32 位ARM 嵌入式系統(tǒng)擴展USB 接口設計
USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）接口是1994 年Intel、Microsoft 等多家公司聯(lián)合推出的計算機外設互連總線協(xié)議。USB 接口支持1.5Mb/s、12Mb/s 和480Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持控制、中斷、批量與實時4 種數(shù)據(jù)傳輸模式，讓外圍設備可以有彈性的選擇。不管是交換少量或是大量的數(shù)據(jù)，還是有無時效的限制，都有合適的傳輸類型。USB的實時同步數(shù)據(jù)傳輸模式適合于高速實時音視頻數(shù)據(jù)流的傳送。
基于ARM（Advanced RISC Machines）處理器的32 位嵌入系統(tǒng)具有極高運算速度和大容量的數(shù)據(jù)處理能力，常需要設計高速接口與其他設備通信，為此本文討論基于S3C44B0XARM7 處理器的嵌入式統(tǒng)擴展USB 接口（設備端）的技術方案。
1 USB 接口原理
USB1.1 規(guī)范將USB 分為5 部分：控制器、控制器驅動程序、USB 芯片驅動程序、USB設備以及針對不同USB 設備的客戶端驅動程序。
(1) 控制器（Host Controller）主要負責執(zhí)行由控制器驅動程序發(fā)出的命令。
(2) 控制器驅動程序（Host Controller Driver）, 在控制器與USB 設備間建立通信管道（Pipe）。
(3) USB 驅動程序（USB Driver），提供對不同USB 設備及芯片的支持。
(4) USB 設備（USB Device）, 有兩類USB 設備：一類稱為功能設備（Function），另一類是稱為USB 集線器（HUB）,可以連接多個USB 設備。
(5) USB 設備驅動程序（Client Driver Software）及特定應用程序。
主控制器的驅動軟件由操作系統(tǒng)支持，USB 設備開發(fā)人員一般只需編寫客戶驅動程序，實現(xiàn)特定功能，設備端所有功能軟件需要全面設計。
USB 的四種數(shù)據(jù)傳輸模式分別是：控制型傳輸、中斷型傳輸、批量型傳輸、實時型傳輸。第一種在缺省通道中傳輸USB 接口本身的配置等控制信息，后面三種用于功能部件傳輸數(shù)據(jù)。中斷型用于鍵盤等的異步輸入輸出少量數(shù)據(jù)傳輸，批量傳輸主要用于象硬盤等塊設備的數(shù)據(jù)傳輸，在中斷和批量的傳輸過程中要傳遞交互握手信號，確保數(shù)據(jù)準確無誤。
實時傳輸對帶寬有嚴格要求，但允許有一定誤碼，省去了交互握手信號的傳遞，常用于音視頻碼流數(shù)據(jù)傳輸。四種類型數(shù)據(jù)都按帶寬要求分配在1ms 一幀的數(shù)據(jù)幀內(nèi)進行傳輸，USB1.0 實時傳輸可得到的最大帶寬10.24Mbps。
2 嵌入式系統(tǒng)USB 接口設計
要滿足高性能ARM嵌入式系統(tǒng)的要求，擴展USB接口必須選擇高性能USB控制器芯片，Philips公司的PDISUBD12 USB器件，是與微處理器配合使用的高性能USB接口器件，性價比很高。PDIUSBD12主要特性有：
(1) 符合USB 1.1 技術規(guī)范；
(2) USB控制器并行接口與處理器間的數(shù)據(jù)傳輸速度高達2M 字節(jié)/秒；
(3) 在批量模式和同步模式下均可實現(xiàn)1M 字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率；
(4) 集成了FIFO存儲收發(fā)器，支持DMA 操作；
(5) 內(nèi)置時鐘倍頻PLL電路，可編程時鐘頻率輸出；
(6) 多中斷模式實現(xiàn)批量和同步傳輸；[!--empirenews.page--]
采用PDIUSBD12 USB標準組件與S3C44B0X接口，減小了開發(fā)的時間、風險以及費用，是最快捷、最經(jīng)濟的方法實現(xiàn)ARM嵌入式系統(tǒng)擴展USB的解決方案之一。PDIUSBD12與S3C44B0X ARM7處理器的電路圖見圖2。因ARM7用存儲器影射方法擴展I/O接口，一般按16bit方式尋址，所以U2的A0連到U1的Addr1引腳, 片選信號nGCS1的基地址是0x0200_0000。
3 ARM 端USB 設備程序
設備端程序主要完成：ARM BIOS 和ucLinux 的加載、啟動通信進程、USB 控制器初始化、響應主控制器標準PnP 及其他命令、建立USB 端點（End point）邏輯通道、數(shù)據(jù)傳輸操作等功能，圖3 是基于ARM 的USB 設備與PC 間音頻通信的程序功能結構圖。
操作USB 芯片的接口函數(shù)的宏定義為：
typedef unsigned short int U16 ;
#define pD12_CMD ( ( U16 *) 0x02000002 ) //指向D12 命令寄存器指針
#define pD12_DAT ( ( U16 *) 0x02000000 ) //指向D12 數(shù)據(jù)寄存器指針
#define D12WriteCmd( data ) (*p D12_CMD = (U16)(data) & 0xff )
#define D12WriteData( data ) (* pD12_DAT = (U16)(data) & 0xff )
#define D12ReadData() (* pD12_DAT & 0xff )
4 音頻碼流USB 設備驅動程序
Windows2000 中各種USB 設備客戶驅動程序結構框架基本相同，可以從Windows2000DDK 中獲得USB 設備驅動程序范例代碼，對范例代碼作少量修改就可以滿足特定功能需要。圖1 顯示了驅動程序各層間的數(shù)據(jù)傳遞關系，底層USB 主控制器驅動程序（USB Host Driver）由操作系統(tǒng)提供支持，設備驅動程序只需要對USB Host Driver 上傳的I/O 數(shù)據(jù)包IRP 作出響應，并把要輸出數(shù)據(jù)以IRP 形式下傳給USB Host Driver 即可。
在ISO（實時型）模式下傳輸音頻碼流，USB 客戶程序除了WDM(Windows Driver Model)驅動常規(guī)處理外，必須計算好帶寬，并為驅動程序在非分頁存儲區(qū)內(nèi)分配好環(huán)行緩沖區(qū)（Ringbuffer），以便USB 主控制器可以不間斷輸出實時數(shù)據(jù)。RingBuffer 的大小按下式
計算：
每幀字節(jié)數(shù) × 每緩沖幀數(shù) × 緩沖區(qū)數(shù) ；
每傳完一緩沖區(qū)，USB Host Driver 回調(diào)（CallBack）一次客戶驅動程序，USB 帶寬按每1ms 傳送1 幀數(shù)據(jù)來分配，要實現(xiàn)8kHz 采樣頻率、8bits 編碼的音頻PCM 碼流傳輸，幀數(shù)據(jù)包大小必須設為8Bytes，若設置4 個緩沖區(qū)交替工作，每緩沖區(qū)分20 幀傳送, 則RingBuffer 的大小為640Bytes，那么USB 主控制器每20ms 的頻率中斷回調(diào)一次客戶驅動程序是合適的。
驅動程序通過IoSetCompletionRoutine()函數(shù)給每個IRP 設置回調(diào)函數(shù)入口地址，每完成一個IRP 緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳送操作，回調(diào)一次該地址指向的函數(shù)，以便把下一緩沖包數(shù)據(jù)壓入到IRP 棧，直到全部數(shù)據(jù)流傳送完畢或人為終止傳送。
5 結束語
擴展USB 接口，大幅提升了32 位ARM 嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的吞吐能力，有即插即用特性和多種數(shù)據(jù)傳輸模式，方案適合于嵌入式系統(tǒng)的多種應用。文章具體闡述了方案硬件、軟件設計的關鍵問題，并討論了如何分配USB 總線帶寬，實現(xiàn)恒速音頻PCM 碼流傳送，實驗結果表明該方案能流暢地接收Windows2000 通過USB 接口輸出話音編碼信號，方案可行，具有較高參考價值
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