32 位ARM 嵌入式系統擴展USB 介面設計

    常用的主機與嵌入式外設的高速通信介面有LPT 并行口、USB、1394 及10/100M 乙太網等介面。RS232 不適合高速數據傳送，1394 介面需要專門的適配器介面成本過高，一般較少使用，USB 介面被廣泛用於高、中、低不同速度設備與主機通信，USB2.0 的最高速度可達480Mb/s, 可傳送高清晰數字視頻碼流，完全可以替代1394 介面，USB 與乙太網介面相比，採用主從結構，有即插即用特性，驅動程序豐富，互操作性好等優點。
    USB（Universal Serial Bus，通用串列匯流排）介面是1994 年Intel、Microsoft 等多家公司聯合推出的計算機外設互連匯流排協議。USB 介面支持1.5Mb/s、12Mb/s 和480Mb/s 的數據傳輸速率，支持控制、中斷、批量與實時4 種數據傳輸模式，讓外圍設備可以有彈性的選擇。不管是交換少量或是大量的數據，還是有無時效的限制，都有合適的傳輸類型。USB的實時同步數據傳輸模式適合於高速實時音視頻數據流的傳送。
    基於ARM（Advanced RISC Machines）處理器的32 位嵌入系統具有極高運算速度和大容量的數據處理能力，常需要設計高速介面與其他設備通信，為此本文討論基於S3C44B0XARM7 處理器的嵌入式統擴展USB 介面（設備端）的技術方案。

1 USB 介面原理
    USB1.1 規範將USB 分為5 部分：控制器、控制器驅動程序、USB 晶元驅動程序、USB設備以及針對不同USB 設備的客戶端驅動程序。
(1) 控制器（Host Controller）主要負責執行由控制器驅動程序發出的命令。
(2) 控制器驅動程序（Host Controller Driver）, 在控制器與USB 設備間建立通信管道（Pipe）。
(3) USB 驅動程序（USB Driver），提供對不同USB 設備及晶元的支持。
(4) USB 設備（USB Device）, 有兩類USB 設備：一類稱為功能設備（Function），另一類是稱為USB 集線器（HUB）,可以連接多個USB 設備。
(5) USB 設備驅動程序（Client Driver Software）及特定應用程序。
 
    主控制器的驅動軟體由操作系統支持，USB 設備開發人員一般只需編寫客戶驅動程序，實現特定功能，設備端所有功能軟體需要全面設計。
    USB 的四種數據傳輸模式分別是：控制型傳輸、中斷型傳輸、批量型傳輸、實時型傳輸。第一種在預設通道中傳輸USB 介面本身的配置等控制信息，後面三種用於功能部件傳輸數據。中斷型用於鍵盤等的非同步輸入輸出少量數據傳輸，批量傳輸主要用於象硬碟等塊設備的數據傳輸，在中斷和批量的傳輸過程中要傳遞交互握手信號，確保數據準確無誤。
    實時傳輸對帶寬有嚴格要求，但允許有一定誤碼，省去了交互握手信號的傳遞，常用於音視頻碼流數據傳輸。四種類型數據都按帶寬要求分配在1ms 一幀的數據幀內進行傳輸，USB1.0 實時傳輸可得到的最大帶寬10.24Mbps。

2 嵌入式系統USB 介面設計
    要滿足高性能ARM嵌入式系統的要求，擴展USB介面必須選擇高性能USB控制器晶元，Philips公司的PDISUBD12 USB器件，是與微處理器配合使用的高性能USB介面器件，性價比很高。PDIUSBD12主要特性有：
(1) 符合USB 1.1 技術規範；
(2) USB控制器并行介面與處理器間的數據傳輸速度高達2M 位元組/秒；
(3) 在批量模式和同步模式下均可實現1M 位元組/秒的數據傳輸速率；
(4) 集成了FIFO存儲收發器，支持DMA 操作；
(5) 內置時鐘倍頻PLL電路，可編程時鐘頻率輸出；
(6) 多中斷模式實現批量和同步傳輸；
    採用PDIUSBD12 USB標準組件與S3C44B0X介面，減小了開發的時間、風險以及費用，是最快捷、最經濟的方法實現ARM嵌入式系統擴展USB的解決方案之一。PDIUSBD12與S3C44B0X ARM7處理器的電路圖見圖2。因ARM7用存儲器影射方法擴展I/O介面，一般按16bit方式定址，所以U2的A0連到U1的Addr1引腳, 片選信號nGCS1的基地址是0x0200_0000。
 

3 ARM 端USB 設備程序
    設備端程序主要完成：ARM BIOS 和ucLinux 的載入、啟動通信進程、USB 控制器初始化、響應主控制器標準PnP 及其他命令、建立USB 端點（End point）邏輯通道、數據傳輸操作等功能，圖3 是基於ARM 的USB 設備與PC 間音頻通信的程序功能結構圖。
 
操作USB 晶元的介面函數的宏定義為：
typedef unsigned short int U16 ;
#define pD12_CMD ( ( U16 *) 0x02000002 ) //指向D12 命令寄存器指針
#define pD12_DAT ( ( U16 *) 0x02000000 ) //指向D12 數據寄存器指針
#define D12WriteCmd( data ) (*p D12_CMD = (U16)(data) & 0xff )
#define D12WriteData( data ) (* pD12_DAT = (U16)(data) & 0xff )
#define D12ReadData() (* pD12_DAT & 0xff )

4 音頻碼流USB 設備驅動程序
    Windows2000 中各種USB 設備客戶驅動程序結構框架基本相同，可以從Windows2000DDK 中獲得USB 設備驅動程序範例代碼，對範例代碼作少量修改就可以滿足特定功能需要。圖1 顯示了驅動程序各層間的數據傳遞關係，底層USB 主控制器驅動程序（USB Host Driver）由操作系統提供支持，設備驅動程序只需要對USB Host Driver 上傳的I/O 數據包IRP 作出響應，並把要輸出數據以IRP 形式下傳給USB Host Driver 即可。
    在ISO（實時型）模式下傳輸音頻碼流，USB 客戶程序除了WDM(Windows Driver Model)驅動常規處理外，必須計算好帶寬，並為驅動程序在非分頁存儲區內分配好環行緩衝區（Ringbuffer），以便USB 主控制器可以不間斷輸出實時數據。RingBuffer 的大小按下式
計算：
每幀位元組數 × 每緩衝幀數 × 緩衝區數 ；
    每傳完一緩衝區，USB Host Driver 回調（CallBack）一次客戶驅動程序，USB 帶寬按每1ms 傳送1 幀數據來分配，要實現8kHz 採樣頻率、8bits 編碼的音頻PCM 碼流傳輸，幀數據包大小必須設為8Bytes，若設置4 個緩衝區交替工作，每緩衝區分20 幀傳送, 則RingBuffer 的大小為640Bytes，那麼USB 主控制器每20ms 的頻率中斷回調一次客戶驅動程序是合適的。
    驅動程序通過IoSetCompletionRoutine()函數給每個IRP 設置回調函數入口地址，每完成一個IRP 緩衝區數據傳送操作，回調一次該地址指向的函數，以便把下一緩衝包數據壓入到IRP 棧，直到全部數據流傳送完畢或人為終止傳送。

5 結束語
    擴展USB 介面，大幅提升了32 位ARM 嵌入式系統數據通信的吞吐能力，有即插即用特性和多種數據傳輸模式，方案適合於嵌入式系統的多種應用。文章具體闡述了方案硬體、軟體設計的關鍵問題，並討論了如何分配USB 匯流排帶寬，實現恆速音頻PCM 碼流傳送，實驗結果表明該方案能流暢地接收Windows2000 通過USB 介面輸出話音編碼信號，方案可行，具有較高參考價值。