32 位ARM 嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展USB 接口設(shè)計(jì)

常用的主機(jī)與嵌入式外設(shè)的高速通信接口有LPT 并行口、USB、1394 及10/100M 以太網(wǎng)等接口。RS232 不適合高速數(shù)據(jù)傳送，1394 接口需要專門的適配器接口成本過(guò)高，一般較少使用，USB 接口被廣泛用于高、中、低不同速度設(shè)備與主機(jī)通信，USB2.0 的最高速度可達(dá)480Mb/s, 可傳送高清晰數(shù)字視頻碼流，完全可以替代1394 接口，USB 與以太網(wǎng)接口相比，采用主從結(jié)構(gòu)，有即插即用特性，驅(qū)動(dòng)程序豐富，互操作性好等優(yōu)點(diǎn)。
    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(jì)算機(jī)外設(shè)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(shí)時(shí)4 種數(shù)據(jù)傳輸模式，讓外圍設(shè)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(wú)時(shí)效的限制，都有合適的傳輸類型。USB的實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)傳輸模式適合于高速實(shí)時(shí)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(yùn)算速度和大容量的數(shù)據(jù)處理能力，常需要設(shè)計(jì)高速接口與其他設(shè)備通信，為此本文討論基于S3C44B0XARM7 處理器的嵌入式統(tǒng)擴(kuò)展USB 接口（設(shè)備端）的技術(shù)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(qū)動(dòng)程序、USB 芯片驅(qū)動(dòng)程序、USB設(shè)備以及針對(duì)不同USB 設(shè)備的客戶端驅(qū)動(dòng)程序。
(1) 控制器（Host Controller）主要負(fù)責(zé)執(zhí)行由控制器驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出的命令。
(2) 控制器驅(qū)動(dòng)程序（Host Controller Driver）, 在控制器與USB 設(shè)備間建立通信管道（Pipe）。
(3) USB 驅(qū)動(dòng)程序（USB Driver），提供對(duì)不同USB 設(shè)備及芯片的支持。
(4) USB 設(shè)備（USB Device）, 有兩類USB 設(shè)備：一類稱為功能設(shè)備（Function），另一類是稱為USB 集線器（HUB）,可以連接多個(gè)USB 設(shè)備。
(5) USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Client Driver Software）及特定應(yīng)用程序。

 
    主控制器的驅(qū)動(dòng)軟件由操作系統(tǒng)支持，USB 設(shè)備開(kāi)發(fā)人員一般只需編寫客戶驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)特定功能，設(shè)備端所有功能軟件需要全面設(shè)計(jì)。
    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(shí)時(shí)型傳輸。第一種在缺省通道中傳輸U(kuò)SB 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(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，在中斷和批量的傳輸過(guò)程中要傳遞交互握手信號(hào)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。
    實(shí)時(shí)傳輸對(duì)帶寬有嚴(yán)格要求，但允許有一定誤碼，省去了交互握手信號(hào)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(jìn)行傳輸，USB1.0 實(shí)時(shí)傳輸可得到的最大帶寬10.24Mbps。

2 嵌入式系統(tǒng)USB 接口設(shè)計(jì)
    要滿足高性能ARM嵌入式系統(tǒng)的要求，擴(kuò)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(jià)比很高。PDIUSBD12主要特性有：
(1) 符合USB 1.1 技術(shù)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(dá)2M 字節(jié)/秒；
(3) 在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)1M 字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率；
(4) 集成了FIFO存儲(chǔ)收發(fā)器，支持DMA 操作；
(5) 內(nèi)置時(shí)鐘倍頻PLL電路，可編程時(shí)鐘頻率輸出；
(6) 多中斷模式實(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸；[!--empirenews.page--]
    采用PDIUSBD12 USB標(biāo)準(zhǔn)組件與S3C44B0X接口，減小了開(kāi)發(fā)的時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用，是最快捷、最經(jīng)濟(jì)的方法實(shí)現(xiàn)ARM嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展USB的解決方案之一。PDIUSBD12與S3C44B0X ARM7處理器的電路圖見(jiàn)圖2。因ARM7用存儲(chǔ)器影射方法擴(kuò)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(hào)nGCS1的基地址是0x0200_0000。
 

3 ARM 端USB 設(shè)備程序
    設(shè)備端程序主要完成：ARM BIOS 和ucLinux 的加載、啟動(dòng)通信進(jìn)程、USB 控制器初始化、響應(yīng)主控制器標(biāo)準(zhǔn)PnP 及其他命令、建立USB 端點(diǎn)（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(shè)備與PC 間音頻通信的程序功能結(jié)構(gòu)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
    Windows2000 中各種USB 設(shè)備客戶驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)框架基本相同，可以從Windows2000DDK 中獲得USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序范例代碼，對(duì)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(qū)動(dòng)程序各層間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，底層USB 主控制器驅(qū)動(dòng)程序（USB Host Driver）由操作系統(tǒng)提供支持，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只需要對(duì)USB Host Driver 上傳的I/O 數(shù)據(jù)包IRP 作出響應(yīng)，并把要輸出數(shù)據(jù)以IRP 形式下傳給USB Host Driver 即可。
    在ISO（實(shí)時(shí)型）模式下傳輸音頻碼流，USB 客戶程序除了WDM(Windows Driver Model)驅(qū)動(dòng)常規(guī)處理外，必須計(jì)算好帶寬，并為驅(qū)動(dòng)程序在非分頁(yè)存儲(chǔ)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。RingBuffer 的大小按下式
計(jì)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(qū)動(dòng)程序，USB 帶寬按每1ms 傳送1 幀數(shù)據(jù)來(lái)分配，要實(shí)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(shè)為8Bytes，若設(shè)置4 個(gè)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(qū)動(dòng)程序是合適的。
    驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)IoSetCompletionRoutine()函數(shù)給每個(gè)IRP 設(shè)置回調(diào)函數(shù)入口地址，每完成一個(gè)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(jié)束語(yǔ)
    擴(kuò)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(yīng)用。文章具體闡述了方案硬件、軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，并討論了如何分配USB 總線帶寬，實(shí)現(xiàn)恒速音頻PCM 碼流傳送，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能流暢地接收Windows2000 通過(guò)USB 接口輸出話音編碼信號(hào)，方案可行，具有較高參考價(jià)值