基于μCLinux的USB驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

摘 要：μClinux是一種面向嵌入式微處理器的微型操作系統(tǒng)，已經(jīng)在嵌入式操作系統(tǒng)中占有重要地位。在此介紹FTDI公司的USB芯片F(xiàn)T245BL的主要性能、工作原理，并將其應(yīng)用在Blackfin ADSP-BF533微處理器的嵌入式開發(fā)平臺上，說明在μClinux下編寫與加載USB接口芯片F(xiàn)T245BL的驅(qū)動程序方法，實現(xiàn)了DSP主板的 USB端口通信。
關(guān)鍵詞：μClinux；嵌入式系統(tǒng)；FT245BL；設(shè)備驅(qū)動程序


0 引 言
    μClinux是針對嵌入式控制領(lǐng)域的操作系統(tǒng)，它繼承了Linux內(nèi)核的絕大部分特性，專為沒有內(nèi)存管理單元MMU的嵌入式微處理器而設(shè)計。它內(nèi)核小，效率高，源代碼開放，包含了完整的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ADSP-BF533是ADI公司Blackfin系列的高速數(shù)字信號處理器芯片。 Blackfin系列是ADI與Intel聯(lián)合開發(fā)的體現(xiàn)高性能體系結(jié)構(gòu)的首款第四代DSP產(chǎn)品，16位定點DSP內(nèi)核，新型指令結(jié)構(gòu)，支持C／C++編程，主頻達600 MHz，內(nèi)核電壓1．2 V，具有動態(tài)電源管理能力，功耗低，擴展能力強，被廣泛應(yīng)用于各種信號處理。
    這里使用基于Blackfin ADSP-BF533微處理器的μClinux開發(fā)板，在對外通信時需用到USB接口。結(jié)合實際情況，選擇FTDI公司推出的USB芯片F(xiàn)T245BL。主要介紹USB芯片F(xiàn)T245BL的工作原理和電路設(shè)計，以及如何在μClinux操作系統(tǒng)下編寫和添加其驅(qū)動程序的方法。


1 FT245BL工作原理與電路設(shè)計
    傳統(tǒng)USB芯片要求設(shè)計人員對USB的標準、Firmware編程及驅(qū)動程序的開發(fā)等有較深入的理解，工作量大，開發(fā)周期長，需要經(jīng)驗豐富的設(shè)計者才能完成；而FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd．)公司推出的USB芯片F(xiàn)T245BL集成了微控制器，并且把實現(xiàn)USB通信協(xié)議的固件程序直接固化在芯片中，同時提供了PC端的沒備驅(qū)動程序，用戶只需進行必要的硬件設(shè)計和簡單的軟件編程，所以大大降低了開發(fā)難度。
1．1 功能結(jié)構(gòu)
    FT245BL是FTDI公司的一款并行FIFO雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB芯片，對于微處理器它提供8位并行數(shù)據(jù)總線D0～D7，對于外部主機是標準串行總線或虛擬接口，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達1 MB／s，提供USBl．1／2．O規(guī)范的全速物理接口，支持UHCI／OHCI／EHCI主控制器。
    FT245BL芯片的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示，芯片主要由3．3 V穩(wěn)壓器、USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和先進先出(FIFO)控制器、6 MHz振蕩器、8×倍頻器、USB鎖相環(huán)、復(fù)位器、E。PROM接口等構(gòu)成。其內(nèi)部設(shè)置了2個FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一個是128 B的接收緩沖區(qū)；一個是384 B的發(fā)送緩沖區(qū)。串行接口引擎用來完成USB數(shù)據(jù)的串／并雙向轉(zhuǎn)換；USB協(xié)議引擎用于管理來自USB設(shè)備控制端口的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)USB主機控制器需要的 USB底層協(xié)議。
1．2 工作原理
    DSP與FT245BL接口框圖如圖2所示。主板CPLD用AMS[0：3]和高5位地址線(A19～A15)進行譯碼；FT245BL的TXE和RXF 信號在查詢地址有效時，通過DSP讀取其狀態(tài)，判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)；TXE用于判斷發(fā)送FIFO是否滿，0為不滿，1為滿，當(dāng)TXE為0時，外部 DSP向發(fā)送FIFO緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，直到發(fā)送數(shù)據(jù)全部寫入；RXF用于判斷接收FIFO是否有數(shù)據(jù)，只要數(shù)據(jù)個數(shù)≥1，RXF就為低，通知DSP可以讀取數(shù)據(jù)。FT245BL的RD和WR信號在讀寫地址有效時，分別與DSP的ARE和AWE相連，DSP可以讀取接收數(shù)據(jù)和寫入發(fā)送數(shù)據(jù)。

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1．3 電路設(shè)計
    FT245BL芯片使用主板上的3．3 V和5 V電源供電，主板對外作為一個USB設(shè)備。USB總線的電源線連接在芯片的復(fù)位引腳RESET上，這樣保證了USB芯片平時處于復(fù)位狀態(tài)。

    當(dāng)USB總線連接到主機時，電源線變高，RESET變高，最終導(dǎo)致RSTOUT變高，由于USBDP引腳配置了一個1．5 kΩ的上拉電阻連到RSTOUT引腳，使得芯片以全速狀態(tài)連接到主機。FIFO控制器接口包括8位數(shù)據(jù)線D7～D0、讀RD、寫WR、發(fā)送使能TXE、接收完畢RXF的5個信號。由于FT245BL芯片沒有片選線，所以信號都是經(jīng)過主板CPLD內(nèi)部的譯碼電路處理后才連接的。DSP采用中斷機制讀取 FIFO的數(shù)據(jù)，所以將RXF連接DSP的可編程端口(PF3)，用以產(chǎn)生中斷。

2 FT245BL驅(qū)動程序的編寫
    這里以ADI公司的ADSP-BF533為例，介紹USB接口芯片F(xiàn)T245BL在μClinux下驅(qū)動程序的編寫。依據(jù)FT245BL芯片的結(jié)構(gòu)和接口設(shè)計，決定將其作為字符設(shè)備來開發(fā)它的驅(qū)動程序。所用開發(fā)平臺的硬件結(jié)構(gòu)如下：

   
2．1 確定設(shè)備的設(shè)備名稱和主設(shè)備號
    主設(shè)備號是內(nèi)核識別不同類型設(shè)備的惟一標識，內(nèi)核利用主設(shè)備號將設(shè)備與相應(yīng)的驅(qū)動程序?qū)?yīng)起來。開發(fā)新的驅(qū)動程序，必須找到一個還未被使用的主設(shè)備號，分配給自己的字符設(shè)備。主設(shè)備號的確定可以通過兩種方法：一是靜態(tài)定義；二是動態(tài)分配。該驅(qū)動采用的是靜態(tài)主設(shè)備號，在ft245b1．C文件中直接定義設(shè)置為254，#define ft245bl_major 254。
2．2 確定編寫需要的file-operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的功能函數(shù)
    該驅(qū)動文件ft245b1．C中定義的file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

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2．3 設(shè)備的注冊與注銷
    設(shè)備驅(qū)動在調(diào)用前必須首先向系統(tǒng)注冊，這時就執(zhí)行加載函數(shù)static int_init ft245bl_init(void)。該函數(shù)的核心語句是 register_chrdev(ft245bl_major，F(xiàn)T245BL_DEV，&ft245bl_fops)字符注冊函數(shù)。其中，ft245bl_major是設(shè)備驅(qū)動向系統(tǒng)申請的主設(shè)備號；FT245BL_DEV是USB設(shè)備的名稱；ft245bl_fops是之前定義為 file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各個功能函數(shù)的文件指針。該函數(shù)返回值為0，表示注冊成功；返回-INVAL，表示申請的主設(shè)備號非法；返回 -EBUSY，表示該設(shè)備號正在使用。設(shè)備注冊成功后，設(shè)備名會出現(xiàn)在系統(tǒng)的／proc／devices文件中。
    設(shè)備有注冊就有卸載，卸載字符設(shè)備需要調(diào)用函數(shù)unregister_chrdev(ft245bl_major，F(xiàn)T245BL_DEV)，參數(shù)有主設(shè)備號和設(shè)備名兩個，USB退出驅(qū)動，用staticvoid_exit ft245bl_exit(void)函數(shù)。
2．4 編寫相應(yīng)的功能函數(shù)
    對于每一個設(shè)備驅(qū)動程序來說，都有一些與此設(shè)備密切相關(guān)的功能函數(shù)，通常對于塊設(shè)備或者字符設(shè)備來說，都存在著諸如打開、關(guān)閉、讀、寫這一類的操作。當(dāng)進行系統(tǒng)調(diào)用時，將自動地使用驅(qū)動函數(shù)中特定的函數(shù)來實現(xiàn)具體的操作。打開函數(shù)open()主要完成以下操作，即檢查設(shè)備錯誤(諸如設(shè)備未就緒或相似的硬件問題)，如果是首次打開，則初始化設(shè)備；讀取次設(shè)備號；分配和填寫要放在file→private-data內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；增加使用計數(shù)。讀函數(shù) read()用來從外部設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)其為NULL指針時，將引起read()系統(tǒng)調(diào)用返回-EINVAL(“非法參數(shù)”)。函數(shù)返回一個非負值表示成功地讀取了多少字節(jié)。寫函數(shù)write()向外部設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，如果沒有這個函數(shù)，返回一個-EINVAL；如果返回值非負，就表示成功寫入的字節(jié)數(shù)。當(dāng)設(shè)備被關(guān)閉時調(diào)用release()這個操作，有時也稱為close()。它應(yīng)該完成以下操作：使用計數(shù)減1;釋放open分配在 file→rivate-data中的內(nèi)存；在最后一次關(guān)閉操作時關(guān)閉設(shè)備。下面是FT245BL驅(qū)動程序讀函數(shù)read()的實現(xiàn)：


    讀取函數(shù)ft245bl_read通過判斷USB芯片RXF管腳的狀態(tài)來處理接收到的數(shù)據(jù)，如果RXF為0，表示接收緩沖區(qū)(RX FIFO)中至少有1個數(shù)據(jù)，處理器讀取一個數(shù)據(jù)后重新回到判斷；如果RXF為1，表示芯片沒有接收到數(shù)據(jù)，這時程序啟動中斷等待事件函數(shù) wait_event_interruptible，內(nèi)核從USB設(shè)備驅(qū)動中釋放出來，運行其他程序，直到有新的數(shù)據(jù)到來時，內(nèi)核首先執(zhí)行中斷處理函數(shù) ft245bl_rx_handler，將中斷標志位irqflag置1，喚醒等待隊列ft245bl_waitqueue，然后再回到讀取函數(shù)中繼續(xù)運行。
2．5 中斷處理
    設(shè)備驅(qū)動程序通過調(diào)用中斷申請函數(shù)申請中斷，其格式為：


    函數(shù)調(diào)用成功返回0值，返回-INVAL表示中斷號超出范圍或者handler=NULL；返回-BUSY表示中斷已經(jīng)被占用且不能共享。其中，handler是中斷處理子程序指針，中斷產(chǎn)生時自動調(diào)用該函數(shù)；參數(shù)irq為中斷號；pt_regs為中斷發(fā)生之前寄存器的映像，很少使用；irqflags控制中斷行為。irqflags=SA_INTER-RUPT表示它在運行時將禁止所有的中斷；irqflags=SA_SHIRQ 表示共享此中斷處理程序；devname為設(shè)備名稱；dev_id用于支持中斷的共享，它將作為第2個參數(shù)傳遞給中斷處理函數(shù)，可以利用它來傳遞一些必要的信息。該中斷處理程序如下：

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3 實現(xiàn)驅(qū)動程序的加載
    驅(qū)動程序可以按照兩種方式編譯：一種是靜態(tài)編譯進內(nèi)核；另一種是編譯成模塊以供動態(tài)加載。該設(shè)備驅(qū)動程序采用靜態(tài)編譯進μClinux內(nèi)核。下面以在嵌入式μClinux系統(tǒng)中需新增一個USB字符型設(shè)備FT245BL為例，介紹設(shè)備驅(qū)動程序的添加的一系列步驟。
3．1 配置相關(guān)信息
    首先，將編寫好的驅(qū)動程序復(fù)制到μClinux系統(tǒng)的文件目錄中。新建ft245bl目錄統(tǒng)一管理USB設(shè)備的驅(qū)動文件包括C文件、頭文件、編譯文件、配置文件，存放于目錄μClinux-dist／linux-2．6．x／drivers／char／下，在ft245bl下新建Makefile，并在下面兩個編譯文件中添加編譯指令：


    在ft245bl下新建配置文件Kconfig，添加驅(qū)動名FT245BL_DRIVER、菜單選項名稱USB ft245bl Driv-er、菜單有效選項DRIVER_FT245BL及驅(qū)動說明，代碼如下：


    第1項是μClinux系統(tǒng)為設(shè)備驅(qū)動創(chuàng)建的驅(qū)動文件名及所在目錄；第2項是設(shè)備類型；第3項是設(shè)備驅(qū)動文件的權(quán)限；第4，5項分別為用戶ID和組ID；第6，7項為主設(shè)備號和次設(shè)備號；第8，9，10項分別為次設(shè)備號的起始號碼、增量和數(shù)量。
3．2 編譯驅(qū)動程序
    在／home／μClinux／μClinux-dist目錄下運行make menueonfig進行配置，在字符設(shè)備選項中可以看見剛剛添加的FT245BL Driver選項，選中它。通過make的一系列編譯，所有內(nèi)核和應(yīng)用程序源代碼將被編譯，編譯結(jié)束后將產(chǎn)生二進制文件uImage。
3．3 加載驅(qū)動程序
    這里的BF533主板中數(shù)據(jù)存儲器SDRAM大小為32 MB，地址為0～Ox02000000；異步存儲區(qū)BootFLASH大小為4 MB，地址為0x20000000～0x203FFFFF。在／home／μClinux／μClinux-dist運行指令下，把uImage文件拷貝到／svr／tftp目錄，tftp是一個簡單的ftp下載：
    cp images／uImage／svr／tftp
    打開超級終端μClinux，接通目標板電源或按復(fù)位鍵，目標板上的u-boot自動啟動，通過超級終端的串口輸入命令：

    到此，在μClinux中添加設(shè)備驅(qū)動程序的工作已經(jīng)完成。

4 結(jié) 語
    介紹了基于Blackfin ADSP-BF533開發(fā)板，在μClinux環(huán)境下USB芯片F(xiàn)T245BL驅(qū)動程序的設(shè)計與加載。簡述了設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)的過程，并給出了讀函數(shù)和中斷函數(shù)的實例，說明了在μiClinux下如何添加FT245BL驅(qū)動程序的方法，實現(xiàn)了DSP主板的USB端口通信。