USB嵌入式主機(jī)控制器設(shè)計(jì)

過(guò)去USB僅應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)其在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的巨大潛力尚未開(kāi)發(fā)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)頂盒及移動(dòng)電話。

　　什么是嵌入式系統(tǒng)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 CEVxWorks或由“自編代碼”構(gòu)成的更簡(jiǎn)單系統(tǒng)根據(jù)上述定義可以認(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)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　在基于PC的系統(tǒng)中三種主要部件需要USB操作它們是通常作為PCI子系統(tǒng)部分的主機(jī)控制器USB堆棧以及USB類驅(qū)動(dòng)器。

　　主機(jī)控制器是集成主板芯片組的部分USB堆棧則包含主板芯片以及UCHI通用主機(jī)控制器接口OHCI開(kāi)放主機(jī)控制器接口的驅(qū)動(dòng)程序以及USB驅(qū)動(dòng)程序(usbd.sys)實(shí)現(xiàn)基于PC的USB需要以上所有領(lǐng)域的專門技術(shù)。

　　在USB嵌入式系統(tǒng)中其主要組成部分與PC系統(tǒng)類似這些組成部分為嵌入式主機(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以寄存器為基礎(chǔ)此處組成部分設(shè)備的選擇將會(huì)影響如下兩個(gè)層面。

　　很多公司可提供RTOS最好選擇一個(gè)處理器和與之配合工作的RTOS然后在其上添加應(yīng)用代碼如果沒(méi)有真正的RTOS某些控制器帶有可構(gòu)造應(yīng)用的“框架”以下介紹這種框架的示例以及如何在其上構(gòu)造應(yīng)用。

　　在PC上實(shí)現(xiàn)USB時(shí)PC具有豐富的可用資源其中包括高達(dá)512MB字節(jié)的存儲(chǔ)器20-60GB的硬盤(pán)以及2GHz或速度更快的微處理器此外五年多來(lái)WindowsMAC OS以及Unix等操作系統(tǒng)一直支持USB世界上有數(shù)以百計(jì)或數(shù)以千計(jì)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。

　　而另一方面嵌入式系統(tǒng)通常只有不超過(guò)64K的存儲(chǔ)器以及運(yùn)行于12MHz - 33MHz范圍內(nèi)的處理器沒(méi)有硬盤(pán)由于USB對(duì)于嵌入式系統(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)。

　　賽普拉斯EZ-Host控制器

　　賽普拉斯EZ-Host器件擁有兩個(gè)“串行接口引擎”每個(gè)引擎包含兩個(gè)USB端口因此無(wú)需使用額外的硬件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)要求該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是支持網(wǎng)絡(luò)集線器鍵盤(pán)/集線器組合部件常常出現(xiàn)這樣的問(wèn)題是帶有集線器的鍵盤(pán)還是帶有鍵盤(pán)的集線器答案是帶有鍵盤(pán)的集線器因此要了解位于集線器后的鍵盤(pán)需要提供集線器支持幸好框架代碼包含對(duì)集線器的支持。

　　以下章節(jié)將介紹框架和某些框架操作示例以及如何將其與應(yīng)用代碼接口。

　　框架概述

　　EZ-Host框架包含所有實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能所必需的固件其中包含任務(wù)時(shí)序設(shè)備列舉帶寬分配以及功率管理。

　　另一方面應(yīng)用程序是固件控制專用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)作基于稱作“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)來(lái)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的數(shù)據(jù)字段端口編號(hào)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包含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。

　　在進(jìn)行USB事務(wù)處理時(shí)URB含有事務(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。

圖1所示為基本的USB控制傳輸該圖表為TD處理器處理USB傳輸?shù)氖纠?br>

　　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需要如下信息。

　　請(qǐng)求類型 - 表示USB請(qǐng)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者的位

　　請(qǐng)求 - 11種標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求之一這些請(qǐng)求包括

　　Clear_FeatureGet_ConfigurationGet_DescriptorGet
　　_InterfaceGet_StatusSet_AddressSet_ConfigurationSet
　　_DescriptorSet_FeatureSet_InterfaceSynch_Frame

　　值 - 特殊請(qǐng)求字段

　　索引 - 特殊請(qǐng)求字段

　　長(zhǎng)度 - 有關(guān)數(shù)據(jù)緩沖器的大小

　　一旦載入用于URB的設(shè)置信息便可將其它設(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型的字節(jié)和“回調(diào)”函數(shù)指示器使用回調(diào)函數(shù)可以在框架內(nèi)進(jìn)行某些并行操作可在硬件處理USB操作的同時(shí)執(zhí)行其它任務(wù)TD需要USB傳輸類型信息這樣框架可以安排正確的傳輸類型的時(shí)序同樣地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。

　　裝入所有的URB信息之后將URB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處理器將項(xiàng)目控制轉(zhuǎn)換為原始調(diào)用指定的“回調(diào)”函數(shù)轉(zhuǎn)換為 send_request( ) 函數(shù) 。

　　以下的圖3所示為調(diào)用帶回調(diào)函數(shù)的send_request( )在此例中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此次處理后執(zhí)行該函數(shù)這種情況下回調(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)家代碼相對(duì)應(yīng)的字節(jié)此后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)功能停止啟動(dòng)和運(yùn)行啟動(dòng)某設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)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)闹噩F(xiàn)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)換為 interrupt_in_complete( )函數(shù)通過(guò)檢查URB可以得知數(shù)據(jù)是來(lái)自鍵盤(pán)還是來(lái)自鼠標(biāo)這種回調(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)用層面以下是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕卣{(diào)函數(shù)示例。

　　當(dāng)某驅(qū)動(dòng)程序停止時(shí)其重現(xiàn)URB從TD列表中除去并釋放此外消息傳送至應(yīng)用層面除去相關(guān)的設(shè)備如果與停止驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)的設(shè)備是集線器則與該集線器相連的所有設(shè)備也被移除并且其驅(qū)動(dòng)程序停止當(dāng)然如果這些移除的設(shè)備中有集線器則與該集線器相連的設(shè)備將以同樣方式移除。