基於ARM的嵌入式的USB介面設計

基於ARM的嵌入式的USB介面設計
隨著嵌入式系統的廣泛應用，各種小型終端需要開發出與外界聯繫的USB介面。目前，常用的技術有兩種。基於單片機的USB介面，特點是需要外置晶元，電路複雜，留下的CPU資源不多；基於ARM的USB介面，特點是資源豐富，但ARM系列產品較多，如果選型不當，還需要搭接較多的外圍電路，且不能很好地發揮CPU性能。
USB(Universal Serial Bus)是通用串列匯流排的縮寫，因其具有方便易用，動態分配帶寬，容錯性優越和高性價比等特點，現已成為計算機的主流介面。
該設計採用三星公司ARM9核的S3C2440A晶元作為CPU，因為該晶元內部集成了控制USB的所有部件，外圍電路簡單，易於實現。
1 S3C2440A特點
S3C2440A的CPU部分主要集成了電源模塊、複位和時鐘模塊、觸摸屏和小鍵盤模塊、程序存儲器和數據存儲器模塊。同時提供如下豐富的外圍介面：同步存儲器(SDRAM)和NAND FLASH控制介面，可擴展到1 GB的存儲的空間；4個DMA通道和24個中斷埠；能控制STN LCD和TFT液晶屏顯示，支持觸摸屏功；USB介面A型和B型各一個；3個串列口、I2C，SPI，I2S等介面；帶AC97音頻介面；具備SD卡、數碼相機介面和網路介面。

S3C2440A還具備多種工作模式，管腳為17×17方型分佈，橫向從左1到右17編號，縱向從下A到上U編號，分類為A1～A17，B1～B17， C1～C17依此類推到U1～U17。這些管腳所對應的功能並不是惟一的，通常只要使能變化，S3C2440A就能實現不同的控制功能。該設計涉及到的 S3C2440A，其管腳如表1所示分為3類。

2．2 串口電路
串口在該設計中的作用是通過計算機載入USB驅動程序，原理如圖2所示。

2．3 電源電路
由於S3C2440A晶元的管腳對電壓提出了不同要求，所以需要完成電源的變壓，其原理如圖3所示。

3 驅動程序的研究
按USB介面，其設備結構可分為USB Host(主機)和USB Device(外部設備)。USB主機控制USB設備進行通信，而主機與主機之間，或USB設備與USB設備之間是不能通信的。
3．1 USB主機
USB主機的功能通常包含以下幾個部分：驗證USB設備是否安插好或拔除；控制USB主機與設備兩者中的數據流；返回USB主機的所顯狀態。
USB系統軟體由以下3個部分組成：主機控制器驅動(HCD)、USB驅動(USBD)、主機軟體(Host Software)。主機控制器所具備的功能如表2所示。HCD和USBD包含基於不同抽象層次的軟體介面，兩者以一定的方式協同完成任務，用以實現 USB系統的功能。它們的任務差別沒有具體定義，然而HCD要具備的一項功能就是必須支持多種不同主機控制器晶元。在一些操作系統中，當系統必須實現某些基本功能時，可由Host Software實現。

3．2 USB傳輸類型
USB定義了4種傳送類型：控制傳送、同步傳送、中斷傳送、批傳送。其中，控制傳送是指可靠的、非周期性的、突發的，並由主機客戶軟體所發起的通信，主要應用於控制命令和狀態信息的傳送；同步傳送是指在主機和設備之間周期性的、連續的通信，一般用於傳送時實信息，這種類型保留了將時間概念包含於數據的能力，但傳送並不一定很緊急；中斷傳送是指少量數據的、低速的、周期的傳送；批傳送是指非周期的、大量的、可靠的傳送，其典型應用在於傳送那些可以利用帶寬的數據。
3．3 USB設備請求
USB設備應通過預設控制管道(Default Control Pipe)響應來自主機的請求命令。這些請求是通過使用控制傳輸來完成的。請求及請求的參數通過Setup包發向設備，由主機負責設置Setup包內的每個域的值。USB設備請求包含的請求類型有三種：標準、廠商和設備類。標準請求用來完成設備的枚舉過程；廠商請求用來完成使用者自己定義的請求；設備類請求指的是某些特定的USB設備類所傳輸出的請求，例如印表機類就屬於這一類。設備請求要求有嚴格的定義，包含的內容有類型、設備請求、值、索引和長度。
3．4 USB驅動程序結構
S3C2440A晶元支持USB1．1協議和USB 2．0協議。該設計是針對USB Host(主機，A型)，並基於USB 1．1協議編寫的。程序結構和數據傳輸的流向如圖4所示。

驅動程序的編寫主要分為以下幾個部分考慮：硬體提取層、中斷服務程序、標準設備請求和主循環。硬體提取層實現的是S3C2440A對I／O埠直接的讀寫操作；中斷服務程序處理各種中斷，包括匯流排任務上的請求；標準設備請求完成主機送來的各種標準請求，用於完成各種枚舉請求；而主循環則負責完成前台的數據採集等工作，所有的任務結束后都要回到主循環上去。
4 結 語
該設計採用三星公司ARM9的S3C2440A晶元作為CPU，比原來基於單片機的模式，外圍電路簡單，容易可靠地實現嵌入式終端的USB介面功能。在調試中，用到的嵌入式開發板GEC2440A套件還提供了串口工具DNW。用這一工具可以檢測驅動程序的正確與否，如：程序編寫無誤，則DNW串口會提示 “USB IS CONNECT”。由於S3C2440A晶元功能豐富，如處理器可提高運算速度，LCD可人機交互，網口可連接網際網路，所以開發出的嵌入式終端不但可提升整體性能，還為日後的應用奠定了基礎。