嵌入式Linux下高速USB主控制器的设计与实现

摘要：针对现有嵌入式Linux系统下USB读／写速度慢的问题，结合AT91RM9200处理器的开发实例，介绍一种基于Philips公司的USB接口控制芯片ISP1761来实现低成本高速USB主机控制器的硬件设计方法。在此基础上，给出了驱动程序的设计方案及相应驱动的配置、编译、下载使用等过程。测试表明．其速度达到USB 2．0规范的要求，对嵌入式下低成本USB主控制器的硬件设计和驱动开发有一定的参考价值。
关键词：Linux；驱动程序；USB；ISP1761

    在嵌入式系统的发展历程中，Linux操作系统的源码公开，结构清晰，功能强大，可移植性强等特点使其在嵌入式领域应用越来越广泛。USB接口的热插拔，即插即用，数据传输可靠，扩展方便，成本低等优点使其逐渐成为嵌入式系统的必备接口之一。随着嵌入式系统应用领域的不断扩展，人们对其性能的要求不断提高，特别是USB设备的读写速度受到越来越多的关注。然而。目前多数嵌入式系统仅支持基础的USB低速或全速外设，不能满足人们对高速数据传输的要求。为此，基于AT91RM9200平台完成了高速USB的硬件设计和Linux操作系统下主机端驱动程序的开发。

1 高速USB硬件接口设计
    目前的嵌入式系统设计中，USB接口的外扩主要采用微处理器芯片自带的USB控制器，一般只支持低速和全速协议，无法实现高速数据传输。该设计采用AT91RM9200处理器外扩ISP1761 USB控制器方案，解决了嵌入式系统下USB设备的传输速度问题。其USB硬件接口部分电路如图1所示。

    AT91RM9200是Atmel公司一款基于ARM920T内核的微型处理器。它有丰富的系统与应用外设及标准接口，时钟频率可达180 MHz，并且具有低功耗、低成本、高性能，在嵌入式系统中应用广泛。ISP1761是Philips公司开发的一款高速USB On The Go(OTG)控制器，芯片内集成了64 KB的高速缓冲，单次处理数据达32 KB，极大地提升了系统的处理性能，并且功耗很低，其内部集成了Slave主机控制器和外设控制器。此外，ISP761还有可配置的32 b／16 b异步CPU接口，该设计ISP1761外部数据总线设置为16 b模式。

   处理器AT91RM9200与外扩USB控制器的连接如图1所示。其中，A[17∶1]为地址线；DATA[15∶0]为数据线；WR_N为读使能；RD_N为写使能；CS_N片选信号采用NCS2；AT9lRM9200的中断源1分配给ISP1761作为其中断信号。处理器和ISP1761之间的数据传输通过中断方式实现，当USB接口有中断产生时，处理器的中断服务程序通过读取ISP1761的中断寄存器判断中断来源，从而执行相应的读／写操作。

2 高速USB软件驱动实现
2．1 Linux系统中USB驱动结构
    USB内核模块是Linux系统中USB子系统的核心模块，它为USB驱动(设备和主控制器)提供了一个统一的接口，以访问和控制USB硬件。
    如图2所示，应用程序发出的USB请求块(URB)经过上层的USB设备驱动和USB内核后到达USB主控制器。处于最底层USB主控制器的驱动(HCD)是USB主机直接与硬件交互的软件模块，它将解析URB后，再将数据发送到指定的USB设备上。

2．2 ISP1761主控制器驱动的实现
    图3为ISP1761与操作系统相连接的接口框图。图5中，ISP1761要完成操作系统与USB设备的通信。驱动部分主要分两个层次：ISP1761硬件抽象层(HAL)和主控制器驱动(HCD)层。前者，通过GPIO接口和操作系统平台的相关函数来完成访问ISP1761硬件的功能；后者，主要实现将数据传输给连接的USB设备，并管理根集中器端口的功能。

    因此，该设计的软件驱动部分主要由以下两个层次来完成USB主机端的驱动功能。
    (1)ISP1761的HAL层。首先初始化设备结构，并添加设备到系统的设备层。其中，初始化部分主要完成ISP1761资源(如内存、中断等)的初始化设置和AT91RM9200处理器的初始化设置，为后期注册驱动程序做准备。如果系统成功添加了设备，在加载和卸载ISP1761主控制器驱动程序到内核时，就会进一步执行平台驱动程序的注册，否则将不能注册驱动程序。一旦注册成功，驱动程序就已经和设备绑定，任何用户态程序要操作此设备都可以通过platform_driver结构所定义的函数进行。下面给出该系统注册的platform_driver结构：

其中，在设备探测和注销等函数中调用了如下一个重要的结构体isp1761_dev。该结构体主要包含了ISP1761设备驱动的基本信息和中断处理例程指针。

    (2)ISP1761的HCD层。Philips公司的ISP1761主控制器芯片遵循EHCI标准。该层在加载和卸载ISP1761主控制器驱动到内核时被调用，主要负责与连接的USB设备进行数据传输，并管理根集中器端口。具体包括主控制器例程、内存管理、根集中器和中心集中器的管理、数据传输等。
    其中，pehci_hcd_urb_enqueue()函数是该部分所要实现的重点函数，主要用于完成将来自USB core层的urb传输请求转换成EHCI可识别的传输描述结构。然后安排到EHCI的periodic schedule list或者asynchronous schedule list的合适位置。当HC完成urb对应的传输后，EHCI HCD通过urb→cornplete()通知USB core对应的传输结果，最终完成通信过程。该函数的原型如下：

3 USB驱动的调试使用
    USB驱动的正常使用必须在内核中正确选择配置，除了默认配置之外，还要添加诸如SCSI设备的支持，VFAT文件格式的支持，新添加ISP1761驱动的支持等。ISP1761的驱动采用模块方式编译，系统启动后，逐层插入驱动模块加载USB主控制器驱动程序到内核。此时，系统插入U盘可成功获得分区，如下所示：

    执行挂载命令mount-t vfat／dev／scsi／host0／busO／target0／lun0／partl／mnt／ usb(前提是已经在／mnt目录下建立了USB目录，并且U盘的格式为win-dows下的vfat)便可成功挂载U盘到指定的目录／mnt／usb下。
    拷贝U盘上的文件到嵌入式系统，经多次测试，速度可达到约100～125 Mb／s，相比传统的嵌入式Linux系统下对USB的支持，速度得到了很好的提高，基本满足高速读／写的要求。

4 结 语
    随着USB接口在嵌入式领域越来越广泛的应用和嵌入式Linux内核的不断扩展，嵌入式Linux内核支持的USB设备和USB主控制器越来越丰富，相应的驱动开发工作也将日益突出。该设计给出了嵌入式Linux系统下高速USB主控制器的硬件设计方案和驱动的实现方法，在提高系统性能的同时，降低了成本，有很好的实际应用价值。同时驱动的模块化结构设计保持了其最大可移植性，对于嵌入式下USB主控制器的驱动开发具有很好的借鉴意义。