直接通信，處理有關(guān)傳輸?shù)牡图?jí)詳細(xì)資料。TD完成任務(wù)后，TD處理器將程序控制權(quán)由原始調(diào)用指定的“回調(diào)”函數(shù)轉(zhuǎn)給send_request()函數(shù)(圖1)。

圖2顯示了調(diào)用帶回調(diào)函數(shù)的send_request()。這里我們使用控制傳輸以獲得某鍵盤(pán)的國(guó)家代碼，在get_country_code()函數(shù)中可看到send_request()的調(diào)用，注意send_request()調(diào)用中的最后一個(gè)參數(shù)是回調(diào)函數(shù)。在TD處理器確定硬件完成處理后執(zhí)行該函數(shù)，此時(shí)回調(diào)函數(shù)將獲得返回的數(shù)據(jù)緩沖器，將其與HID描述器結(jié)構(gòu)相匹配，并存取與國(guó)家代碼對(duì)應(yīng)的字節(jié)，然后URB被釋放。

EZ-Host框架值得注意的最后一個(gè)特點(diǎn)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的使用。在執(zhí)行過(guò)程中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?zhí)行三個(gè)功能，即停止、啟動(dòng)和運(yùn)行。啟動(dòng)某設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序便是運(yùn)行它的run()函數(shù)，該函數(shù)對(duì)某些數(shù)值進(jìn)行初始化，并分配一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹貜?fù)出現(xiàn)的URB。對(duì)于鼠標(biāo)或鍵盤(pán)，該URB將每隔10毫秒發(fā)生一次。數(shù)據(jù)傳輸完成后，TD處理器將控制轉(zhuǎn)交給interrupt_in_complete()函數(shù)，通過(guò)檢查URB可得知數(shù)據(jù)是來(lái)自鍵盤(pán)還是來(lái)自鼠標(biāo)，該回調(diào)函數(shù)負(fù)責(zé)將鍵盤(pán)或鼠標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至應(yīng)用層(圖3)。

當(dāng)某驅(qū)動(dòng)程序停止時(shí)，其重復(fù)出現(xiàn)的URB將從TD列表中除去并釋放出空間，然后傳送一個(gè)消息至應(yīng)用層，去掉相關(guān)設(shè)備。如果停止的驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)設(shè)備是集線器，則與該集線器相連的所有設(shè)備也要去除，且驅(qū)動(dòng)程序同時(shí)停止。當(dāng)然，如果去除的設(shè)備中還有集線器，則與該集線器相連的設(shè)備將以同樣方式去除。

在驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行期間，系統(tǒng)可執(zhí)行各種任務(wù)。對(duì)于集線器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，要檢查集線器的端口，以了解是否有設(shè)備插入和去除。這里鍵盤(pán)和鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行函數(shù)不起任何作用。

框架數(shù)據(jù)流

框架代碼執(zhí)行過(guò)程是這樣的：上電復(fù)位、微處理器對(duì)所有寄存器和計(jì)數(shù)器以及設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入如下的循環(huán)：

1.檢查主機(jī)USB端口是否存在狀態(tài)改變(設(shè)備插入或去除)。

2.檢查T(mén)D處理器，并獲得兩個(gè)SIE上運(yùn)行的所有TD狀態(tài)信息。

3.查看運(yùn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序列表并執(zhí)行每個(gè)程序的運(yùn)行函數(shù)。

檢查主機(jī)USB端口以了解狀態(tài)變化需要檢查變量的改變，如果發(fā)生變化，可通過(guò)端口變化中斷處理程序設(shè)定變量。如果端口發(fā)生改變，將執(zhí)行枚舉代碼進(jìn)行處理。

通過(guò)集線器至主機(jī)的中斷傳輸完成相連集線器變化值檢查，如果發(fā)生設(shè)備添加或去除，它們將像上面那樣枚舉出來(lái)。發(fā)現(xiàn)新設(shè)備時(shí)，需要找到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序然后裝入。根據(jù)設(shè)備尋找設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法有很多種，框架代碼將首先嘗試將某驅(qū)動(dòng)程序與某設(shè)備的供應(yīng)商ID以及產(chǎn)品ID進(jìn)行匹配，但只有存在特定的制造商且特定設(shè)備在特定驅(qū)動(dòng)程序中運(yùn)行這種方法才有效。如果沒(méi)有實(shí)現(xiàn)匹配，框架代碼會(huì)嘗試對(duì)設(shè)備的種類(lèi)和子類(lèi)進(jìn)行匹配，這可以利用更普通的驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備匹配。

設(shè)備插入和去除檢查還有兩項(xiàng)額外的任務(wù)。如果連接的設(shè)備是集線器，則必須對(duì)其端口進(jìn)行檢查，以查看它們是否帶有設(shè)備。如果去除的設(shè)備是集線器，那么所有與之連接的設(shè)備也必須去除。

通過(guò)中斷傳輸還可以檢查來(lái)自相連鍵盤(pán)和鼠標(biāo)設(shè)備的新數(shù)據(jù)，這些傳輸每10毫秒種發(fā)生一次，由TD處理器安排時(shí)序。任務(wù)完成后，TD處理器將傳輸控制轉(zhuǎn)給回調(diào)函數(shù)，這時(shí)可提取鍵盤(pán)和鼠標(biāo)數(shù)據(jù)，并送至應(yīng)用層。

構(gòu)建應(yīng)用

現(xiàn)在介紹如何構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的控制鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的嵌入式USB設(shè)計(jì)，該方案使用基于處理器的USB主機(jī)控制器，處理器的代碼包含框架和應(yīng)用固件。首先要做的是確定希望支持設(shè)備的數(shù)量和類(lèi)型，確定設(shè)備數(shù)量后，可據(jù)此分配URB和驅(qū)動(dòng)程序空間，通過(guò)修改名為fwxcfg.h的“個(gè)性化”文件完成URB分配。

每個(gè)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)或集線器均需要一個(gè)URB來(lái)處理傳輸中重復(fù)出現(xiàn)的中斷。此外，在枚舉和其它USB控制傳輸過(guò)程中，URB被分配并隨后釋放。一個(gè)較好的經(jīng)驗(yàn)是為系統(tǒng)支持的每個(gè)設(shè)備分配兩個(gè)URB，一個(gè)用于傳輸中重復(fù)出現(xiàn)的中斷，另一個(gè)則用于任何可能的控制傳輸，這些傳輸可能發(fā)生在設(shè)備枚舉或設(shè)備狀態(tài)檢查過(guò)程中。雖然每次只能處理一個(gè)控制傳輸，但框架可將其它傳輸排隊(duì)，系統(tǒng)支持的URB數(shù)量應(yīng)該等于所支持設(shè)備數(shù)量的兩倍。

接下來(lái)，需要為鍵盤(pán)和鼠標(biāo)創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)程序。由于這些設(shè)備的USB功能非常相近，所以兩個(gè)設(shè)備可以使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序可稱為hid_driver(用于人機(jī)界面設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序)。下一步是在驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)添加開(kāi)始、停止以及運(yùn)行函數(shù)，以及查找驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備種類(lèi)編碼，還需要將驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)的名稱添加進(jìn)文件drvrlist.h。包含集線器和hid driver的驅(qū)動(dòng)程序聲明如下：

#define FWX_DRIVER_LIST {&hid_driver, &hubclass_driver}

hid_driver啟動(dòng)函數(shù)將分配傳輸中重復(fù)出現(xiàn)的中斷，以獲得鍵盤(pán)和鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。該函數(shù)內(nèi)的編碼將獲取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳給編碼應(yīng)用層；停止函數(shù)將釋放重復(fù)出現(xiàn)的中斷傳輸，并通知應(yīng)用層設(shè)備已被去除；運(yùn)行函數(shù)用來(lái)檢查來(lái)自應(yīng)用代碼的輸入指令。

然后需要為枚舉通報(bào)函數(shù)添加一些代碼，枚舉通報(bào)函數(shù)是枚舉代碼使用的回調(diào)函數(shù)，用于報(bào)告設(shè)備枚舉狀態(tài)并處理可能的枚舉錯(cuò)誤。該代碼可將新的枚舉設(shè)備信息傳給應(yīng)用層。

在這里對(duì)集線器提供支持很容易，不需要添加任何代碼，也不需要編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)榭蚣芤寻?qū)動(dòng)程序。所要做的是更改fwxcfg.h中的語(yǔ)句，即將

#undef FWX_INCLUDE_HUB_SUPPORT

改為

#define FWX_INCLUDE_HUB_SUPPORT

并將文件hubclass.c添加進(jìn)項(xiàng)目形成文件，其余事務(wù)由框架處理。

本文小結(jié)

盡管與PC相比，USB主機(jī)系統(tǒng)在計(jì)算資源和經(jīng)驗(yàn)方面存在不足，但開(kāi)發(fā)人員仍然可以較為簡(jiǎn)單地將USB功能加入到嵌入式系統(tǒng)中?，F(xiàn)有多種用于實(shí)現(xiàn)這種功能的USB主機(jī)IC可供選擇，用戶可購(gòu)買(mǎi)或自行開(kāi)發(fā)USB主機(jī)堆棧和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

另外本文論述如何僅僅使用一個(gè)附加IC且不使用第三方軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)USB嵌入式主機(jī)設(shè)計(jì)，USB嵌入式主機(jī)框架可處理所有低級(jí)技術(shù)細(xì)節(jié)。EZ-Host USB主機(jī)能夠在不進(jìn)行額外編碼情況下支持HID設(shè)備和集線器，該系統(tǒng)目前最多可支持8個(gè)設(shè)備和兩個(gè)集線器，并可方便地實(shí)現(xiàn)更多設(shè)備和更多級(jí)支持。當(dāng)前代碼大小大約為22K字節(jié)，設(shè)計(jì)人員所需做的僅僅是為整個(gè)系統(tǒng)添加專用代碼。