基于mClinux的嵌入式USB接口设计

引言
越来越多的嵌入式设备与外部连接要求更简洁、方便、智能化，所以，USB接口在嵌入式设备中的应用会越来越广泛。本文是“信息家电网络控制平台技术”项目中USB接口的实际设计部分。在该项目中，硬件平台采用了S3C4510B微处理器，软件系统是在mClinux下开发的，项目结题后，组建了USB总线的家居网络系统，实现了信息家电的上网。本文介绍了该嵌入式系统设计中的USB模块软硬件设计。

USB接口硬件设计
S3C4510B没有内置的USB控制器，但提供了两个GDMA通道，可以满足USB高速数据传递的要求。本着与S3C4510B能衔接工作、自身适合在嵌入式设备中应用的原则，确定采用ISP1581高速USB接口芯片。　
ISP1581概述和设计分析
ISP1581是一款低功耗、功能强的高速USB接口器件，它完全符合USB 2.0 规范，并为基于微控制器或微处理器的系统提供了高速USB通信能力。ISP1581支持高速USB系统的自动检测，内部通用DMA 模块使得数据流很方便地集成。另外，多种结构的DMA模块实现了海量存储的应用。这种实现USB 接口的标准组件使得使用者可以结合微控制器，通过使用已有的结构和减少固件上的投资，从而用最快捷的方法实现了最经济的USB外设解决方案。此外，ISP1581可理想地用于许多嵌入式外设，例如打印机、扫描仪、DVD 和数码相机等等。
ISP1581与S3C4510B电路的设计实现
了解了芯片引脚的使用方法，则可以设计出它和S3C4510B的连接电路，如图1所示。
USB接口电路如图2所示。在该图中，1.5kW的电阻要求较高，阻值范围必须是1.5kW±5%内。
采用12MHz的晶振，以便与S3C4510B的晶振相匹配，电容的值一般为20pF左右，以使晶振更好地起振和消噪。
此外，设计印制电路板时要考虑减小信号之间的交叉干扰、电源干扰，降低噪声对电路的影响，提高整个系统的可靠性。在本系统的电路板上，晶体振荡电路对噪声比较敏感，因此在设计这部分电路时特别注意使晶振电阻、电容等相关器件与微控制器尽可能靠近。在布线时，使这部分电路的信号线不与其他任何信号线交叉。此外还采用了一些常规的降低噪声和干扰影响的手段，包括尽可能增加地线和电源线的宽度，使用去耦电容，以及尽量减小元器件引脚长度等等。

USB接口软件设计
USB系统有三个基本组件：主控制器驱动程序HCD、USB驱动程序USBD和主机软件。在嵌入式操作系统中，USB驱动程序和操作系统内核的框图如图3所示，其中USB类驱动程序可以分别驱动两种类型的控制器UHCI和OHCI。当PCI枚举器发现USB主机控制器后，就会装入相关的驱动程序。在此基础上开发驱动程序，实际上就是USB功能驱动程序，即是控制一个给定的功能设备。本项目中的信息家电组网，是用USB总线组建的家居网络，连接到USB设备的每一种类型的功能单元都必须要有功能驱动程序。
ISP1581为微控制器接口提供了灵活的配置，在设计中采用了直接存储器存取(DMA)方式。由于USB设备通过快速DMA方式来读写数据，因此在此作为字符设备进行处理。
在mClinux系统内核中有USB子系统，它的作用是提供支持USB设备驱动程序的API和USB的主机驱动程序。它提供了许多数据结构、宏定义和功能函数来对硬件或设备进行支持。在mClinux下编写USB设备的驱动程序，从严格意义上讲，就是使用这些USB核心的子系统定义的数据结构、宏和函数来编写数据的处理功能。
一般来说，在mClinux环境中编写USB分为如下几个部分。
向系统注册和注销驱动子程序
在mClinux系统里，通过调用register_chrdev向系统注册字符型设备驱动程序。还需定义一个__init usbdriver_init(void)的注册函数，如下：
int __init usbdriver_init(void)
{        int     rc;
rc = register_chrdev(usbdevice _Major, "usbdevice", &usbdriver_fops);
        if (rc < 0) {
   printk(KERN_WARNING "usbdevice: can't get Major %d ",usbdevice_Major);
                return rc;    }     
        return 0;  }  
中断服务子程序
中断服务子程序完成对数据的处理，主要包括读、写等操作，这些操作都是通过数据结构file_operations中的open、write、close、read等命令进行的。系统通过调用request_irq函数来申请中断，通过free_irq来释放中断。为防止其他中断的干扰，用save_flags(flags) cli()来关闭中断，相关处理完毕，用restore_flags(flags) sti()来恢复。其中，填充驱动程序子函数集struct file_operation结构如下：
struct file_operations {  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
　 ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
   ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
   int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
   unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);   
　 int (*open) (struct inode *, struct file *);
     int (*release) (struct inode *, struct file *);
     int (*fsync) (struct file *, struct dentry *);}
I/O服务子程序
通过已注册在系统/dev目录下的设备文件，把设备映射为一个特别文件，其它程序使用这个设备的时候，只要对此特别文件进行I/O操作就可以了。当用户调用时，因为进程的运行状态由用户态变为核心态，地址空间也变为核心地址空间。此时，read、write中参数buf指向用户程序的私有地址空间，所以不能直接访问，必须通过memcpy_fromfs、memcpy_tofs系统函数来访问用户程序的私有地址空间。

结语
鉴于USB的诸多优点和灵活的数据传输方式，嵌入式USB设备必将在信息家电、工控等领域得到更广阔的应用。本文从硬件接口设计和驱动程序编写两个方面对嵌入式设备中USB的设计做了简要的介绍，研究成果已经用在基于USB总线的智能家居网络中，测试结果表明该接口运行正常，数据传输等各方面均达到了技术标准要求

参考文献:

[1]. S3C4510B datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/S3C4510B.html.
[2]. ISP1581 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ISP1581_410269.html.
[3]. PCI datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.
[4]萧世文. USB2.0硬件设计. 清华大学出版社，2002.10
[5] 广州周立功单片机发展有限公司. ISP1581：高速接口器件.