基于ISP1161A1芯片的USB主控器驅(qū)動設(shè)計

在現(xiàn)代社會，嵌入式系統(tǒng)逐漸深入到人們生活的方方面面，各類嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之間往往通過某種接口進(jìn)行交互或數(shù)據(jù)傳遞。而現(xiàn)在，USB已經(jīng)成為嵌入式數(shù)據(jù)交換的最主要的方式，可是各種USB接口的設(shè)備都是基于PC機(jī)系統(tǒng)的，所以，基于嵌入式系統(tǒng)的USB接口的研究具有實用的價值和意義，特別是起Master作用的HOST端接口的研究。解決這一問題的根本辦法就是在需要使用USB設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中擴(kuò)展USB Host功能模塊，使之具有與USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/span>

USB協(xié)議按功能分為2部分，USB HOST（USB主協(xié)議）和USB SLAVE（USB從協(xié)議）分別應(yīng)用于USB HOST CONTROLLER（USB主控制器）和USB DEVICE（USB設(shè)備）。一般，USB HOST要比USB SLAVE復(fù)雜，對于廣大的非PC用戶來說，尤其是嵌入式系統(tǒng)用戶來說，由于USB協(xié)議的不對稱性，使得實現(xiàn)USB HOST比USB SLAVE要困難地多，Philips公司的ISP1161A1芯片很好地解決了這種問題，他封裝了復(fù)雜的USB協(xié)議，使得在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USB HOST和USB SLAVE變得簡單方便。

2 USB HOST技術(shù)簡介

USB的通信可以用圖1表示，圖1中，左半部分為USB主機(jī)端，可以看出，USB主機(jī)端由2部分構(gòu)成，即軟件體和硬件體，實際上是3個軟件組件組成了USB HOST解決方案，即USB客戶驅(qū)動程序，USB驅(qū)動程序和USB主機(jī)控制器驅(qū)動程序，應(yīng)用程序的事務(wù)處理是由USB客戶驅(qū)動程序（設(shè)備驅(qū)動程序）啟動的，客戶驅(qū)動程序把USB設(shè)備當(dāng)做一個可以被訪問的端點集合，他可以被控制并與他的功能單元進(jìn)行通信，USB系統(tǒng)軟件包括USB驅(qū)動程序和USB主控制器驅(qū)動程序，USB驅(qū)動程序負(fù)責(zé)配置管理、用戶管理、總線管理和數(shù)據(jù)傳輸，USB主控制器驅(qū)動程序負(fù)責(zé)調(diào)度管理，隊列管理和控制器管理，以及數(shù)據(jù)的位編碼、封包、循環(huán)校驗、發(fā)送、錯誤處理等。

如圖2所示，USB HOST的軟件結(jié)構(gòu)分為3大部分，即USB總線驅(qū)動（USBD），USB HOST控制器驅(qū)動（HCD）、客戶軟件、其中客戶軟件處理和設(shè)備有關(guān)的信息，USBD處理和硬件無關(guān)的協(xié)議，而HCD則處理與硬件相關(guān)的協(xié)議，USBD和HCD都包含了一系列管理各種狀態(tài)的寄存器。

3 SP1161體系結(jié)構(gòu)

要實現(xiàn)USB協(xié)議，必須要通過一系列寄存器來完成，這些寄存器要能實現(xiàn)USB軟件結(jié)構(gòu)中的USBD和HCD，即要完成USB協(xié)議狀態(tài)的控制，還要有一定的緩沖區(qū)來存放進(jìn)出的數(shù)據(jù)，ISP1161專門針對USB協(xié)議設(shè)計的特殊硬件結(jié)構(gòu)可方便地實現(xiàn)USB HOST和USB SLAVE。ISP1161的硬件結(jié)構(gòu)主要是3類不同的寄存器，用戶通過操作這3種寄存器來達(dá)到實現(xiàn)USB傳輸?shù)哪康模@3類寄存器是：

（1）HC control and status registers：USB主控制器控制和狀態(tài)寄存器，主要用于傳輸過程中控制命令的存放和狀態(tài)的讀取，可讀可寫的寄存器有2個地址，只讀或只寫的寄存器只有1個地址。

（2）Isochronous Transfer List （ITL）：同步傳輸列表緩沖區(qū)。

（3）Acknowledged Transfer List（ATL）：接收傳輸列表緩沖區(qū)。

根據(jù)USB協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸分為4種模式，Control（控制），Bulk（整批），Interrupt（中斷）和Isochronous（同步）。其中ITL是為了實現(xiàn)同步傳輸，ATL則實現(xiàn)其他3種模式的傳輸。

4 ISP1161x主控制器編程實現(xiàn)

設(shè)計ISP1161x主控制驅(qū)動程序主要涉及以下2個重要內(nèi)容，下面詳細(xì)介紹：

4.1 讀/寫ATL和ITL緩沖區(qū)

ATL和ITL緩沖區(qū)的位于ISP1161x內(nèi)部的FIFO緩沖RAM之中，每個緩沖區(qū)包含許多PTD（Philips Transfer Descriptor），而PTD用于主控制器硬件發(fā)送或接收USB包從USB設(shè)備，作為調(diào)度USB傳輸?shù)囊徊糠郑琀CD在系統(tǒng)內(nèi)存中購建PTD。然后HCD將購建好的PTD移入ATL或者ITL緩沖區(qū)，主控制器硬件允許軟件去訪問每一個緩沖區(qū)，就像他們是分離的硬件緩沖區(qū)，HCD訪問ATL緩沖區(qū)通過硬件寄存器HcTransferCounter（22H/A2H）和HcATLBufferPort（41H/C1H），而ITL緩沖區(qū)則由HcTransferCounter和HcITLBufferPort（40H/C0H）訪問。下面一段示例代碼取自于本項目，其功能是向ATL緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，hci→hp→atl_len表示，ATL則在內(nèi)存中還沒有發(fā)送的數(shù)據(jù)的度，hci→hp→tl表示緩沖區(qū)的地址。

4.2硬件初始化過程

當(dāng)ISP1161x上電時，主控驅(qū)動程序（HCD）必須經(jīng)過下列的順序?qū)τ布M(jìn)行初始化，以便主控制器進(jìn)入可操作狀態(tài)。

檢測主控制器，軟件復(fù)位主控制器，配置HcHardwareConfiguration寄存器，配置中斷；配置HcControl寄存器，配置HcFmInterval寄存器，配置根集線寄存器，設(shè)置ITL和ATL緩沖區(qū)長度，安裝INT1中斷服務(wù)程序。

4.2.1 檢測主控制器

檢測的工作由HCD完成的，HCD通過向寄存器HcScratch寫一個值，接著從該寄存器讀出，與剛才寫入的值進(jìn)行比較。如果寫入的和讀出的值相等，HCD得出結(jié)論：主控制器存在，對HcCHipID寄存器的讀也被用來作為額外的條件來檢測該寄存器。

4.2.2 主控制器的軟件復(fù)位

軟件復(fù)位主控制器通常包括2個步驟：復(fù)位主控制器；設(shè)置主控制器為RESET狀態(tài)。

HCD通過設(shè)置在HcCommandStatus寄存器的HCR位來復(fù)位主控制器：

一旦主控制器復(fù)位了，HCD必須通過設(shè)置HcControl寄存器的HCFS字段為00B，以便使主控制器為RESET狀態(tài)。

4.2.3 配置HcHardwareConfiguration寄存器

WRITE_REG16（hci，InterruptPinEnable|InterruptPin Trigger InterruptOutputPolarity |DataBusWidth16|AnalogOCEnable，HcHardwareConfiguration）；

上述這段代碼表示將主控制器初始化為INT1允許，中斷是邊沿觸發(fā)，中斷的輸出極性為高電平，數(shù)據(jù)線的寬度為16b，使用片上過流檢測，模擬輸入。

4.2.4 配置中斷

主控制器ISP1161x有2組中斷源，第一組包含USB事件產(chǎn)生的中斷，比如Start of Frame，調(diào)度溢出和根集線器狀態(tài)改變，這些中斷的發(fā)生由HcInterruptEnable和HcInterruptDisable寄存器聯(lián)合控制，而每個中斷的狀態(tài)由HcInterruptStatus寄存器標(biāo)識。

第二組是主控制器中狀態(tài)變化所引起的中斷，比如，主控制器延遲所產(chǎn)生的中斷，同樣，在第一組中斷中的任何組合是第二組中斷的中斷源。

4.2.5 配置HcFmInterval寄存器

HcFmInterval寄存器的14位值[FrameInteral，F(xiàn)I]用于表示一幀之內(nèi)所占用的比特時間（在2個連續(xù)的SOFs，15位的值[FSLargestDataPacket，PSMPS）用于表示在沒有引發(fā)調(diào)度溢出下可發(fā)送或接收全速最大包大小，F(xiàn)I，PSMPS的推薦值為0x2EDF和0x2778，所以將調(diào)用下列語句對該寄存器進(jìn)行初始化：

WRITE_REG32（hci，0x2EDF|（0x2778<<16），HcFmInterval）；

4.2.6 配置Root Hub（根集線器）寄存器

隨著初始化的深入，下面的專門針對根集線器3個寄存器也必須初始化：HcRhDescriptorA，HcRhDescriptorB和HcRhStatus，前2個寄存器是根據(jù)電路板的制作自動由ISP1161x配置的，這2個寄存器均用來描述根集線器的特性。

HcRhStatus被劃分為2個部分，低字部分表示集線器狀態(tài)，而高字部分表示集線器狀態(tài)的改變，還有保留部分必須被初始化為邏輯0。

4.2.7 設(shè)置ITL和ATL緩沖區(qū)的長度

主控制器ISP1161x內(nèi)部的FIFO緩沖區(qū)有4kb/s，而這4k將被ATL和ITL劃分為2部分，分由HcATLBufferLength和HcITLBufferLength寄存器表示，ITL緩沖區(qū)又進(jìn)一步被分為2個相同的ITO0和ITD01緩沖區(qū)，ATL緩沖區(qū)必須存在，因為ATL緩沖區(qū)用于控制，中斷和大批量傳輸，而ITL的存在與否是可選的。

4.2.8 設(shè)置INT1中斷的服務(wù)程序

如果在主控制器中發(fā)生一個或多個中斷，ISP1161x的INT1引腳將會通知微處理器，在本項目中，INT1的引腳直接接在arm的INT0引腳上，驅(qū)動程序通過Linux提供的函數(shù)request_irq向操作系統(tǒng)申請中斷號，并在此函數(shù)中向操作系統(tǒng)提供中斷處理函數(shù)。

request_irq（irq，hc_interrupt，0，"ISP116x"，hci）

irq為中斷號；hc_interrupt為中斷處理函數(shù)，0為中斷標(biāo)記，"ISP116x"表示中斷設(shè)備名稱；hci在此表示中斷設(shè)備號。

5 在μClinux中編譯USB主控驅(qū)動

接下來就如何將驅(qū)動文件編譯到嵌入式操作系統(tǒng)做一個簡要說明。

（1）將上述文件拷貝到drivers/USB/

（2）編輯Drivers/USB/Makefile文件，添加以下內(nèi)容：

obj-$（CONFIG_USB_ISP1161）+=hc_isp1161.o

（3）編輯driver/USB/config.in文件，添加如下內(nèi)容：

Dep_tristat'isp1161（Philips）support'CONFIG_USB_ISP1161 $ CONFIG_USB

（4）編譯μClinux內(nèi)核

編譯成功后把生成的映象文件用JTAG燒寫器燒寫到開發(fā)板的ROM中，啟動后進(jìn)行驗證實現(xiàn)了對ISP1161A1的控制。

6 結(jié)語

ISP1161A1使得在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USB HOST變得十分簡單方便，便于嵌入式系統(tǒng)中USB的普及。

一個USB HOST要完成的功能因為需求不同，所使用的協(xié)議也不盡相同，有的采用中斷傳輸，有的采用同步傳輸，USB主機(jī)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用主要是針對某一種USB設(shè)備或集中設(shè)備，因而嵌入式系統(tǒng)上可以只固化某幾種協(xié)議，該技術(shù)的應(yīng)用可以使得在嵌入式系統(tǒng)上輕松接入USB外設(shè)、擴(kuò)展系統(tǒng)的功能、提高儀器的使用靈活性。USB主機(jī)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用會有更廣泛更美好的前景。