USB嵌入式主机控制器设计

USB嵌入式主机控制器设计

过去USB仅应用于个人计算机其在嵌入式系统领域的巨大潜力尚未开发USB在嵌入式系统中的应用包括KVM开关数码相机PDA打印机机顶盒及移动电话。

　　什么是嵌入式系统嵌入式系统被定义为硬件和固件--独立的或作为更大型系统的一部分--通常带有某种操作系统操作系统可以是Windows CEVxWorks或由“自编代码”构成的更简单系统根据上述定义可以认为任何带有处理器的电子装置均可以作为USB嵌入式主机。

　　嵌入式系统的设计挑战

　　在基于PC的系统中三种主要部件需要USB操作它们是通常作为PCI子系统部分的主机控制器USB堆栈以及USB类驱动器。

　　主机控制器是集成主板芯片组的部分USB堆栈则包含主板芯片以及UCHI通用主机控制器接口OHCI开放主机控制器接口的驱动程序以及USB驱动程序(usbd.sys)实现基于PC的USB需要以上所有领域的专门技术。

　　在USB嵌入式系统中其主要组成部分与PC系统类似这些组成部分为嵌入式主机控制器芯片带OHCI堆栈的实时操作系统(RTOS)以及专用驱动程序。

　　现有很多可供选择的主机控制器芯片有些带有处理器有些则以寄存器为基础此处组成部分设备的选择将会影响如下两个层面。

　　很多公司可提供RTOS最好选择一个处理器和与之配合工作的RTOS然后在其上添加应用代码如果没有真正的RTOS某些控制器带有可构造应用的“框架”以下介绍这种框架的示例以及如何在其上构造应用。

　　在PC上实现USB时PC具有丰富的可用资源其中包括高达512MB字节的存储器20-60GB的硬盘以及2GHz或速度更快的微处理器此外五年多来WindowsMAC OS以及Unix等操作系统一直支持USB世界上有数以百计或数以千计的工程师在设计基于PC的USB应用程序和设备驱动程序。

　　而另一方面嵌入式系统通常只有不超过64K的存储器以及运行于12MHz - 33MHz范围内的处理器没有硬盘由于USB对于嵌入式系统相对较新因此可能只有为数不多的工程师拥有这方面的经验。

　　赛普拉斯EZ-Host控制器

　　赛普拉斯EZ-Host器件拥有两个“串行接口引擎”每个引擎包含两个USB端口因此无需使用额外的硬件EZ-Host便可控制四个USB设备。

　　EZ-Host器件具有固件结构可管理大多数USB主机的详细要求该结构的另一个特点是支持网络集线器键盘/集线器组合部件常常出现这样的问题是带有集线器的键盘还是带有键盘的集线器答案是带有键盘的集线器因此要了解位于集线器后的键盘需要提供集线器支持幸好框架代码包含对集线器的支持。

　　以下章节将介绍框架和某些框架操作示例以及如何将其与应用代码接口。

　　框架概述

　　EZ-Host框架包含所有实现USB主机功能所必需的固件其中包含任务时序设备列举带宽分配以及功率管理。

　　另一方面应用程序是固件控制专用USB设备并将其数据传递给最终应用。

　　框架的核心是TD处理器TD处理器的运作基于称作“任务描述器”(TD)的数据结构使用其信息与USB硬件尤其是“串行接口引擎”(SIE)进行通信需要注意的是每个SIE控制两个端口而且每个SIE具有一个TD处理器。

　　EZ-Host框架使用了多种数据结构实现来其操作这些结构包括TD和USB“请求模块”(URB)。

　　任务描述器是传递给硬件的数据结构包含特定硬件接口如SIE的数据字段端口编号终点数收发数据缓冲器长度数据包ID编码以及URB结构指示器。

　　URB包含TD所需的逻辑信息该逻辑信息包括USB设备缓冲器安装软件包以及USB设备结构指示器。

　　在进行USB事务处理时URB含有事务处理分配及其装入的数据结构而后URB提交给TD处理器TD处理器将URB加入TD列表空闲时TD处理器处理TD列表安排传输时序并将设定好的TD传送给EZ-Host硬件进行处理。

图1所示为基本的USB控制传输该图表为TD处理器处理USB传输的示例

　　为了执行控制转移可以使用框架函数send_request( )send_request( )函数将分配一个传递给TD处理器的URB结构。

　　URB应该包含有关设置状态的信息并且借助参数传递给send_request( )URB需要如下信息。

　　请求类型 - 表示USB请求类型的字节该字节包含表示传输方向传输类型以及传输接受者的位

　　请求 - 11种标准USB请求之一这些请求包括

　　Clear_FeatureGet_ConfigurationGet_DescriptorGet
　　_InterfaceGet_StatusSet_AddressSet_ConfigurationSet
　　_DescriptorSet_FeatureSet_InterfaceSynch_Frame

　　值 - 特殊请求字段

　　索引 - 特殊请求字段

　　长度 - 有关数据缓冲器的大小

　　一旦载入用于URB的设置信息便可将其它设备信息装入URB如地址速度终点数以及传输方向还有表示传输类型的字节和“回调”函数指示器使用回调函数可以在框架内进行某些并行操作可在硬件处理USB操作的同时执行其它任务TD需要USB传输类型信息这样框架可以安排正确的传输类型的时序同样地与批量或中断传输相反框架一次只允许进行一个控制传输操作。

　　装入所有的URB信息之后将URB提交给TD处理器TD处理器是框架的组成部分它与硬件直接通信处理有关传输的低级详细资料TD完成任务后TD处理器将项目控制转换为原始调用指定的“回调”函数转换为 send_request( ) 函数 。

　　以下的图3所示为调用带回调函数的send_request( )在此例中我们使用控制传输以获得某键盘的国家代码在get_country_code( )函数中可看到send_request( )的调用注意send_request( )调用中的最后一个参数是回调函数在TD处理器确定硬件完成此次处理后执行该函数这种情况下回调函数将获得返回的数据缓冲器将其与HID描述器结构相匹配并存取与国家代码相对应的字节此后URB被释放。 

　　EZ-Host框架值得注意的最后一个特点是设备驱动程序的使用在执行过程中设备驱动程序将执行三个功能停止启动和运行启动某设备驱动程序时便是运行它的run( )函数该函数对某些数值进行初始化并分配一个用于数据传输的重现URB对于鼠标或键盘该URB将每隔10毫秒发生一次数据传输完成后TD处理器将控制转换为 interrupt_in_complete( )函数通过检查URB可以得知数据是来自键盘还是来自鼠标这种回调函数负责将键盘或鼠标数据发送至应用层面以下是用于数据传输的回调函数示例。

　　当某驱动程序停止时其重现URB从TD列表中除去并释放此外消息传送至应用层面除去相关的设备如果与停止驱动程序相关的设备是集线器则与该集线器相连的所有设备也被移除并且其驱动程序停止当然如果这些移除的设备中有集线器则与该集线器相连的设备将以同样方式移除。