USB嵌入式主機控制器設計

過去USB僅應用于個人計算機其在嵌入式系統(tǒng)領域的巨大潛力尚未開發(fā)USB在嵌入式系統(tǒng)中的應用包括KVM開關數(shù)碼相機PDA打印機機頂盒及移動電話。

　　什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)被定義為硬件和固件--獨立的或作為更大型系統(tǒng)的一部分--通常帶有某種操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)可以是Windows CEVxWorks或由“自編代碼”構(gòu)成的更簡單系統(tǒng)根據(jù)上述定義可以認為任何帶有處理器的電子裝置均可以作為USB嵌入式主機。

　　嵌入式系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)

　　在基于PC的系統(tǒng)中三種主要部件需要USB操作它們是通常作為PCI子系統(tǒng)部分的主機控制器USB堆棧以及USB類驅(qū)動器。

　　主機控制器是集成主板芯片組的部分USB堆棧則包含主板芯片以及UCHI通用主機控制器接口OHCI開放主機控制器接口的驅(qū)動程序以及USB驅(qū)動程序(usbd.sys)實現(xiàn)基于PC的USB需要以上所有領域的專門技術(shù)。

　　在USB嵌入式系統(tǒng)中其主要組成部分與PC系統(tǒng)類似這些組成部分為嵌入式主機控制器芯片帶OHCI堆棧的實時操作系統(tǒng)(RTOS)以及專用驅(qū)動程序。

　　現(xiàn)有很多可供選擇的主機控制器芯片有些帶有處理器有些則以寄存器為基礎此處組成部分設備的選擇將會影響如下兩個層面。

　　很多公司可提供RTOS最好選擇一個處理器和與之配合工作的RTOS然后在其上添加應用代碼如果沒有真正的RTOS某些控制器帶有可構(gòu)造應用的“框架”以下介紹這種框架的示例以及如何在其上構(gòu)造應用。

　　在PC上實現(xiàn)USB時PC具有豐富的可用資源其中包括高達512MB字節(jié)的存儲器20-60GB的硬盤以及2GHz或速度更快的微處理器此外五年多來WindowsMAC OS以及Unix等操作系統(tǒng)一直支持USB世界上有數(shù)以百計或數(shù)以千計的工程師在設計基于PC的USB應用程序和設備驅(qū)動程序。

　　而另一方面嵌入式系統(tǒng)通常只有不超過64K的存儲器以及運行于12MHz - 33MHz范圍內(nèi)的處理器沒有硬盤由于USB對于嵌入式系統(tǒng)相對較新因此可能只有為數(shù)不多的工程師擁有這方面的經(jīng)驗。

　　賽普拉斯EZ-Host控制器

　　賽普拉斯EZ-Host器件擁有兩個“串行接口引擎”每個引擎包含兩個USB端口因此無需使用額外的硬件EZ-Host便可控制四個USB設備。

　　EZ-Host器件具有固件結(jié)構(gòu)可管理大多數(shù)USB主機的詳細要求該結(jié)構(gòu)的另一個特點是支持網(wǎng)絡集線器鍵盤/集線器組合部件常常出現(xiàn)這樣的問題是帶有集線器的鍵盤還是帶有鍵盤的集線器答案是帶有鍵盤的集線器因此要了解位于集線器后的鍵盤需要提供集線器支持幸好框架代碼包含對集線器的支持。

　　以下章節(jié)將介紹框架和某些框架操作示例以及如何將其與應用代碼接口。

　　框架概述

　　EZ-Host框架包含所有實現(xiàn)USB主機功能所必需的固件其中包含任務時序設備列舉帶寬分配以及功率管理。

　　另一方面應用程序是固件控制專用USB設備并將其數(shù)據(jù)傳遞給最終應用。

　　框架的核心是TD處理器TD處理器的運作基于稱作“任務描述器”(TD)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用其信息與USB硬件尤其是“串行接口引擎”(SIE)進行通信需要注意的是每個SIE控制兩個端口而且每個SIE具有一個TD處理器。

　　EZ-Host框架使用了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)來其操作這些結(jié)構(gòu)包括TD和USB“請求模塊”(URB)。

　　任務描述器是傳遞給硬件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含特定硬件接口如SIE的數(shù)據(jù)字段端口編號終點數(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器長度數(shù)據(jù)包ID編碼以及URB結(jié)構(gòu)指示器。

　　URB包含TD所需的邏輯信息該邏輯信息包括USB設備緩沖器安裝軟件包以及USB設備結(jié)構(gòu)指示器。

　　在進行USB事務處理時URB含有事務處理分配及其裝入的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而后URB提交給TD處理器TD處理器將URB加入TD列表空閑時TD處理器處理TD列表安排傳輸時序并將設定好的TD傳送給EZ-Host硬件進行處理。

圖1所示為基本的USB控制傳輸該圖表為TD處理器處理USB傳輸?shù)氖纠?br>

　　為了執(zhí)行控制轉(zhuǎn)移可以使用框架函數(shù)send_request( )send_request( )函數(shù)將分配一個傳遞給TD處理器的URB結(jié)構(gòu)。

　　URB應該包含有關設置狀態(tài)的信息并且借助參數(shù)傳遞給send_request( )URB需要如下信息。

　　請求類型 - 表示USB請求類型的字節(jié)該字節(jié)包含表示傳輸方向傳輸類型以及傳輸接受者的位

　　請求 - 11種標準USB請求之一這些請求包括

　　Clear_FeatureGet_ConfigurationGet_DescriptorGet
　　_InterfaceGet_StatusSet_AddressSet_ConfigurationSet
　　_DescriptorSet_FeatureSet_InterfaceSynch_Frame

　　值 - 特殊請求字段

　　索引 - 特殊請求字段

　　長度 - 有關數(shù)據(jù)緩沖器的大小

　　一旦載入用于URB的設置信息便可將其它設備信息裝入URB如地址速度終點數(shù)以及傳輸方向還有表示傳輸類型的字節(jié)和“回調(diào)”函數(shù)指示器使用回調(diào)函數(shù)可以在框架內(nèi)進行某些并行操作可在硬件處理USB操作的同時執(zhí)行其它任務TD需要USB傳輸類型信息這樣框架可以安排正確的傳輸類型的時序同樣地與批量或中斷傳輸相反框架一次只允許進行一個控制傳輸操作。

　　裝入所有的URB信息之后將URB提交給TD處理器TD處理器是框架的組成部分它與硬件直接通信處理有關傳輸?shù)牡图壴敿氋Y料TD完成任務后TD處理器將項目控制轉(zhuǎn)換為原始調(diào)用指定的“回調(diào)”函數(shù)轉(zhuǎn)換為 send_request( ) 函數(shù) 。

　　以下的圖3所示為調(diào)用帶回調(diào)函數(shù)的send_request( )在此例中我們使用控制傳輸以獲得某鍵盤的國家代碼在get_country_code( )函數(shù)中可看到send_request( )的調(diào)用注意send_request( )調(diào)用中的最后一個參數(shù)是回調(diào)函數(shù)在TD處理器確定硬件完成此次處理后執(zhí)行該函數(shù)這種情況下回調(diào)函數(shù)將獲得返回的數(shù)據(jù)緩沖器將其與HID描述器結(jié)構(gòu)相匹配并存取與國家代碼相對應的字節(jié)此后URB被釋放。

　　EZ-Host框架值得注意的最后一個特點是設備驅(qū)動程序的使用在執(zhí)行過程中設備驅(qū)動程序?qū)?zhí)行三個功能停止啟動和運行啟動某設備驅(qū)動程序時便是運行它的run( )函數(shù)該函數(shù)對某些數(shù)值進行初始化并分配一個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噩F(xiàn)URB對于鼠標或鍵盤該URB將每隔10毫秒發(fā)生一次數(shù)據(jù)傳輸完成后TD處理器將控制轉(zhuǎn)換為 interrupt_in_complete( )函數(shù)通過檢查URB可以得知數(shù)據(jù)是來自鍵盤還是來自鼠標這種回調(diào)函數(shù)負責將鍵盤或鼠標數(shù)據(jù)發(fā)送至應用層面以下是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕卣{(diào)函數(shù)示例。

　　當某驅(qū)動程序停止時其重現(xiàn)URB從TD列表中除去并釋放此外消息傳送至應用層面除去相關的設備如果與停止驅(qū)動程序相關的設備是集線器則與該集線器相連的所有設備也被移除并且其驅(qū)動程序停止當然如果這些移除的設備中有集線器則與該集線器相連的設備將以同樣方式移除。