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1 引言 通用串行總線(Universal Serial Bus，即USB)是一種新型的高速串行總線，作為一種快速、靈活的總線接口，已經(jīng)在電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。同時人們對USB的期望也越來越高，希望USB能應(yīng)用在各種計算機(jī)領(lǐng)域中。但是，由于USB通信模型是一種Host/Slave主從式結(jié)構(gòu)，經(jīng)由USB總線進(jìn)行通信的雙方必須有一方在通信控制中擔(dān)當(dāng)主機(jī)，而兩個USB設(shè)備之間則無法直接進(jìn)行基于USB的數(shù)據(jù)交換。這就大大限制了USB在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用。 ARM(Advanced RISe Machine)作為一種低功耗、高性能的32位嵌入式微處理器，在中高端嵌入式設(shè)備開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用。有些ARM芯片的生產(chǎn)廠商在以ARM為內(nèi)核的微處理器中集成了USB主機(jī)控制器，但是，更多的ARM處理器是不帶USB主機(jī)功能的。解決這一問題的方法就是在需要使用USB設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中外擴(kuò)一片USB主機(jī)控制器芯片，使之具有與USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α１驹O(shè)計考慮設(shè)計一種USB主、從機(jī)一體化的外部擴(kuò)展模塊，通過簡單地改變跳線，使得ARM核心的嵌入式設(shè)備既可作為USB主機(jī)，又可以作為USB從機(jī)。 2 總體設(shè)計 由于目前USB從機(jī)的硬件及軟件方面的開發(fā)已經(jīng)比較成熟，可以直接使用現(xiàn)有的資源，所以本設(shè)計主要討論USB主機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)任務(wù)是ARM核心板能夠讀寫外接USB設(shè)備，這里選擇最常用的u盤，實(shí)現(xiàn)讀、寫u盤數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)分為ARM核心板和SL81 1HST擴(kuò)展板兩大部分。核心板是一個由ARM7微處理器、FLASH、SDRAM、JTAG口和串口組成的最小系統(tǒng)。ARM處理器選用的是三星公司的S3C44BOX，這是一款基于RM7TDMI內(nèi)核的微處理器．具有低功耗、高性能的特點(diǎn)。FLASH用來存放ucLinux操作系統(tǒng)和一些十分重要的數(shù)據(jù)，SDRAM則是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)，JTAG口和串口用于下載和調(diào)試。擴(kuò)展板主要由USB主控芯片及其外圍電路和USB主、從接口構(gòu)成。USB主控制芯片選用的是Cypress公司的SL81 lHST，這是一款雙功能的控制芯片，通過設(shè)置開關(guān)既可以用來做主機(jī)又可以做從機(jī)。USB接口分為主機(jī)接口和從機(jī)接口，與主控芯片功能配套。 3 硬件電路 FIash存儲器是一種可在系統(tǒng)進(jìn)行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。常用的Flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3V。系統(tǒng)中選用一片16位的Flash存儲器SST39VF1601，單片存儲容量2M，用于存放操作系統(tǒng)和程序代碼，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此獲得第一條指令并開始執(zhí)行，因此，應(yīng)將FIash存儲器配置到BANK0，即將S3C44BOX的nGCS<0>接到其片選引腳CE#端；將S3CA4BOX的OM[l：0]置為10，選擇BANK0為16位工作方式。 與Flash存儲器不同，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，因此，它在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都存放在其中。系統(tǒng)中選用一片HY57V641620HG，它的存儲容量為8M，工作電壓為3.3V，16位數(shù)據(jù)寬度。1620的CS與$3C44BOX的nGCS6連接。 JTAG接口主要是用來實(shí)現(xiàn)芯片的嵌入式調(diào)試及在系統(tǒng)編程的功能，如對Flash器件進(jìn)行編程等。串口的主要作用是向計算機(jī)傳輸信息，這些信息可以在計算機(jī)的超級終端上顯示，以便于調(diào)試程序時監(jiān)測程序的內(nèi)部變量值；在ucLinux操作系統(tǒng)運(yùn)行時，串口將用來顯示它的啟動信息和運(yùn)行狀態(tài)，向操作系統(tǒng)發(fā)送命令對其進(jìn)行控制也需要通過串口來完成。 ARM核心板的硬件組成如圖1所示： 
圖1 ARM核心板的構(gòu)成 Cypress公司的SL811HST芯片是一款嵌入式的USB主機(jī)/從機(jī)控制器，它的雙功能端口既可作為USB主機(jī)又可作為從機(jī)來支持全速或低速的USB器件，能夠與單片機(jī)、DSP和ARM等實(shí)現(xiàn)無縫接口。數(shù)據(jù)線為8位，只需要9根線用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，16個內(nèi)部寄存器，可以對USB Host進(jìn)行充分的控制。內(nèi)部多達(dá)256字節(jié)的RAM，為USB傳輸建立了足夠的緩沖區(qū)。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：通過其M／S引腳對主／從模式方便的進(jìn)行選擇；提供全速和低速2種USB總線速度方式；硬件自動產(chǎn)生幀起始包SOF和CRC5／16校驗(yàn)；片上集成了接口引擎(SIE)、單端口根Hub、USB收發(fā)器和256B的SRAM，其中0x00一0x0F共16個字節(jié)是寄存器區(qū)，其余的240B是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。SL811HS只有一根地址線A0。A0=1用于設(shè)定偏移量，A0=0用于讀寫數(shù)據(jù)。讀寫數(shù)據(jù)應(yīng)該首先指定偏移量，然后實(shí)現(xiàn)讀取時序。A0與ARM的ADDRO相連。nCS和ARM的nGCS2相連。即把SL81lHST分配到ARM的外部I/O口02。 SL811HST與S3C44BOX的連接如圖2所示：
圖2 SL811HST與S3C44BOX連接圖 4 軟件系統(tǒng) 本設(shè)計的軟件系統(tǒng)是在Linux環(huán)境下編寫調(diào)試運(yùn)行的，前期工作為下載ucLinux內(nèi)核包，打補(bǔ)丁包等。ucLinux是專門針對如ARM7這類無MMU的CPU而設(shè)計的，它主要由以下幾個部分構(gòu)成：BootLoader、內(nèi)核初始化、系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)脯獲函數(shù)、設(shè)備驅(qū)動和文件系統(tǒng)。其中BootLoader被用來初始化系統(tǒng)板上的硬件資源，必須根據(jù)系統(tǒng)板上不同的硬件資源進(jìn)行相應(yīng)的配置。本系統(tǒng)中主要是更改了FLASH和SDRAM的容量及數(shù)據(jù)寬度，開啟了外部I/O口2并設(shè)定為8位數(shù)據(jù)寬度以用來配置SL811HST，并把它的基地址設(shè)定為0x012000000完成對源代碼的修改之后就可以進(jìn)行內(nèi)核的編譯。編譯是在裝有Linux及所需的交叉編譯工具鏈的計算機(jī)上來進(jìn)行的，編澤生成的image，ram文件可以下載到SDRAM中直接運(yùn)行，image．rom文件可以燒寫到FLASH中，系統(tǒng)上電或重啟后，將從FLASH的0x0地址處開始執(zhí)行。對硬件資源進(jìn)行初始化后進(jìn)入ucLinux。 從Linux2.4內(nèi)核以后，Linux的設(shè)備驅(qū)動中加入了對USB的支持，ucLinux也秉承了這一特點(diǎn)。本設(shè)計采用內(nèi)核編譯的方式加載USB驅(qū)動，將驅(qū)動程序的源代碼加進(jìn)ucLinux系統(tǒng)內(nèi)核，編譯移植到嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動后將自動加載驅(qū)動。 編澤過程如下： 1：在ucLinux內(nèi)核的USB驅(qū)動目錄中添加如下三個文件： s1811h-usb.C、s1811h.h、s181 lhusb.ho； 2：編輯／uclinux-s2cev40／linux-2.4.x／drivers／usb／config．in文件。修改這個文件的內(nèi)容加入對SL811HST的描述語句：
6：執(zhí)行make xconfig，用戶內(nèi)核設(shè)置選擇y； 7：執(zhí)行make dep； 8：執(zhí)行make。 USB設(shè)備驅(qū)動程序被編譯進(jìn)ucLinux內(nèi)核，包含在image．bin文件中。在系統(tǒng)啟動時，USB設(shè)備驅(qū)動就自動執(zhí)行了。 5 總結(jié) 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：巧妙利用ucLinux內(nèi)核模塊，簡化開發(fā)過程，節(jié)約成本。 本設(shè)計以uclinux嵌入式操作系統(tǒng)為平臺，充分發(fā)揮了SL811HST芯片的Host/Slave兩種模式的作用，整套系統(tǒng)上電運(yùn)行結(jié)果證明。本系統(tǒng)設(shè)計能夠順利的讀寫u盤數(shù)據(jù)，并且達(dá)到USBI.1的全速。此系統(tǒng)價格低廉，實(shí)現(xiàn)簡單有效。為嵌入式系統(tǒng)添加USB主機(jī)接口，使得USB能應(yīng)用在沒有PC的領(lǐng)域中，真正實(shí)現(xiàn)USB點(diǎn)對點(diǎn)的通訊。在需要野外大量采集記錄數(shù)據(jù)的場合，如勘測，氣象等領(lǐng)域，嵌入式USB主機(jī)方便攜帶；在需要遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)的場合，在USB設(shè)備上增加無線網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)就可以實(shí)時傳送，等等。 本設(shè)計如應(yīng)用于中等規(guī)模的電子公司，估計每年可節(jié)約成本100萬元以上。 作者：劉佩鋒 來源：《微計算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第7-2期 |
