ARM和LINUX系统下嵌入式USB主机的设计

1 引言

通用串行总线(Universal Serial Bus，即USB)是一种新型的高速串行总线，作为一种快速、灵活的总线接口，已经在电子产品中广泛应用。同时人们对USB的期望也越来越高，希望USB能应用在各种计算机领域中。但是，由于USB通信模型是一种Host/Slave主从式结构，经由USB总线进行通信的双方必须有一方在通信控制中担当主机，而两个USB设备之间则无法直接进行基于USB的数据交换。这就大大限制了USB在嵌入式设备中的应用。

ARM( Advanced RISC Machine)作为一种低功耗、高性能的32位嵌入式微处理器，在中高端嵌入式设备开发中有着广泛的应用。有些ARM芯片的生产厂商在以ARM为内核的微处理器中集成了USB主机控制器，但是，更多的ARM处理器是不带USB主机功能的。解决这一问题的方法就是在需要使用USB设备的嵌入式系统中外扩一片USB主机控制器芯片，使之具有与USB设备进行数据传输的能力。本设计考虑设计一种USB主、从机一体化的外部扩展模块，通过简单地改变跳线，使得ARM核心的嵌入式设备既可作为USB主机，又可以作为USB从机。

2 总体设计

由于目前USB从机的硬件及软件方面的开发已经比较成熟，可以直接使用现有的资源，所以本设计主要讨论USB主机功能的实现，目标任务是ARM核心板能够读写外接USB设备，这里选择最常用的U盘，实现读、写U盘数据。

系统分为ARM核心板和SL811HST扩展板两大部分。核心板是一个由ARM7微处理器、FLASH、SDRAM 、JTAG口和串口组成的最小系统。ARM处理器选用的是三星公司的S3C44B0X，这是一款基于ARM7TDMI内核的微处理器，具有低功耗、高性能的特点。Flash用来存放ucLinux操作系统和一些十分重要的数据，SDRAM则是操作系统和应用程序的运行空间、数据及堆栈区，JTAG口和串口用于下载和调试。扩展板主要由USB主控芯片及其外围电路和USB主、从接口构成。USB主控制芯片选用的是Cypress公司的SL811HST，这是一款双功能的控制芯片，通过设置开关既可以用来做主机又可以做从机。USB接口分为主机接口和从机接口，与主控芯片功能配套。

3 硬件电路

Flash存储器是一种可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为单3.3V。系统中选用一片16位的Flash存储器SST39VF1601，单片存储容量2M，用于存放操作系统和程序代码，系统上电或复位后从此获得第一条指令并开始执行，因此，应将Flash存储器配置到BANK0，即将S3C44B0X的nGCS<0>接到其片选引脚CE#端;将S3C44B0X的OM[1:0]置为10,选择BANK0为16位工作方式。与Flash存储器不同，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，因此，它在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区，系统及用户堆栈、运行数据也都存放在其中。系统中选用一片HY57V641620HG，它的存储容量为8M，工作电压为3.3V,16位数据宽度。1620的CS与S3C44B0X的nGCS6连接。

JTAG接口主要是用来实现芯片的嵌入式调试及在系统编程的功能，如对Flash器件进行编程等。串口的主要作用是向计算机传输信息，这些信息可以在计算机的超级终端上显示，以便于调试程序时监测程序的内部变量值;在ucLinux操作系统运行时，串口将用来显示它的启动信息和运行状态，向操作系统发送命令对其进行控制也需要通过串口来完成。ARM核心板的硬件组成如图1所示：

图1 ARM 核心板的构成

Cypress公司的SL811HST芯片是一款嵌入式的USB主机/从机控制器，它的双功能端口既可作为USB主机又可作为从机来支持全速或低速的USB器件，能够与单片机、DSP和ARM等实现无缝接口。数据线为8位，只需要9根线用于系统的数据通讯，16个内部寄存器，可以对USBHost进行充分的控制。内部多达256字节的RAM，为USB传输建立了足够的缓冲区。它的主要优点有：通过其M/S引脚对主/从模式方便的进行选择；提供全速和低速2种USB总线速度方式；硬件自动产生帧起始包SOF和CRC5/16校验；片上集成了接口引擎（SIE）、单端口根Hub、USB收发器和256B的SRAM，其中0x00～0x0F共16个字节是寄存器区，其余的240B是数据缓冲区。[page]

SL811HS只有一根地址线A0。A0=1用于设定偏移量，A0=0用于读写数据。读写数据应该首先指定偏移量，然后实现读取时序。A0与ARM的ADDR0相连。nCS和ARM的nGCS2相连，即把SL811HST分配到ARM的外部I/O口02。SL811HST与S3C44B0X的连接如图2所示：

图 2 SL811HST 与S3C44B0X 连接图

4 软件系统

本设计的软件系统是在Linux环境下编写调试运行的，前期工作为下载ucLinux内核包，打补丁包等。ucLinux是专门针对如ARM7这类无MMU的CPU而设计的，它主要由以下几个部分构成:BootLoader、内核初始化、系统调用函数/捕获函数、设备驱动和文件系统。其中BootLoader被用来初始化系统板上的硬件资源，必须根据系统板上不同的硬件资源进行相应的配置。本系统中主要是更改了FLASH和SDRAM的容量及数据宽度，开启了外部I/O口2并设定为8位数据宽度以用来配置SL811HST，并把它的基地址设定为0x012000000完成对源代码的修改之后就可以进行内核的编译。编译是在装有Linux及所需的交叉编译工具链的计算机上来进行的，编译生成的image.ram文件可以下载到SDRAM中直接运行，image.rom文件可以烧写到FLASH中，系统上电或重启后，将从FLASH的0x0地址处开始执行，对硬件资源进行初始化后进入ucLinux。

从Linux2.4内核以后，Linux的设备驱动中加入了对USB的支持，ucLinux也秉承了这一特点。本设计采用内核编译的方式加载USB驱动，将驱动程序的源代码加进ucLinux系统内核，编译移植到嵌入式系统，系统启动后将自动加载驱动。

编译过程如下：
 

1：在ucLinux内核的USB驱动目录中添加如下三个文件：s181lh－usb.c、sl8llh.h、s1811husb.h。；

2：编辑/uclinux-s2cev40/linux-2.4.x/drivers/usb/config.in文件。修改这个文件的内容加入对SL811HST的描述语句：

USB 设备驱动程序被编译进ucLinux 内核，包含在image.bin 文件中。在系统启动时，USB 设备驱动就自动执行了。

5 总结

本文作者创新点：巧妙利用ucLinux 内核模块，简化开发过程，节约成本。本设计以uclinux 嵌入式操作系统为平台，充分发挥了SL811HST 芯片的Host/Slave 两种模式的作用， 整套系统上电运行结果证明，本系统设计能够顺利的读写U 盘数据，并且达到USB1.1的全速。此系统价格低廉，实现简单有效。为嵌入式系统添加USB 主机接口，使得USB 能应用在没有PC 的领域中，真正实现USB 点对点的通讯。在需要野外大量采集记录数据的场合，如勘测，气象等领域，嵌入式USB 主机方便携带；在需要远距离传输数据的场合，在USB 设备上增加无线网卡，数据就可以实时传送，等等。