1 引言在現(xiàn)代社會(huì),嵌入式系統(tǒng)逐漸深入到人們生活的方方面面,各類(lèi)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之間往往通過(guò)某種接口進(jìn)行交互或數(shù)據(jù)傳遞。而現(xiàn)在,USB已經(jīng)成為嵌入式數(shù)據(jù)交換的最主要的方式,可是各種USB接口的設(shè)備都是基于PC機(jī)系統(tǒng)的,所以,基于嵌入式系統(tǒng)的USB接口的研究具有實(shí)用的價(jià)值和意義,特別是起Master作用的HOST端接口的研究。解決這一問(wèn)題的根本辦法就是在需要使用USB設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中擴(kuò)展USB Host功能模塊,使之具有與USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ΑSB協(xié)議按功能分為2部分,USB HOST（USB主協(xié)議）和USB SLAVE（USB從協(xié)議）分別應(yīng)用于USB HOST CONTROLLER（USB主控制器）和USB DEVICE（USB設(shè)備）。一般,USB HOST要比USB SLAVE復(fù)雜,對(duì)于廣大的非PC用戶來(lái)說(shuō),尤其是嵌入式系統(tǒng)用戶來(lái)說(shuō),由于USB協(xié)議的不對(duì)稱(chēng)性,使得實(shí)現(xiàn)USB HOST比USB SLAVE要困難地多,Philips公司的ISP1161A1芯片很好地解決了這種問(wèn)題,他封裝了復(fù)雜的USB協(xié)議,使得在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)USB HOST和USB SLAVE變得簡(jiǎn)單方便。2 USB HOST技術(shù)簡(jiǎn)介USB的通信可以用圖1表示,圖1中,左半部分為USB主機(jī)端,可以看出,USB主機(jī)端由2部分構(gòu)成,即軟件體和硬件體,實(shí)際上是3個(gè)軟件組件組成了USB HOST解決方案,即USB客戶驅(qū)動(dòng)程序,USB驅(qū)動(dòng)程序和USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序,應(yīng)用程序的事務(wù)處理是由USB客戶驅(qū)動(dòng)程序（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）啟動(dòng)的,客戶驅(qū)動(dòng)程序把USB設(shè)備當(dāng)做一個(gè)可以被訪問(wèn)的端點(diǎn)集合,他可以被控制并與他的功能單元進(jìn)行通信,USB系統(tǒng)軟件包括USB驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序,USB驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)配置管理、用戶管理、總線管理和數(shù)據(jù)傳輸,USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)調(diào)度管理,隊(duì)列管理和控制器管理,以及數(shù)據(jù)的位編碼、封包、循環(huán)校驗(yàn)、發(fā)送、錯(cuò)誤處理等。如圖2所示,USB HOST的軟件結(jié)構(gòu)分為3大部分,即USB總線驅(qū)動(dòng)（USBD）,USB HOST控制器驅(qū)動(dòng)（HCD）、客戶軟件、其中客戶軟件處理和設(shè)備有關(guān)的信息,USBD處理和硬件無(wú)關(guān)的協(xié)議,而HCD則處理與硬件相關(guān)的協(xié)議,USBD和HCD都包含了一系列管理各種狀態(tài)的寄存器。3 SP1161體系結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議,必須要通過(guò)一系列寄存器來(lái)完成,這些寄存器要能實(shí)現(xiàn)USB軟件結(jié)構(gòu)中的USBD和HCD,即要完成USB協(xié)議狀態(tài)的控制,還要有一定的緩沖區(qū)來(lái)存放進(jìn)出的數(shù)據(jù),ISP1161專(zhuān)門(mén)針對(duì)USB協(xié)議設(shè)計(jì)的特殊硬件結(jié)構(gòu)可方便地實(shí)現(xiàn)USB HOST和USB SLAVE。ISP1161的硬件結(jié)構(gòu)主要是3類(lèi)不同的寄存器,用戶通過(guò)操作這3種寄存器來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)USB傳輸?shù)哪康?這3類(lèi)寄存器是：（1）HC control and status registers：USB主控制器控制和狀態(tài)寄存器,主要用于傳輸過(guò)程中控制命令的存放和狀態(tài)的讀取,可讀可寫(xiě)的寄存器有2個(gè)地址,只讀或只寫(xiě)的寄存器只有1個(gè)地址。（2）Isochronous Transfer List （ITL）：同步傳輸列表緩沖區(qū)。（3）Acknowledged Transfer List（ATL）：接收傳輸列表緩沖區(qū)。根據(jù)USB協(xié)議,數(shù)據(jù)傳輸分為4種模式,Control（控制）,Bulk（整批）,Interrupt（中斷）和Isochronous（同步）。其中ITL是為了實(shí)現(xiàn)同步傳輸,ATL則實(shí)現(xiàn)其他3種模式的傳輸。4 ISP1161x主控制器編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)ISP1161x主控制驅(qū)動(dòng)程序主要涉及以下2個(gè)重要內(nèi)容,下面詳細(xì)介紹：4.1 讀/寫(xiě)ATL和ITL緩沖區(qū)ATL和ITL緩沖區(qū)的位于ISP1161x內(nèi)部的FIFO緩沖RAM之中,每個(gè)緩沖區(qū)包含許多PTD（Philips Transfer Descriptor）,而PTD用于主控制器硬件發(fā)送或接收USB包從USB設(shè)備,作為調(diào)度USB傳輸?shù)囊徊糠?HCD在系統(tǒng)內(nèi)存中購(gòu)建PTD。然后HCD將購(gòu)建好的PTD移入ATL或者ITL緩沖區(qū),主控制器硬件允許軟件去訪問(wèn)每一個(gè)緩沖區(qū),就像他們是分離的硬件緩沖區(qū),HCD訪問(wèn)ATL緩沖區(qū)通過(guò)硬件寄存器HcTransferCounter（22H/A2H）和HcATLBufferPort（41H/C1H）,而ITL緩沖區(qū)則由HcTransferCounter和HcITLBufferPort（40H/C0H）訪問(wèn)。下面一段示例代碼取自于本項(xiàng)目,其功能是向ATL緩沖區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù),hci→hp→atl_len表示,ATL則在內(nèi)存中還沒(méi)有發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,hci→hp→tl表示緩沖區(qū)的地址。4.2硬件初始化過(guò)程當(dāng)ISP1161x上電時(shí),主控驅(qū)動(dòng)程序（HCD）必須經(jīng)過(guò)下列的順序?qū)τ布M(jìn)行初始化,以便主控制器進(jìn)入可操作狀態(tài)。檢測(cè)主控制器,軟件復(fù)位主控制器,配置HcHardwareConfiguration寄存器,配置中斷;配置HcControl寄存器,配置HcFmInterval寄存器,配置根集線寄存器,設(shè)置ITL和ATL緩沖區(qū)長(zhǎng)度,安裝INT1中斷服務(wù)程序。4.2.1 檢測(cè)主控制器檢測(cè)的工作由HCD完成的,HCD通過(guò)向寄存器HcScratch寫(xiě)一個(gè)值,接著從該寄存器讀出,與剛才寫(xiě)入的值進(jìn)行比較。如果寫(xiě)入的和讀出的值相等,HCD得出結(jié)論：主控制器存在,對(duì)HcCHipID寄存器的讀也被用來(lái)作為額外的條件來(lái)檢測(cè)該寄存器。4.2.2 主控制器的軟件復(fù)位軟件復(fù)位主控制器通常包括2個(gè)步驟：復(fù)位主控制器;設(shè)置主控制器為RESET狀態(tài)。HCD通過(guò)設(shè)置在HcCommandStatus寄存器的HCR位來(lái)復(fù)位主控制器：一旦主控制器復(fù)位了,HCD必須通過(guò)設(shè)置HcControl寄存器的HCFS字段為00B,以便使主控制器為RESET狀態(tài)。4.2.3 配置HcHardwareConfiguration寄存器WRITE_REG16（hci,InterruptPinEnable|InterruptPin Trigger InterruptOutputPolarity |DataBusWidth16|AnalogOCEnable,HcHardwareConfiguration）;上述這段代碼表示將主控制器初始化為INT1允許,中斷是邊沿觸發(fā),中斷的輸出極性為高電平,數(shù)據(jù)線的寬度為16b,使用片上過(guò)流檢測(cè),模擬輸入。4.2.4 配置中斷主控制器ISP1161x有2組中斷源,第一組包含USB事件產(chǎn)生的中斷,比如Start of Frame,調(diào)度溢出和根集線器狀態(tài)改變,這些中斷的發(fā)生由HcInterruptEnable和HcInterruptDisable寄存器聯(lián)合控制,而每個(gè)中斷的狀態(tài)由HcInterruptStatus寄存器標(biāo)識(shí)。第二組是主控制器中狀態(tài)變化所引起的中斷,比如,主控制器延遲所產(chǎn)生的中斷,同樣,在第一組中斷中的任何組合是第二組中斷的中斷源。4.2.5 配置HcFmInterval寄存器HcFmInterval寄存器的14位值[FrameInteral,FI]用于表示一幀之內(nèi)所占用的比特時(shí)間（在2個(gè)連續(xù)的SOFs,15位的值[FSLargestDataPacket,PSMPS）用于表示在沒(méi)有引發(fā)調(diào)度溢出下可發(fā)送或接收全速最大包大小,FI,PSMPS的推薦值為0x2EDF和0x2778,所以將調(diào)用下列語(yǔ)句對(duì)該寄存器進(jìn)行初始化：WRITE_REG32（hci,0x2EDF|（0x2778<<16）,HcFmInterval）;4.2.6 配置Root Hub（根集線器）寄存器隨著初始化的深入,下面的專(zhuān)門(mén)針對(duì)根集線器3個(gè)寄存器也必須初始化：HcRhDescriptorA,HcRhDescriptorB和HcRhStatus,前2個(gè)寄存器是根據(jù)電路板的制作自動(dòng)由ISP1161x配置的,這2個(gè)寄存器均用來(lái)描述根集線器的特性。HcRhStatus被劃分為2個(gè)部分,低字部分表示集線器狀態(tài),而高字部分表示集線器狀態(tài)的改變,還有保留部分必須被初始化為邏輯0。4.2.7 設(shè)置ITL和ATL緩沖區(qū)的長(zhǎng)度主控制器ISP1161x內(nèi)部的FIFO緩沖區(qū)有4kb/s,而這4k將被ATL和ITL劃分為2部分,分由HcATLBufferLength和HcITLBufferLength寄存器表示,ITL緩沖區(qū)又進(jìn)一步被分為2個(gè)相同的ITO0和ITD01緩沖區(qū),ATL緩沖區(qū)必須存在,因?yàn)锳TL緩沖區(qū)用于控制,中斷和大批量傳輸,而ITL的存在與否是可選的。4.2.8 設(shè)置INT1中斷的服務(wù)程序如果在主控制器中發(fā)生一個(gè)或多個(gè)中斷,ISP1161x的INT1引腳將會(huì)通知微處理器,在本項(xiàng)目中,INT1的引腳直接接在ARM的INT0引腳上,驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)Linux提供的函數(shù)request_irq向操作系統(tǒng)申請(qǐng)中斷號(hào),并在此函數(shù)中向操作系統(tǒng)提供中斷處理函數(shù)。request_irq（irq,hc_interrupt,0,"ISP116x",hci）irq為中斷號(hào);hc_interrupt為中斷處理函數(shù),0為中斷標(biāo)記,"ISP116x"表示中斷設(shè)備名稱(chēng);hci在此表示中斷設(shè)備號(hào)。5 在μClinux中編譯USB主控驅(qū)動(dòng)接下來(lái)就如何將驅(qū)動(dòng)文件編譯到嵌入式操作系統(tǒng)做一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。（1）將上述文件拷貝到drivers/USB/（2）編輯Drivers/USB/Makefile文件,添加以下內(nèi)容：obj-$（CONFIG_USB_ISP1161）+=hc_isp1161.o（3）編輯driver/USB/config.in文件,添加如下內(nèi)容：Dep_tristat iisp1161（Philips）support iCONFIG_USB_ISP1161 $ CONFIG_USB（4）編譯μClinux內(nèi)編譯成功后把生成的映象文件用JTAG燒寫(xiě)器燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)板的ROM中,啟動(dòng)后進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了對(duì)ISP1161A1的控制。6 結(jié)語(yǔ)ISP1161A1使得在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)USB HOST變得十分簡(jiǎn)單方便,便于嵌入式系統(tǒng)中USB的普及。(mbbeetchina)