USB嵌入式主機(jī)控制器設(shè)計(jì)

過(guò)去USB僅應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)其在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的巨大潛力尚未開(kāi)發(fā)USB在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用包括KVM開(kāi)關(guān)數(shù)碼相機(jī)PDA打印機(jī)機(jī)頂盒及移動(dòng)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(dú)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(jiǎn)單系統(tǒng)根據(jù)上述定義可以認(rèn)為任何帶有處理器的電子裝置均可以作為USB嵌入式主機(jī)。

　　嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)控制器USB堆棧以及USB類驅(qū)動(dòng)器。

　　主機(jī)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(jī)控制器接口OHCI開(kāi)放主機(jī)控制器接口的驅(qū)動(dòng)程序以及USB驅(qū)動(dòng)程序(usbd.sys)實(shí)現(xiàn)基于PC的USB需要以上所有領(lǐng)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(jī)控制器芯片帶OHCI堆棧的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)以及專用驅(qū)動(dòng)程序。

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

　　很多公司可提供RTOS最好選擇一個(gè)處理器和與之配合工作的RTOS然后在其上添加應(yīng)用代碼如果沒(méi)有真正的RTOS某些控制器帶有可構(gòu)造應(yīng)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(yīng)用。

　　在PC上實(shí)現(xiàn)USB時(shí)PC具有豐富的可用資源其中包括高達(dá)512MB字節(jié)的存儲(chǔ)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(lái)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(jì)或數(shù)以千計(jì)的工程師在設(shè)計(jì)基于PC的USB應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

　　而另一方面嵌入式系統(tǒng)通常只有不超過(guò)64K的存儲(chǔ)器以及運(yùn)行于12MHz - 33MHz范圍內(nèi)的處理器沒(méi)有硬盤由于USB對(duì)于嵌入式系統(tǒng)相對(duì)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(yàn)。

　　賽普拉斯EZ-Host控制器

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

　　EZ-Host器件具有固件結(jié)構(gòu)可管理大多數(shù)USB主機(jī)的詳細(xì)要求該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是支持網(wǎng)絡(luò)集線器鍵盤/集線器組合部件常常出現(xiàn)這樣的問(wèn)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(duì)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(yīng)用代碼接口。

　　框架概述

　　EZ-Host框架包含所有實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能所必需的固件其中包含任務(wù)時(shí)序設(shè)備列舉帶寬分配以及功率管理。

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

　　框架的核心是TD處理器TD處理器的運(yùn)作基于稱作“任務(wù)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(jìn)行通信需要注意的是每個(gè)SIE控制兩個(gè)端口而且每個(gè)SIE具有一個(gè)TD處理器。

　　EZ-Host框架使用了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)來(lái)其操作這些結(jié)構(gòu)包括TD和USB“請(qǐng)求模塊”(URB)。

　　任務(wù)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(hào)終點(diǎn)數(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器長(zhǎng)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(shè)備緩沖器安裝軟件包以及USB設(shè)備結(jié)構(gòu)指示器。

　　在進(jìn)行USB事務(wù)處理時(shí)URB含有事務(wù)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(shí)TD處理器處理TD列表安排傳輸時(shí)序并將設(shè)定好的TD傳送給EZ-Host硬件進(jìn)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(gè)傳遞給TD處理器的URB結(jié)構(gòu)。

　　URB應(yīng)該包含有關(guān)設(shè)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(qǐng)求類型 - 表示USB請(qǐng)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(qǐng)求 - 11種標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求之一這些請(qǐng)求包括

　　Clear_FeatureGet_ConfigurationGet_DescriptorGet
　　_InterfaceGet_StatusSet_AddressSet_ConfigurationSet
　　_DescriptorSet_FeatureSet_InterfaceSynch_Frame

　　值 - 特殊請(qǐng)求字段

　　索引 - 特殊請(qǐng)求字段

　　長(zhǎng)度 - 有關(guān)數(shù)據(jù)緩沖器的大小

　　一旦載入用于URB的設(shè)置信息便可將其它設(shè)備信息裝入U(xiǎn)RB如地址速度終點(diǎn)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(jìn)行某些并行操作可在硬件處理USB操作的同時(shí)執(zhí)行其它任務(wù)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(shí)序同樣地與批量或中斷傳輸相反框架一次只允許進(jìn)行一個(gè)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(guān)傳輸?shù)牡图?jí)詳細(xì)資料TD完成任務(wù)后TD處理器將項(xiàng)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(guó)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(gè)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(guó)家代碼相對(duì)應(yīng)的字節(jié)此后URB被釋放。

　　EZ-Host框架值得注意的最后一個(gè)特點(diǎn)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的使用在執(zhí)行過(guò)程中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?zhí)行三個(gè)功能停止啟動(dòng)和運(yùn)行啟動(dòng)某設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)便是運(yùn)行它的run( )函數(shù)該函數(shù)對(duì)某些數(shù)值進(jìn)行初始化并分配一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噩F(xiàn)URB對(duì)于鼠標(biāo)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(guò)檢查URB可以得知數(shù)據(jù)是來(lái)自鍵盤還是來(lái)自鼠標(biāo)這種回調(diào)函數(shù)負(fù)責(zé)將鍵盤或鼠標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至應(yīng)用層面以下是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕卣{(diào)函數(shù)示例。

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