嵌入式系統(tǒng)中的USB控制器與框架結(jié)構(gòu)

過去USB僅應用于個人計算機，而在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的巨大潛力還沒有開發(fā)出來，USB在嵌入式系統(tǒng)中的應用包括KVM開關(guān)、數(shù)碼相機、PDA、打印機、機頂盒以及移動電話等。本文將介紹在嵌入式系統(tǒng)中應用USB時其主機控制器的設計。

嵌入式系統(tǒng)被定義為硬件和固件(獨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)成的更簡單系統(tǒng)。根據(jù)這樣的定義，可以認為任何帶有處理器的電子裝置均可以作為USB嵌入式主機。

嵌入式系統(tǒng)設計挑戰(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)的主機控制器、USB堆棧以及USB類驅(qū)動器。

主機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控制器接口(UCHI)和開放主機控制器接口(OHCI)驅(qū)動程序以及USB驅(qū)動程序(usbd.sys)，在PC上實現(xiàn)USB需要上述領(lǐng)域的專門技術(shù)。

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

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

在PC上實現(xiàn)USB具有非常豐富的可用資源，包括高達512MB的存儲器、20-60GB的硬盤以及2GHz或更快的微處理器。此外，多年來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的工程師在設計基于PC的USB應用程序和設備驅(qū)動程序。而對嵌入式系統(tǒng)來說，通常只有不超過6?K的存儲器，以及運行于12MHz～33MHz的處理器，且沒有硬盤。由于USB對嵌入式系統(tǒng)相對較新，因此可能只有為數(shù)不多的工程師擁有這方面的經(jīng)驗。

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“串行接口引擎”，每個引擎包含兩個USB端口，因此無需使用額外硬件EZ-Host便可控制四個USB設備。

EZ-Host器件具有固件結(jié)構(gòu)，可管理大多數(shù)USB主機的詳細請求。該結(jié)構(gòu)另一個特點是支持網(wǎng)絡集線器。鍵盤/集線器組合在一起常常帶來這樣的問題，即它究竟是帶有集線器的鍵盤還是帶有鍵盤的集線器？答案應該是帶有鍵盤的集線器。因此要了解集線器后面的鍵盤，還需要提供集線器支持。幸好，這里的框架代碼包含了對集線器的支持。

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

框架的核心是TD處理器。TD處理器的運行基于一種稱為“任務描述器(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)”進行通信。需要注意的是每個SIE控制兩個端口，而且每個SIE具有一個TD處理器。EZ-Host框架使用了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其操作，這些結(jié)構(gòu)包括TD和USB請求模塊(URB)。

任務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)和端口編號的數(shù)據(jù)字段、終點數(shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器長度、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設備緩沖器、安裝軟件包以及USB設備結(jié)構(gòu)指示器。

進行USB事務處理時，URB帶有事務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，TD處理器處理TD列表，安排傳輸時序，并將設定好的TD傳送給EZ-Host硬件進行處理。

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)將分配一個傳遞給TD處理器的URB結(jié)構(gòu)。URB應該包含有關(guān)設置狀態(tài)的信息，并且借助參數(shù)傳遞給send_request()。URB需要的信息包括：

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

* 請求：11種標準USB請求中的一種，這些請求包括：Clear_Feature、Get_Configuration、Get_Descriptor、Get_Interface、Get_Status、Set_Address、Set_Configuration、Set_Descriptor、Set_Feature、Set_Interface、Synch_Frame。
* 值：特殊請求字段。

* 索引：特殊請求字段。

* 長度：相關(guān)數(shù)據(jù)緩沖器的大小

載入用于URB的設置信息之后，便可將其它設備信息裝入URB，如地址、速度、終點數(shù)以及傳輸方向，還有表示傳輸類型的字節(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)進行某些并行操作，也可在硬件處理USB操作的同時執(zhí)行其它任務。TD需要USB傳輸類型信息，這樣框架就可以安排正確的傳輸類型時序。此外，與批量或中斷傳輸相反，框架一次只允許進行一個控制傳輸操作。

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)牡图壴敿氋Y料。TD完成任務后，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的國家代碼，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，并存取與國家代碼對應的字節(jié)，然后URB被釋放。

EZ-Host框架值得注意的最后一個特點是設備驅(qū)動程序的使用。在執(zhí)行過程中，設備驅(qū)動程序?qū)?zhí)行三個功能，即停止、啟動和運行。啟動某設備驅(qū)動程序便是運行它的run()函數(shù)，該函數(shù)對某些數(shù)值進行初始化，并分配一個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹貜统霈F(xiàn)的URB。對于鼠標或鍵盤，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)，通過檢查URB可得知數(shù)據(jù)是來自鍵盤還是來自鼠標，該回調(diào)函數(shù)負責將鍵盤或鼠標數(shù)據(jù)發(fā)送至應用層(圖3)。

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

在驅(qū)動程序運行期間，系統(tǒng)可執(zhí)行各種任務。對于集線器設備驅(qū)動程序，要檢查集線器的端口，以了解是否有設備插入和去除。這里鍵盤和鼠標驅(qū)動程序運行函數(shù)不起任何作用。

框架數(shù)據(jù)流

框架代碼執(zhí)行過程是這樣的：上電復位、微處理器對所有寄存器和計數(shù)器以及設備結(jié)構(gòu)進行初始化，然后進入如下的循環(huán)：

1.檢查主機USB端口是否存在狀態(tài)改變(設備插入或去除)。

2.檢查TD處理器，并獲得兩個SIE上運行的所有TD狀態(tài)信息。

3.查看運行設備驅(qū)動程序列表并執(zhí)行每個程序的運行函數(shù)。

檢查主機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，可通過端口變化中斷處理程序設定變量。如果端口發(fā)生改變，將執(zhí)行枚舉代碼進行處理。

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

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

通過中斷傳輸還可以檢查來自相連鍵盤和鼠標設備的新數(shù)據(jù)，這些傳輸每10毫秒種發(fā)生一次，由TD處理器安排時序。任務完成后，TD處理器將傳輸控制轉(zhuǎn)給回調(diào)函數(shù)，這時可提取鍵盤和鼠標數(shù)據(jù)，并送至應用層。

構(gòu)建應用

現(xiàn)在介紹如何構(gòu)建一個簡單的控制鍵盤和鼠標的嵌入式USB設計，該方案使用基于處理器的USB主機控制器，處理器的代碼包含框架和應用固件。首先要做的是確定希望支持設備的數(shù)量和類型，確定設備數(shù)量后，可據(jù)此分配URB和驅(qū)動程序空間，通過修改名為fwxcfg.h的“個性化”文件完成URB分配。

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

接下來，需要為鍵盤和鼠標創(chuàng)建驅(qū)動程序。由于這些設備的USB功能非常相近，所以兩個設備可以使用一個驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序可稱為hid_driver(用于人機界面設備的驅(qū)動程序)。下一步是在驅(qū)動程序內(nèi)添加開始、停止以及運行函數(shù)，以及查找驅(qū)動程序的設備種類編碼，還需要將驅(qū)動程序函數(shù)的名稱添加進文件drvrlist.h。包含集線器和hid driver的驅(qū)動程序聲明如下：

#define FWX_DRIVER_LIST {&hid_driver, &hubclass_driver}

hid_driver啟動函數(shù)將分配傳輸中重復出現(xiàn)的中斷，以獲得鍵盤和鼠標數(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)傳給編碼應用層；停止函數(shù)將釋放重復出現(xiàn)的中斷傳輸，并通知應用層設備已被去除；運行函數(shù)用來檢查來自應用代碼的輸入指令。

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

在這里對集線器提供支持很容易，不需要添加任何代碼，也不需要編寫驅(qū)動程序，因為框架已包含驅(qū)動程序。所要做的是更改fwxcfg.h中的語句，即將

#undef FWX_INCLUDE_HUB_SUPPORT

改為

#define FWX_INCLUDE_HUB_SUPPORT

并將文件hubclass.c添加進項目形成文件，其余事務由框架處理。

本文小結(jié)

盡管與PC相比，USB主機系統(tǒng)在計算資源和經(jīng)驗方面存在不足，但開發(fā)人員仍然可以較為簡單地將USB功能加入到嵌入式系統(tǒng)中?，F(xiàn)有多種用于實現(xiàn)這種功能的USB主機IC可供選擇，用戶可購買或自行開發(fā)USB主機堆棧和實時操作系統(tǒng)。

另外本文論述如何僅僅使用一個附加IC且不使用第三方軟件來實現(xiàn)USB嵌入式主機設計，USB嵌入式主機框架可處理所有低級技術(shù)細節(jié)。EZ-Host USB主機能夠在不進行額外編碼情況下支持HID設備和集線器，該系統(tǒng)目前最多可支持8個設備和兩個集線器，并可方便地實現(xiàn)更多設備和更多級支持。當前代碼大小大約為22K字節(jié)，設計人員所需做的僅僅是為整個系統(tǒng)添加專用代碼。