基于嵌入式ARM9的USB設(shè)計與實現(xiàn)

王 平,施文灶,黃 晞,江華麗

摘 要:從電路設(shè)計到程序調(diào)試,全方位地研究開發(fā)了一種基于嵌入式的通用USB接口。選用ARM9的S3C2440A芯片作為CPU,因為該芯片內(nèi)部集成了控制USB的全部部件,所以只需附加簡單的電源變換等外圍電路即可完成硬件設(shè)計,再通過串口加載和調(diào)試USB的驅(qū)動程序,實現(xiàn)嵌入式終端的USB接口功能。測試表明,該接口可以穩(wěn)定可靠地自動掛載U盤以及準確交換數(shù)據(jù)。采用基于S3C2440A芯片的USB接口方案具有外圍電路簡單和運行可靠的特點,從而提升了嵌入式終端的整體性能,為日后的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:USB;嵌入式;ARM9;S3C2440A

中圖分類號:TP319文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)12-033-03

Design and Realization of USB Based on Embedded ARM9

WANG Ping,SHI Wenzao,HUANG Xi,JIANG Huali

(School of Physics and Optoelectronics Technology,Fujian Normal University,Fuzhou,350007,China)

Abstract:In embedded system,from circuit design to the process of debugging,research and development of a common USB interface.Taking S3C2440A of ARM9 chip as CPU,the chip because of the internal control integrated USB all parts,so only a simple additional power,and other external circuit to complete hardware design,and then through the serial port to load and debug the USB driver,the end of embedded USB interface function is achieved.The tests prove that this can be stable and reliable interface to automatically mount disk U,as well as the exchange of accurate data.Based on the USB interface chip of S3C2440A,it has a simple external circuit and reliable operation of the characteristics,thus enhancing the overall performance embedded terminal for the future provide a basis.

Keywords:USB;embedded;ARM9;S3C2440A

0 引 言

USB(Universal Serial Bus)是通用串行總線的縮寫,因其具有方便易用,動態(tài)分配帶寬,容錯性優(yōu)越和高性價比等特點,現(xiàn)已成為計算機的主流接口[1]。

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,各種小型終端需要開發(fā)出與外界聯(lián)系的USB接口。目前,常用的技術(shù)有兩種?；趩纹瑱C的USB接口,特點是需要外置芯片,電路復(fù)雜,留下的CPU資源不多[2];基于ARM的USB接口,特點是資源豐富,但ARM系列產(chǎn)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(fā)揮CPU性能[3]。

該設(shè)計采用三星公司ARM9核的S3C2440A芯片作為CPU,因為該芯片內(nèi)部集成了控制USB的所有部件,外圍電路簡單,易于實現(xiàn)[4]。

1 S3C2440A特點

S3C2440A的CPU部分主要集成了電源模塊、復(fù)位和時鐘模塊、觸摸屏和小鍵盤模塊、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器模塊。同時提供如下豐富的外圍接口:同步存儲器(SDRAM)和NAND FLASH控制接口,可擴展到1 GB的存儲的空間;4個DMA通道和24個中斷端口;能控制STN LCD和TFT液晶屏顯示,支持觸摸屏功;USB接口A型和B型各一個;3個串行口、I2C,SPI,I2S等接口;帶AC97音頻接口;具備SD卡、數(shù)碼相機接口和網(wǎng)絡(luò)接口。

S3C2440A還具備多種工作模式,管腳為17×17方型分布,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(yīng)的功能并不是惟一的,通常只要使能變化,S3C2440A就能實現(xiàn)不同的控制功能。該設(shè)計涉及到的S3C2440A,其管腳如表1所示分為3類。

表1 實現(xiàn)設(shè)計電路用到的S3C2440A管腳

USB接口所用的管腳串口電路用到的管腳管腳對電壓的要求

PinNumberPinNamePinNumberPinNameS3C2440A芯片的管腳對電壓要求不同,可以分為1.2 V,3.3 V,接地3類

N11DP0K13TXD0電壓要求管腳名稱

N12DN1/PDN0K14RXD01.2 VJ17 G4 F1 F16 A16 B11 A10 A6 A1 N16 M13 U11 T8 T6 U2 U1 L2 J2

P12DN0L17nRTS03.3 VB6 A9 B12 B14 B16 F17 C1

U14DP1/PDP0K11nCTS0接地T14 F2 A3 A4 B10 A12 C17 G17 R17 M17 H1 K1 T1 T2 U4 U7 U10 B1 E2 D17 D16 A15 B13 A11 A7 A5 N1 U3 U9 U15 G1 H11

2 實現(xiàn)USB方案的硬件電路

2.1 USB接口電路

由于S3C2440A內(nèi)部集成了USB控制器,所以接口電路比較簡單[5],其原理如圖1所示。

圖1 USB接口電路原理圖

2.2 串口電路

串口在該設(shè)計中的作用是通過計算機加載USB驅(qū)動程序,原理如圖2所示。

2.3 電源電路

由于S3C2440A芯片的管腳對電壓提出了不同要求,所以需要完成電源的變壓[6],其原理如圖3所示。

3 驅(qū)動程序的研究

按USB接口,其設(shè)備結(jié)構(gòu)可分為USB Host(主機)和USB Device(外部設(shè)備)。USB主機控制USB設(shè)備進行通信,而主機與主機之間,或USB設(shè)備與USB設(shè)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(shè)備是否安插好或拔除;控制USB主機與設(shè)備兩者中的數(shù)據(jù)流;返回USB主機的所顯狀態(tài)[7]。

USB系統(tǒng)軟件由以下3個部分組成[8]:主機控制器驅(qū)動(HCD)、USB驅(qū)動(USBD)、主機軟件(Host Software)。主機控制器所具備的功能如表2所示。HCD和USBD包含基于不同抽象層次的軟件接口,兩者以一定的方式協(xié)同完成任務(wù),用以實現(xiàn)USB系統(tǒng)的功能。它們的任務(wù)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芯片。在一些操作系統(tǒng)中,當系統(tǒng)必須實現(xiàn)某些基本功能時,可由Host Software實現(xiàn)。

表2 主機控制器功能

功能描 述

狀態(tài)處理作為主機的一部分,主機控制器報告和管理它的狀態(tài)

串行化與反串行化對于從主機輸出的數(shù)據(jù),主機控制器協(xié)議及數(shù)據(jù)信息從它原始形狀轉(zhuǎn)化為自位流。對主機接收的數(shù)據(jù)進行反操作

幀產(chǎn)生以每1 ms為單位產(chǎn)生SOF標志包

數(shù)據(jù)處理主機控制器處理輸入和輸出數(shù)據(jù)的請求

協(xié)議引擎主機控制器支持USB具體規(guī)定的協(xié)議

傳輸差錯控制所有的主機控制器在發(fā)現(xiàn)和處理已定義的錯誤時展現(xiàn)相似的行為

遠程喚醒所有的主機控制器都應(yīng)具有將總線置于掛起狀態(tài)及在遠程喚醒事件下重新啟動的能力

集線器集線器提供了標準的將多個USB設(shè)備連接到主機控制器的功能

主機系統(tǒng)接口主機控制器在主機系統(tǒng)控制器之間建立一個高速的數(shù)據(jù)通道

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(fā)的,并由主機客戶軟件所發(fā)起的通信,主要應(yīng)用于控制命令和狀態(tài)信息的傳送;同步傳送是指在主機和設(shè)備之間周期性的、連續(xù)的通信,一般用于傳送時實信息,這種類型保留了將時間概念包含于數(shù)據(jù)的能力,但傳送并不一定很緊急;中斷傳送是指少量數(shù)據(jù)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(yīng)用在于傳送那些可以利用帶寬的數(shù)據(jù)。

3.3 USB 設(shè)備請求

USB設(shè)備應(yīng)通過缺省控制管道(Default Control Pipe)響應(yīng)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(shù)通過Setup包發(fā)向設(shè)備,由主機負責(zé)設(shè)置Setup包內(nèi)的每個域的值。USB設(shè)備請求包含的請求類型有三種:標準、廠商和設(shè)備類。標準請求用來完成設(shè)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(shè)備類請求指的是某些特定的USB設(shè)備類所傳輸出的請求,例如打印機類就屬于這一類。設(shè)備請求要求有嚴格的定義,包含的內(nèi)容有類型、設(shè)備請求、值、索引和長度。

圖2 串口電路原理圖

圖3 電源變化電路原理圖

3.4 USB驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)

S3C2440A芯片支持USB1.1協(xié)議和USB 2.0協(xié)議。該設(shè)計是針對USB Host(主機,A型),并基于USB 1.1協(xié)議編寫的。程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蛉鐖D4所示。

驅(qū)動程序的編寫主要分為以下幾個部分考慮:硬件提取層、中斷服務(wù)程序、標準設(shè)備請求和主循環(huán)。硬件提取層實現(xiàn)的是S3C2440A對I/O端口直接的讀寫操作;中斷服務(wù)程序處理各種中斷,包括總線任務(wù)上的請求;標準設(shè)備請求完成主機送來的各種標準請求,用于完成各種枚舉請求;而主循環(huán)則負責(zé)完成前臺的數(shù)據(jù)采集等工作,所有的任務(wù)結(jié)束后都要回到主循環(huán)上去。

圖4 USB驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸流向

4 結(jié) 語

該設(shè)計采用三星公司ARM9的S3C2440A芯片作為CPU,比原來基于單片機的模式,外圍電路簡單,容易可靠地實現(xiàn)嵌入式終端的USB接口功能。在調(diào)試中,用到的嵌入式開發(fā)板GEC2440A套件還提供了串口工具DNW。用這一工具可以檢測驅(qū)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”。由于S3C2440A芯片功能豐富,如處理器可提高運算速度,LCD可人機交互,網(wǎng)口可連接因特網(wǎng),所以開發(fā)出的嵌入式終端不但可提升整體性能,還為日后的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[9-11]。

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作者簡介 王 平 男,1955年出生,高級工程師,碩士生導(dǎo)師,福建省電子學(xué)會理事。研究領(lǐng)域為嵌入式系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)新技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

施文灶 男,1982年出生, 講師。研究領(lǐng)域為嵌入式系統(tǒng)、圖像傳輸技術(shù)。

黃 晞 男,1970年出生,副教授。研究領(lǐng)域為機器人,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

江華麗 女,1985年出生,碩士研究生。研究領(lǐng)域為圖像信號處理與多媒體通信網(wǎng)絡(luò)。