USB主機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

摘要：討論在SoPC(System on a Programmable Chip)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)USB主機(jī)接口設(shè)備的一般方法，著重闡述主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。利用Xilinx公司的EDK軟件在ML405開(kāi)發(fā)板上搭建一個(gè)基于PowerPC的片上系統(tǒng)，設(shè)計(jì)EZ-Host的USB主機(jī)控制器的Linux驅(qū)動(dòng)程序，使系統(tǒng)具有USB主機(jī)功能，能夠和各種USB設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)SoPC系統(tǒng)上基于Linux的USB接口的擴(kuò)展，對(duì)于開(kāi)發(fā)其他USB主控制器驅(qū)動(dòng)具有一定借鑒意義。
關(guān)鍵詞：USB；USB主機(jī)控制器；EZ-Host；Linux；SoPC

    USB具有簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)的連接方式、支持熱插拔等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此已成為流行的接口技術(shù)。USB是典型的主／從結(jié)構(gòu)的總線標(biāo)準(zhǔn)，即只有USB主機(jī)才能與USB設(shè)備連接。USB總線與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口部分是主機(jī)控制器，它可以被看作一個(gè)硬件、固件和軟件的綜合體。主機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)主機(jī)與設(shè)備之間的電氣和協(xié)議層匹配，主要包括：串并轉(zhuǎn)換、幀起始、數(shù)據(jù)處理、協(xié)議使用、傳輸錯(cuò)誤處理、遠(yuǎn)程喚醒、根Hub、主機(jī)系統(tǒng)接口等功能。USB設(shè)備之間通過(guò)USB Hub連接，主機(jī)控制器和USB設(shè)備之間一般通過(guò)根Hub相連。通常主機(jī)控制器提供與根Hub相關(guān)的狀態(tài)查詢和控制單元。當(dāng)有設(shè)備插入時(shí)，在枚舉過(guò)程中，主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)通過(guò)查詢和控制單元應(yīng)答設(shè)備偽裝成一個(gè)Hub，所以通常稱此Hub為虛擬根Hub。
    這里利用EDK軟件搭建一個(gè)基于PowerPC的片上系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SoPC系統(tǒng)上基于Linux的USB接口的擴(kuò)展，使系統(tǒng)具有USB主機(jī)功能，能夠和各種USB設(shè)備進(jìn)行通信。

1 開(kāi)發(fā)環(huán)境
    目前Linux 2．6內(nèi)核中的USB支持3種主控制器接口：通用主控制器接口(UHCI)、開(kāi)放控制器接口(OHCI)及增強(qiáng)主機(jī)控制接口(EHCI)。在嵌入式系統(tǒng)中，如果處理器集成有USB主機(jī)控制器，則可直接引出USB主控端口；而未集成USB主機(jī)控制器的處理器則需使用USB主控器件，從總線上擴(kuò)展USB主機(jī)接口。
    這里所采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Xilinx公司的ML405開(kāi)發(fā)板。開(kāi)發(fā)板上核心FPGA采用Xilinx的XC4VFX20-FF672器件，其內(nèi)置1個(gè)PowerPC硬核，2個(gè)以太網(wǎng)MAC層控制器。開(kāi)發(fā)板上還帶有64 MB的DDR SDRAM，10／100／1000以太網(wǎng)端口、帶主機(jī)／設(shè)備端的USB接口器件(CY7C67300)等。
EZ-Host(CY7C67300)是Cypress半導(dǎo)體公司的全速低耗多端口主機(jī)／外設(shè)控制器，該器件可方便接至高性能CPU上完成USB主機(jī)控制器端的功能；擁有16位RISC指令處理器，可作為協(xié)處理器使用或單獨(dú)使用；同時(shí)支持USB的OTG協(xié)議，擁有2個(gè)可獨(dú)立配置并各帶有2個(gè)端口的USB串行接口引擎(SIE)；既可用作主機(jī)，又可用作外設(shè)，并支持多達(dá)4個(gè)主機(jī)端口。另外，該器件擁有一個(gè)可編程I／O接口模塊，可供各種接口編程使用，可編程實(shí)現(xiàn)HPI、HSS、SPI等接口模式。當(dāng)EZ-Host控制器作為USB主機(jī)控制器時(shí)，一般采用HPI主機(jī)端接口(Host Port Interface)接口模式。

2 硬件設(shè)計(jì)
    Xilinx公司提供一個(gè)IP核opb_epc外設(shè)控制器(external peripheral controller)，為OPB總線與外部同步或異步外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送提供一個(gè)通用接口，可方便實(shí)現(xiàn)處理器對(duì)于外設(shè)的控制。一個(gè)opb_epe最多可接4個(gè)外設(shè)，且每個(gè)外設(shè)可獨(dú)立配置成同步或異步模式，其時(shí)序參數(shù)(如建立時(shí)間、保持時(shí)間、訪問(wèn)時(shí)間周期等)都可由用戶設(shè)置。opb_epc通過(guò)OPB總線接收處理器的讀寫指令，在相應(yīng)外設(shè)接口產(chǎn)生相應(yīng)
的訪問(wèn)周期，從而實(shí)現(xiàn)處理器對(duì)外圍設(shè)備的控制。這里使用opb_epc模塊作為控制器，實(shí)現(xiàn)PowerPC與EZ-Host的主機(jī)控制器的接口通信，嵌入式硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖l所示。

    ML405板上的EZ-Host控制器工作在異步模式。因此opb_epc需配置為支持異步外設(shè)模式。這里使用PowerPC控制USB接口，因此EZ-Host工作于協(xié)處理器模式。并通過(guò)HPI接口與外設(shè)控制器opb_epc相連。

3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
3．1 USB主機(jī)端的軟件結(jié)構(gòu)
    Linux USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)協(xié)議棧由3部分組成：USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)、USB驅(qū)動(dòng)(USBD)和各種不同的USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。

    USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)(如插入主機(jī)的U盤、鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備驅(qū)動(dòng))是最終與應(yīng)用程序交互的軟件模塊，負(fù)責(zé)建立虛擬連接、配置，與設(shè)備進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)集成一個(gè)USB請(qǐng)求塊(URB)，然后通過(guò)USB驅(qū)動(dòng)(USBD)提供的編程接口將URB發(fā)送到USBD。USBD部分是整個(gè)USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心。
USBD完成以下工作：USB設(shè)備的枚舉和配置，根據(jù)需要裝載或卸載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，向上為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供編程接口，向下為主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)提供編程接口，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)程序的通信。
    處于最底層USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)是USB主機(jī)直接與硬件交互的軟件模塊。HCD作為底層硬件的驅(qū)動(dòng)程序，一方面控制和管理底層硬件，負(fù)責(zé)將USB事務(wù)發(fā)送給USB主機(jī)控制器，并最終將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到電纜上；另一方面為上層的USB系統(tǒng)軟件提供統(tǒng)一接口HCI(Host ControllerInterface)，將各種不同的HC映射到USB系統(tǒng)。HC一般都集成有Root Hub的功能，HCD也要實(shí)現(xiàn)Root Hub Port訪問(wèn)。
    USBD部分由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，一般不需要用戶修改。USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)，對(duì)于常用的設(shè)備Linux內(nèi)核中有較成熟的驅(qū)動(dòng)。針對(duì)特定的主機(jī)控制器硬件應(yīng)該實(shí)現(xiàn)HCD部分，以解決基本的通信問(wèn)題。故這里主要介紹EZ-Host主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)的設(shè)計(jì)。
3．2 EZ-Host主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)設(shè)計(jì)
    開(kāi)發(fā)過(guò)程主要針對(duì)EZ-Host主機(jī)控制器編寫USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序是嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)下USB協(xié)議棧和EZ-Host主機(jī)控制器的一個(gè)接口，其作用類似于Linux中由Intel制定的UHCI標(biāo)準(zhǔn)，其硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但軟件較為復(fù)雜。
    USB主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)(HCD)在USB子系統(tǒng)中的功能主要有：硬件初始化，為上層(USBD)提供調(diào)用接口，管理根Hub，完成數(shù)據(jù)傳輸以及中斷處理。根據(jù)主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)在整個(gè)USB子系統(tǒng)中的功能，可將EZ-Host HCD分為HCD接口、HCD初始化、數(shù)據(jù)傳輸、中斷處理、讀寫操作、主機(jī)協(xié)議等模塊。HCD接口模塊表現(xiàn)為一套API函數(shù)，通過(guò)這一套API函數(shù)使HCD與USBD進(jìn)行通信。圖3為EZ-Host主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)。

    1)初始化。該初到始化涉及到復(fù)位EZ-Host控制器，并將其初始化到一個(gè)已知的狀態(tài)；初始化必要的USB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并為其分配空間；注冊(cè)USB host driver和USB host bus interface到USB host core；注冊(cè)USB host core的中斷服務(wù)程序；為每一個(gè)主端口建立一個(gè)虛擬根Hub，并且注冊(cè)根hub到USBhost eore。2)中斷處理。EZ-Host主控制器中斷采用電平觸發(fā)，當(dāng)中斷服務(wù)程序注冊(cè)到USB子系統(tǒng)后，EZ-Host主控制器開(kāi)始處理中斷。3)傳輸數(shù)據(jù)。傳輸處理程序在初始化的過(guò)程中注冊(cè)到USB主端子系統(tǒng)，它由USB host core喚醒并配置外圍設(shè)備，發(fā)送塊數(shù)據(jù)，或確認(rèn)塊數(shù)據(jù)的接收。4)接收數(shù)據(jù)。接收處理程序處理數(shù)據(jù)包的接收，它由中斷處理程序喚醒。數(shù)據(jù)接收處理程序詢問(wèn)EZ-Host主控制器是否有接收錯(cuò)誤，如果沒(méi)有錯(cuò)誤，則接收處理程序從EZ-Host主控制器的緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后接收程序?qū)?shù)據(jù)傳送到USB host eore，等待進(jìn)一步處理。5)主機(jī)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。HCD從Linux USB協(xié)議棧接收并解析USB請(qǐng)求，然后建立基于該請(qǐng)求的USB交互(transactions)，該交互被合理調(diào)度安排并發(fā)送到USB總線上。
3．3 HCD的關(guān)鍵接口設(shè)計(jì)
    實(shí)際工作過(guò)程中，應(yīng)用程序通過(guò)文件系統(tǒng)接口訪問(wèn)相應(yīng)的USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序和USBD；USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序則通過(guò)USBD提供的相關(guān)接口(USBDI)將數(shù)據(jù)請(qǐng)求包傳遞給USBD；USBD通過(guò)HCD提供的接口(HCI)進(jìn)一步將數(shù)據(jù)包傳遞給HCD；HCD最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到USB總線。
    主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)中，最重要的接口是主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)HCD與USBD之間的接口。在Linux內(nèi)核中，用usb_hcd結(jié)構(gòu)體表示USBD接口，用來(lái)描述主機(jī)控制器(HC)的基本信息、硬件資源、狀態(tài)描述和用于操作主機(jī)控制器的hc_driver等。其中usb_hcd中的hc_driver成員非常重要，它包括具體用于操作主機(jī)控制器的鉤子函數(shù)。在Linux內(nèi)核中，使用如下函數(shù)創(chuàng)建HCD：
    struct USB_hcd*USB_create_hcd(const stroct hc_driver*driver，struct device*dev，char*bus_name)；
    struct hc_driver可看作USBD模塊定義的需要底層主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的接口，通過(guò)實(shí)現(xiàn)這些接口，USBD可將更上層軟件的請(qǐng)求傳遞給HCD以及HC，HC及HCD完成后，也會(huì)通過(guò)這些接口通知USBD。
    這里在EZ-Host主控制器驅(qū)動(dòng)中定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體structusb hcd c67x00_hcd，用于描述EZ-Host的基本信息、硬件資源、狀態(tài)描述，定義struct hc_driver c67x00_hc_driver來(lái)描述用于操作主機(jī)控制器的鉤子函數(shù)，其結(jié)構(gòu)體如圖4所示。

    c67x00_hub_start()啟動(dòng)HCD主控制器，c67x00_hub_irq()實(shí)現(xiàn)其中斷控制處理，c67x00_hub_status_data()，c67x00_hub_control()實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬根集線器的控制，c67x00_hub_enqueue()，c67x00_hub_dequeue()實(shí)現(xiàn)對(duì)USB請(qǐng)求(URB)進(jìn)行排隊(duì)，對(duì)URB進(jìn)行調(diào)度。根據(jù)hcd和endp-oint的信息，安排URB的schedule到e67x00，該URB的傳輸完成后，會(huì)調(diào)用urb->complete()通知USBD。

4 測(cè)試結(jié)果
    在ML405開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了USB主機(jī)控制器的開(kāi)發(fā)，使系統(tǒng)具有USB主機(jī)功能。在開(kāi)發(fā)板上分別插入U(xiǎn)SB鍵盤、USB鼠標(biāo)、U盤進(jìn)行測(cè)試，內(nèi)核識(shí)別信息輸出如圖5所示。

    從圖5中可看出，系統(tǒng)可以方便與大容量存儲(chǔ)類(MassStorage類)USB接口、人機(jī)接口類HID(Human Interfaee Device)USB接口進(jìn)行通信，進(jìn)行正常讀寫操作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的SB接口擴(kuò)展。

5 結(jié)束語(yǔ)
    詳細(xì)介紹在SoPC平臺(tái)上進(jìn)行USB主機(jī)控制器的硬、軟件設(shè)計(jì)。針對(duì)EZ-Host器件，詳細(xì)介紹其USB主控制器的Linux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)程及主要的接口設(shè)計(jì)，對(duì)于USB的主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)有一定參考價(jià)值。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要集中在主機(jī)控制器器件的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的環(huán)節(jié)上，但Linux作為開(kāi)源系統(tǒng)，在開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)有著其他嵌入式系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，大量的開(kāi)放源碼無(wú)疑可以大大加快開(kāi)發(fā)的進(jìn)程并使得其應(yīng)用更加的廣泛。因此，USB作為一種新型的高速外設(shè)總線，在嵌入式Linux領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。