基于嵌入式ARM9的USB設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言
    USB(Universal Serial Bus)是通用串行總線的縮寫(xiě)，因其具有方便易用，動(dòng)態(tài)分配帶寬，容錯(cuò)性?xún)?yōu)越和高性?xún)r(jià)比等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)的主流接口。
    隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，各種小型終端需要開(kāi)發(fā)出與外界聯(lián)系的USB接口。目前，常用的技術(shù)有兩種?；趩纹瑱C(jī)的USB接口，特點(diǎn)是需要外置芯片，電路復(fù)雜，留下的CPU資源不多；基于ARM的USB接口，特點(diǎn)是資源豐富，但ARM系列產(chǎn)品較多，如果選型不當(dāng)，還需要搭接較多的外圍電路，且不能很好地發(fā)揮CPU性能。
    該設(shè)計(jì)采用三星公司ARM9核的S3C2440A芯片作為CPU，因?yàn)樵撔酒瑑?nèi)部集成了控制USB的所有部件，外圍電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1 S3C2440A特點(diǎn)
    S3C2440A的CPU部分主要集成了電源模塊、復(fù)位和時(shí)鐘模塊、觸摸屏和小鍵盤(pán)模塊、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊。同時(shí)提供如下豐富的外圍接口：同步存儲(chǔ)器(SDRAM)和NAND FLASH控制接口，可擴(kuò)展到1 GB的存儲(chǔ)的空間；4個(gè)DMA通道和24個(gè)中斷端口；能控制STN LCD和TFT液晶屏顯示，支持觸摸屏功；USB接口A型和B型各一個(gè)；3個(gè)串行口、I2C，SPI，I2S等接口；帶AC97音頻接口；具備SD卡、數(shù)碼相機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)接口。
    S3C2440A還具備多種工作模式，管腳為17×17方型分布，橫向從左1到右17編號(hào)，縱向從下A到上U編號(hào)，分類(lèi)為A1～A17，B1～B17， C1～C17依此類(lèi)推到U1～U17。這些管腳所對(duì)應(yīng)的功能并不是惟一的，通常只要使能變化，S3C2440A就能實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。該設(shè)計(jì)涉及到的 S3C2440A，其管腳如表1所示分為3類(lèi)。

2．2 串口電路
    串口在該設(shè)計(jì)中的作用是通過(guò)計(jì)算機(jī)加載USB驅(qū)動(dòng)程序，原理如圖2所示。

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2．3 電源電路
    由于S3C2440A芯片的管腳對(duì)電壓提出了不同要求，所以需要完成電源的變壓，其原理如圖3所示。

3 驅(qū)動(dòng)程序的研究
    按USB接口，其設(shè)備結(jié)構(gòu)可分為USB Host(主機(jī))和USB Device(外部設(shè)備)。USB主機(jī)控制USB設(shè)備進(jìn)行通信，而主機(jī)與主機(jī)之間，或USB設(shè)備與USB設(shè)備之間是不能通信的。
3．1 USB主機(jī)
    USB主機(jī)的功能通常包含以下幾個(gè)部分：驗(yàn)證USB設(shè)備是否安插好或拔除；控制USB主機(jī)與設(shè)備兩者中的數(shù)據(jù)流；返回USB主機(jī)的所顯狀態(tài)。
    USB系統(tǒng)軟件由以下3個(gè)部分組成：主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)、USB驅(qū)動(dòng)(USBD)、主機(jī)軟件(Host Software)。主機(jī)控制器所具備的功能如表2所示。HCD和USBD包含基于不同抽象層次的軟件接口，兩者以一定的方式協(xié)同完成任務(wù)，用以實(shí)現(xiàn) USB系統(tǒng)的功能。它們的任務(wù)差別沒(méi)有具體定義，然而HCD要具備的一項(xiàng)功能就是必須支持多種不同主機(jī)控制器芯片。在一些操作系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)某些基本功能時(shí)，可由Host Software實(shí)現(xiàn)。
3．2 USB傳輸類(lèi)型
    USB定義了4種傳送類(lèi)型：控制傳送、同步傳送、中斷傳送、批傳送。其中，控制傳送是指可靠的、非周期性的、突發(fā)的，并由主機(jī)客戶(hù)軟件所發(fā)起的通信，主要應(yīng)用于控制命令和狀態(tài)信息的傳送；同步傳送是指在主機(jī)和設(shè)備之間周期性的、連續(xù)的通信，一般用于傳送時(shí)實(shí)信息，這種類(lèi)型保留了將時(shí)間概念包含于數(shù)據(jù)的能力，但傳送并不一定很緊急；中斷傳送是指少量數(shù)據(jù)的、低速的、周期的傳送；批傳送是指非周期的、大量的、可靠的傳送，其典型應(yīng)用在于傳送那些可以利用帶寬的數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]

3．3 USB設(shè)備請(qǐng)求
    USB設(shè)備應(yīng)通過(guò)缺省控制管道(Default Control Pipe)響應(yīng)來(lái)自主機(jī)的請(qǐng)求命令。這些請(qǐng)求是通過(guò)使用控制傳輸來(lái)完成的。請(qǐng)求及請(qǐng)求的參數(shù)通過(guò)Setup包發(fā)向設(shè)備，由主機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置Setup包內(nèi)的每個(gè)域的值。USB設(shè)備請(qǐng)求包含的請(qǐng)求類(lèi)型有三種：標(biāo)準(zhǔn)、廠商和設(shè)備類(lèi)。標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求用來(lái)完成設(shè)備的枚舉過(guò)程；廠商請(qǐng)求用來(lái)完成使用者自己定義的請(qǐng)求；設(shè)備類(lèi)請(qǐng)求指的是某些特定的USB設(shè)備類(lèi)所傳輸出的請(qǐng)求，例如打印機(jī)類(lèi)就屬于這一類(lèi)。設(shè)備請(qǐng)求要求有嚴(yán)格的定義，包含的內(nèi)容有類(lèi)型、設(shè)備請(qǐng)求、值、索引和長(zhǎng)度。

3．4 USB驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)
    S3C2440A芯片支持USB1．1協(xié)議和USB 2．0協(xié)議。該設(shè)計(jì)是針對(duì)USB Host(主機(jī)，A型)，并基于USB 1．1協(xié)議編寫(xiě)的。程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蛉鐖D4所示。
    驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)主要分為以下幾個(gè)部分考慮：硬件提取層、中斷服務(wù)程序、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和主循環(huán)。硬件提取層實(shí)現(xiàn)的是S3C2440A對(duì)I／O端口直接的讀寫(xiě)操作；中斷服務(wù)程序處理各種中斷，包括總線任務(wù)上的請(qǐng)求；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求完成主機(jī)送來(lái)的各種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，用于完成各種枚舉請(qǐng)求；而主循環(huán)則負(fù)責(zé)完成前臺(tái)的數(shù)據(jù)采集等工作，所有的任務(wù)結(jié)束后都要回到主循環(huán)上去。

4 結(jié) 語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)采用三星公司ARM9的S3C2440A芯片作為CPU，比原來(lái)基于單片機(jī)的模式，外圍電路簡(jiǎn)單，容易可靠地實(shí)現(xiàn)嵌入式終端的USB接口功能。在調(diào)試中，用到的嵌入式開(kāi)發(fā)板GEC2440A套件還提供了串口工具DNW。用這一工具可以檢測(cè)驅(qū)動(dòng)程序的正確與否，如：程序編寫(xiě)無(wú)誤，則DNW串口會(huì)提示 “USB IS CONNECT”。由于S3C2440A芯片功能豐富，如處理器可提高運(yùn)算速度，LCD可人機(jī)交互，網(wǎng)口可連接因特網(wǎng)，所以開(kāi)發(fā)出的嵌入式終端不但可提升整體性能，還為日后的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。