嵌入式系统/ARM技术中的USB主控制器的设计和实现
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2020-10-21
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的技术中的USB主控制器的设计和实现主控制器的设计和实现
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。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。 USB是一种灵活的高速接口技术，可以替代计算机中原来的串行口和并行口，但灵活性高也意味
着更加复杂，使得USB设计，调试以及设计完成后的验证都比较困难。本文首先对USB规范做一简
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。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。
USB是一种灵活的高速接口技术，可以替代计算机中原来的串行口和并行口，但灵活性高也意味着更加复杂，使得USB
设计，调试以及设计完成后的验证都比较困难。本文首先对USB规范做一简要介绍，然后详细讨论USB产品在调试与规范验
证方面的一些实用技巧。
通用串行总线（USB）是一种很流行的接口，可用于那些与个人计算机进行通信的设备。近年来，所有新PC机和Mac机
都支持USB技术，这种接口有足够的灵活性，既可用于驱动器和键盘之类的普通外围设备，也可用于定制按特殊用途设计的
外设。此外USB还有一些对用户和开发人员都很有吸引力的特性，如从总线向设备提供电源、易于通过集线器进行总线扩
展，以及主计算机对设备能自动识别等等。
1 高速高速USB硬件接口设计硬件接口设计
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，大大地提升了系统的处理性能，并且功耗很低，价格实惠此
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 高速高速USB软件驱动实现软件驱动实现
2.1 Linux系统中系统中USB驱动结构驱动结构
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。
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