摘? 要: 簡單介紹了USB接口技術的原理及其優(yōu)點?;?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)" target="_blank">嵌入式系統(tǒng)與USB設備等不能直接傳輸數(shù)據(jù)及嵌入式系統(tǒng)大容量存儲難等問題的現(xiàn)狀,提出了在嵌入式系統(tǒng)中集成USB Host功能以解決這一問題。
關鍵詞: USB接口; 嵌入式系統(tǒng); USB—Host;SL811HS
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隨著測控技術及嵌入式系統(tǒng)應用的迅速發(fā)展,數(shù)據(jù)量越來越大,對數(shù)據(jù)傳輸速度要求越來越高,并且要求高可靠性、穩(wěn)定性和極好的移動性,能夠方便快捷地將數(shù)據(jù)傳送至處理中心進行處理控制等。而通用串行總線(USB)具有即插即用、熱插拔、易擴展和高傳輸速率等優(yōu)點,人們希望USB能應用在移動數(shù)據(jù)交換等沒有PC機的領域中。而在非PC機應用領域,這正是USB的一個致命弱點。USB的拓撲結(jié)構(gòu)中居于核心地位的是主機(Host),任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)起和控制,所有的USB設備都只能和主機建立連接,任何兩個外設之間或是兩個主機之間都無法直接通信[1]。目前,大量扮演主機角色的是個人電腦(PC),所買到和使用的USB移動設備都是USB的設備,如USB的移動硬盤、USB接口的數(shù)碼相機等等。所有這些設備都只能在PC機上使用,只能通過PC機來進行相互的文件和數(shù)據(jù)交換。沒有PC機,這些設備就“失靈”了(就數(shù)據(jù)交換的功能而言)。因此,USB接口技術在嵌入式領域中的應用就成了USB領域新的研究焦點。解決這一問題的根本辦法就是在嵌入式系統(tǒng)中集成USB Host功能,使之具有與USB Slave設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。具有主機功能的嵌入式設備可讀寫U盤,對于數(shù)據(jù)采集、存儲更加方便,更適合野外設備或長期運行設備的數(shù)據(jù)采集。
1 USB接口硬件設計
1.1 系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)
USB技術規(guī)范將使用USB進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方劃分為兩種角色[2]:Host機和Slave機,并且規(guī)定,數(shù)據(jù)傳輸只能發(fā)生在Host機和Slave機之間。要將實現(xiàn)USB Slave 的USB 接口的數(shù)字設備應用于嵌入式系統(tǒng)中,就要在嵌入式系統(tǒng)中集成USB Host 功能模塊,使之具有與USB Slave 設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?,圖1所示為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。
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1.2 USB Host模塊硬件連接
USB Host 功能模塊硬件連接如圖2所示。CPU選用與MCS-51系列單片機完全兼容的Dalla 8公司的80C320 單片機,而且運行速度在同樣晶振頻率下比80C32平均高2.5倍,最高工作頻率可達33MHz。USB主機接口芯片選用SL811HS。
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1.3 SL811HS
SL811HS[3]是Cypress公司推出的遵從USB1.1協(xié)議的專用于嵌入式系統(tǒng)USB主控制器(Host /Slave)芯片,由主/從控制器模塊、RAM緩存及控制寄存器模塊、串行接口引擎SIE等模塊組成。其中,SIE模塊負責完成USB總線與主機之間數(shù)據(jù)的串、并轉(zhuǎn)換等功能;RAM緩存用于數(shù)據(jù)緩存,它和控制寄存器(占前16B)的空間為00H~FFH,共256B。SL811HS的功能框如圖3所示。
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該芯片既能與USB低速設備進行通信,也能與USB高速設備進行通信[4]。由于提供了8bit 寬數(shù)據(jù)總線及中斷支持,使得該芯片能方便地與一般的單片機、DSP等控制器進行通信,并受到CPU的控制。其特點主要有:能通過硬件設置或軟件設置的方法使該芯片工作在Host或Slave模式;自動探測所連接的設備是低速設備還是高速設備;8bit雙向數(shù)據(jù)總線;片上SIE、USB收發(fā)器;自動產(chǎn)生SOF令牌包,以及自動生成令牌包、數(shù)據(jù)包中所需要的CRC5/CRC16數(shù)據(jù);內(nèi)部256B RAM,支持乒乓操作;支持SUSPEND/RESUME、WAKE UP、LOW-POWER模式。
2 USB接口軟件設計
2.1 接口固件設計
USB Host模塊設計中最困難的就是固件(Firmware)設計,固件編程要遵循復雜的USB規(guī)范,所以比硬件設計工作量大得多。該模塊固件程序主要由如下部分組成:對SL811HS進行設置的初始化程序,這部分程序在系統(tǒng)復位后就立刻執(zhí)行;發(fā)現(xiàn)USB設備接入的子程序,并判斷該設備是高速還是低速設備;對該USB設備進行Enumerate,即枚舉,并指定其USB地址的子程序;其他數(shù)據(jù)通信子程序利用該部分程序完成指定的應用要求[5]。USB傳輸函數(shù)usbXfer程序流程如圖4所示。
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以包為基礎,USB定義的4種數(shù)據(jù)傳輸類型所能達到的傳輸速度、占用USB總線的帶寬、傳輸數(shù)據(jù)的總量和應用場合等都是不同的。每種傳輸方式都由很多個事務來完成。USB事務處理一般由三個階段組成:令牌階段、數(shù)據(jù)階段和握手階段。令牌階段定義了事務處理的類型,包括SETUP、IN 和OUT;數(shù)據(jù)階段負責運送和傳輸相關的數(shù)據(jù),Data0 和Data1兩種數(shù)據(jù)包交替使用,以支持雙方的傳輸同步;握手階段由接收方向發(fā)送方提供反饋,告知數(shù)據(jù)是否正確接收。
在USB Host 模塊中,固件的核心部分是USB傳輸函數(shù)usbXfer。usbXfer管理著USB的事務處理,其入口參數(shù)有:設備地址UsbAddr 、端點地址Endpoint、令牌包類型PID、端點最大負荷Payload、傳輸數(shù)據(jù)總長度Length 、數(shù)據(jù)緩存區(qū)指針Buffer。
USB主機檢測到設備連接好后要對其進行配置,稱為設備的枚舉,該部分固件的核心是設備請求函數(shù)VendorCmd。VendorCmd構(gòu)建在usbXfer函數(shù)之上,通過調(diào)用usbXfer進行若干次的控制傳輸來實現(xiàn)??刂苽鬏?shù)膶崿F(xiàn)是固件程序中一個比較復雜的部分??刂苽鬏斢扇齻€階段組成:建立階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段。建立階段,主機進行SETUP事務處理,向目標設備發(fā)送標準設備請求;數(shù)據(jù)階段,由若干個IN事務處理或OUT事務處理組成;狀態(tài)階段,主機則完成與數(shù)據(jù)階段相反的事務處理,結(jié)束本次控制傳輸。
設備的枚舉過程主要包括以下幾個步驟:(1)主機請求設備控制端點0,以確定缺省管道支持的最大數(shù)據(jù)量;(2)主機給USB設備分配1個唯一的地址;(3)主機從描述符中讀取配置信息并加以執(zhí)行;(4)主機驗證設備所需要的資源是否可以獲得;(5)主機USB設備發(fā)送1個配置值,指出如何使用該設備。枚舉成功后,主機和設備就可根據(jù)設備接口類型,采用相應的接口協(xié)議進行數(shù)據(jù)控制和傳輸。USB設備類型主要劃分為:音頻設備、顯示設備、人機接口、海量存儲器等。特定的設備類型又劃分為若干個子類,它們又有可能采用不同的接口協(xié)議傳輸指令和數(shù)據(jù)。以U盤為例,類代碼08h(海量存儲器類),子類代碼06h(SCSI指令集子類),傳輸協(xié)議50h(Bulk—Only傳輸協(xié)議)。按照這些標準,U盤的操作過程可分為:指令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)三個階段,也就是主機首先向設備Bulk—Out端點寫包含SCSI的指令塊(CBW);然后從Bulk—In讀數(shù)據(jù)或向Bulk—Out端點寫數(shù)據(jù);最后從Bulk—In端點讀取傳輸狀態(tài)(CSW)。通過Mass Storage類的子類命令的實現(xiàn),在建立了FAT文件系統(tǒng)后,該文件系統(tǒng)就可以直接調(diào)用子類命令對U盤進行各種操作,以實現(xiàn)對文件的管理。
2.2? 驅(qū)動程序設計
主機控制器驅(qū)動程序設計主要包括四個部分:主機控制器的初始化和管理、傳輸執(zhí)行和資源的調(diào)配、中斷處理以及根集線器操作和控制。主機控制器為USB總線驅(qū)動屏蔽了硬件操作,完成USB底層數(shù)據(jù)傳輸,它為上層驅(qū)動提供了簡單的軟件接口,定義了usb_ operation函數(shù)結(jié)構(gòu)體供USB總線調(diào)度調(diào)用。
Struct usb_ operations {
int ( * allocate) (struct usb_device * );? ?
???? ??????????????? // 分配USB設備資源
int ( * deallocae) (struct usb_device * );
?????? ????????????? // 收回USB設備資源
int ( * get_frame_number)(struct usb_device * usb_dev);?
????????????????????? // 獲得當前幀號
int ( * submit_urb) (struct urb * purb);
????????????????????? // 提交URB請求塊
int ( * unlink_urb) (struct urb * purb);
????????????????????? // 撤銷URB請求塊
? };
函數(shù)調(diào)用涉及兩個不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變量,其中,usb_device包含了對設備地址、描述表、配置、端點等基本設備信息;urb說明了USB總線請求的基本信息,包括USB通道信息、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、帶寬和完成處理函數(shù)等。USB總線上所有的交易都是由函數(shù)submit_urb( )發(fā)起的。主機控制器驅(qū)動程序基本流程如圖5所示。
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由于USB總線的通用操作如USB設備枚舉、具體數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫呀?jīng)由主機控制器驅(qū)動程序完成了,所以主機端設備驅(qū)動程序這部分的驅(qū)動程序只需要完成與具體設備相關的操作即可。USB設備驅(qū)動程序首先要做的是向Linux內(nèi)核注冊它自己,并告訴系統(tǒng)它所支持的設備類型以及它所支持的操作。這些信息通過usb_driver結(jié)構(gòu)來傳遞。
struct usb_driver usb_storage_driver = {
name:? “usb-storage”,?? ?????? ? // 驅(qū)動程序的名字
probe: storage_probe,?? ??? // 函數(shù)指針
disconnect:? storage_disconnect,?? // 函數(shù)指針
id_table:? storage_usb_ids,???? ?? // 保存設備廠商ID和產(chǎn)品ID
};
usb_device是程序中一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),驅(qū)動程序在設備探測階段可通過它獲得設備的相關配置信息。當一個設備插入USB總線時,主機對設備進行總線枚舉,完成對設備的配置并讀入設備屬性。相關屬性如設備描述符、配置描述符等信息被主機控制器保存在usb_device結(jié)構(gòu)中。然后,內(nèi)核根據(jù)設備標志找到對應的驅(qū)動程序,并調(diào)用該驅(qū)動程序的storage_probe( )函數(shù)。usb_device結(jié)構(gòu)被作為參數(shù)傳入該函數(shù)。驅(qū)動函數(shù)的注冊和注銷都比較簡單,注冊時只需要將usb_storage_driver結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞給usb_register( )函數(shù)即可,usb_register(&usb_storage_driver)注銷類usb_deregister(&usb_storage_driver)、Storage_disconnect( )在設備被卸載時被調(diào)用。
2.3 用戶程序設計
用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口,通過通用驅(qū)動程序來完成對外設的控制和通信。在編寫用戶程序時,首先建立與外設的連接,然后再實施數(shù)據(jù)的傳輸。本設計使用VisualC++6.0編譯環(huán)境,將API函數(shù)包裝成一個USB.DLL連接庫程序文件,其編程方法與串口編程類似:首先查找設備,打開設備的句柄,然后進行讀寫和控制操作,最后關閉設備句柄。在VC動態(tài)鏈接庫中需將以下函數(shù)進行封裝:
__declspec(dllexport)int__stdcall? EzBulk_ DataOut(uns?I gned? char*DataOut,int? DataOutLen);
__declspec(dllexport)int__stdcall? EzBulk_DataIn(unsig ned? char*DataIn,int *lpDataInLen);
__declspec(dllexport)int__stdcall? EzOpenDevice();
__declspec(dllexport)int__stdcall? EzClose Device();
然后在VB中調(diào)用此USB.DLL做以下聲明。這樣就可以直接在VB中調(diào)用這些函數(shù)作相應的開發(fā)了。
Private Declare Function EzInit Lib “USB.DLL” (ByVal PipeIn As Byte, ByVal PipeOut As Byte, ByRef lpVoid As Any)As Long
Private Declare Function EzBulk_ DataOut Lib “USB.DLL”(ByRef DataOut As Byte, ByVal DataOutLen As Long)As Long
Private Declare Function EzBulk_ DataIn Lib “USB.DLL” (ByRef DataIn As Byte, ByRef DataInLen As Long)As Long
有了嵌入式主機后,脫離PC機的數(shù)據(jù)傳輸不再是夢想了。在MP3播放器、數(shù)碼相機里嵌入USB主機模塊,使其由傳統(tǒng)的USB外設成為USB主機。這樣,這些嵌入式的主機就可以直接與移動硬盤、打印機等USB設備相連接,實現(xiàn)特定的功能。例如:江蘇某企業(yè)生產(chǎn)的提花毛皮機控制系統(tǒng)中就實現(xiàn)了USB Host模塊功能,用戶系統(tǒng)可以直接讀寫作為Slave的U盤,將花型準備系統(tǒng)設計的花型以文件的方式存儲到U盤中,在用戶需要時,可讀取U盤中的花型文件進行分析、處理,效果良好。
目前USB主機的研究與應用已得到國內(nèi)外的廣泛重視和迅速發(fā)展,正在推廣使用的USB3.0標準能提供4.8Gb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸性能(USB1.1和USB2.0分別是12Mb/s和480Mb/s),甚至支持光纖連接。這樣其峰值速度就可達到20Gb/s,如此就可實現(xiàn)USB高速組網(wǎng)或廣播電視節(jié)目信號在USB設備上的傳輸。USB3.0標準還可解決因USB2.0供電不足而無法支持大功耗USB移動設備的問題。隨著移動數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展趨勢,提出了USB2.0協(xié)議的補充協(xié)議USB OTG和無線USB傳輸規(guī)范,同時具備主從機功能的高速USB OTG設備和無線USB的應用將是未來開發(fā)者們研究的方向。充分利用USB簡便的特性以及高速數(shù)據(jù)傳輸性能,擴大其支持設備的種類,這將給USB的應用帶來廣闊的市場,也將給人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的便利。
參考文獻
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