基于S3C4510B的USB主控器驱动设计

1 引言

在现代社会，嵌入式系统逐渐深入到人们生活的方方面面，各类嵌入式系统产品之间往往通过某种接口进行交互或数据传递。而现在，usb已经成为嵌入式数据交换的最主要的方式，可是各种usb接口的设备都是基于pc机系统的，所以，基于嵌入式系统的usb接口的研究具有实用的价值和意义，特别是起master作用的host端接口的研究。

解决这一问题的根本办法就是在需要使用usb设备的嵌入式系统中扩展usb host功能模块，使之具有与usb设备进行数据传输的能力。

usb协议按功能分为2部分，usb host（usb主协议）和usb slave（usb从协议）分别应用于usb host controller（usb主控制器）和usb device（usb设备）。一般，usb host要比usb slave复杂，对于广大的非pc用户来说，尤其是嵌入式系统用户来说，由于usb协议的不对称性，使得实现usb host比usb slave要困难地多，philips公司的isp1161a1芯片很好地解决了这种问题，他封装了复杂的usb协议，使得在嵌入式系统中实现usb host和usb slave变得简单方便。

2 usb host技术简介

usb的通信可以用图1表示，图1中，左半部分为usb主机端，可以看出，usb主机端由2部分构成，即软件体和硬件体，实际上是3个软件组件组成了usb host解决方案，即usb客户驱动程序，usb驱动程序和usb主机控制器驱动程序，应用程序的事务处理是由usb客户驱动程序（设备驱动程序）启动的，客户驱动程序把usb设备当做一个可以被访问的端点集合，他可以被控制并与他的功能单元进行通信，usb系统软件包括usb驱动程序和usb主控制器驱动程序，usb驱动程序负责配置管理、用户管理、总线管理和数据传输，usb主控制器驱动程序负责调度管理，队列管理和控制器管理，以及数据的位编码、封包、循环校验、发送、错误处理等。

如图2所示，usb host的软件结构分为3大部分，即usb总线驱动（usbd），usb host控制器驱动（hcd）、客户软件、其中客户软件处理和设备有关的信息，usbd处理和硬件无关的协议，而hcd则处理与硬件相关的协议，usbd和hcd都包含了一系列管理各种状态的寄存器。

3 sp1161体系结构

要实现usb协议，必须要通过一系列寄存器来完成，这些寄存器要能实现usb软件结构中的usbd和hcd，即要完成usb协议状态的控制，还要有一定的缓冲区来存放进出的数据，isp1161专门针对usb协议设计的特殊硬件结构可方便地实现usb host和usb slave。isp1161的硬件结构主要是3类不同的寄存器，用户通过操作这3种寄存器来达到实现usb传输的目的，这3类寄存器是：

（1）hc control and status registers：usb主控制器控制和状态寄存器，主要用于传输过程中控制命令的存放和状态的读取，可读可写的寄存器有2个地址，只读或只写的寄存器只有1个地址。

（2）isochronous transfer list （itl）：同步传输列表缓冲区。

（3）acknowledged transfer list（atl）：接收传输列表缓冲区。

根据usb协议，数据传输分为4种模式，control（控制），bulk（整批），interrupt（中断）和isochronous（同步）。其中itl是为了实现同步传输，atl则实现其他3种模式的传输。

4 isp1161x主控制器编程实现

设计isp1161x主控制驱动程序主要涉及以下2个重要内容，下面详细介绍：

4.1 读/写atl和itl缓冲区

atl和itl缓冲区的位于isp1161x内部的fifo缓冲ram之中，每个缓冲区包含许多ptd（philips transfer descriptor），而ptd用于主控制器硬件发送或接收usb包从usb设备，作为调度usb传输的一部分，hcd在系统内存中购建ptd。然后hcd将购建好的ptd移入atl或者itl缓冲区，主控制器硬件允许软件去访问每一个缓冲区，就像他们是分离的硬件缓冲区，hcd访问atl缓冲区通过硬件寄存器hctransfercounter（22h/a2h）和hcatlbufferport（41h/c1h），而itl缓冲区则由hctransfercounter和hcitlbufferport（40h/c0h）访问。下面一段示例代码取自于本项目，其功能是向atl缓冲区写数据，hci→hp→atl_len表示，atl则在内存中还没有发送的数据的长度，hci→hp→tl表示缓冲区的地址。

4.2硬件初始化过程

当isp1161x上电时，主控驱动程序（hcd）必须经过下列的顺序对硬件进行初始化，以便主控制器进入可操作状态。

检测主控制器，软件复位主控制器，配置hchardwareconfiguration寄存器，配置中断；配置hccontrol寄存器，配置hcfminterval寄存器，配置根集线寄存器，设置itl和atl缓冲区长度，安装int1中断服务程序。

4.2.1 检测主控制器

检测的工作由hcd完成的，hcd通过向寄存器hcscratch写一个值，接着从该寄存器读出，与刚才写入的值进行比较。如果写入的和读出的值相等，hcd得出结论：主控制器存在，对hcchipid寄存器的读也被用来作为额外的条件来检测该寄存器。

4.2.2 主控制器的软件复位

软件复位主控制器通常包括2个步骤：复位主控制器；设置主控制器为reset状态。

hcd通过设置在hccommandstatus寄存器的hcr位来复位主控制器：

一旦主控制器复位了，hcd必须通过设置hccontrol寄存器的hcfs字段为00b，以便使主控制器为reset状态。

4.2.3 配置hchardwareconfiguration寄存器

write_reg16（hci，interruptpinenable|interruptpin trigger interruptoutputpolarity |databuswidth16|analogocenable，hchardwareconfiguration）；

上述这段代码表示将主控制器初始化为int1允许，中断是边沿触发，中断的输出极性为高电平，数据线的宽度为16b，使用片上过流检测，模拟输入。

4.2.4 配置中断

主控制器isp1161x有2组中断源，第一组包含usb事件产生的中断，比如start of frame，调度溢出和根集线器状态改变，这些中断的发生由hcinterruptenable和hcinterruptdisable寄存器联合控制，而每个中断的状态由hcinterruptstatus寄存器标识。
第二组是主控制器中状态变化所引起的中断，比如，主控制器延迟所产生的中断，同样，在第一组中断中的任何组合是第二组中断的中断源。

4.2.5 配置hcfminterval寄存器

hcfminterval寄存器的14位值[frameinteral，fi]用于表示一帧之内所占用的比特时间（在2个连续的sofs，15位的值[fslargestdatapacket，psmps）用于表示在没有引发调度溢出下可发送或接收全速最大包大小，fi，psmps的推荐值为0x2edf和0x2778，所以将调用下列语句对该寄存器进行初始化：

write_reg32（hci，0x2edf|（0x2778<<16），hcfminterval）；

4.2.6 配置root hub（根集线器）寄存器

随着初始化的深入，下面的专门针对根集线器3个寄存器也必须初始化：hcrhdescriptora，hcrhdescriptorb和hcrhstatus，前2个寄存器是根据电路板的制作自动由isp1161x配置的，这2个寄存器均用来描述根集线器的特性。

hcrhstatus被划分为2个部分，低字部分表示集线器状态，而高字部分表示集线器状态的改变，还有保留部分必须被初始化为逻辑0。

4.2.7 设置itl和atl缓冲区的长度

主控制器isp1161x内部的fifo缓冲区有4kb/s，而这4k将被atl和itl划分为2部分，分由hcatlbufferlength和hcitlbufferlength寄存器表示，itl缓冲区又进一步被分为2个相同的ito0和itd01缓冲区，atl缓冲区必须存在，因为atl缓冲区用于控制，中断和大批量传输，而itl的存在与否是可选的。

4.2.8 设置int1中断的服务程序

如果在主控制器中发生一个或多个中断，isp1161x的int1引脚将会通知微处理器，在本项目中，int1的引脚直接接在arm的int0引脚上，驱动程序通过linux提供的函数request_irq向操作系统申请中断号，并在此函数中向操作系统提供中断处理函数。

request_irq（irq，hc_interrupt，0，"isp116x"，hci）

irq为中断号；hc_interrupt为中断处理函数，0为中断标记，"isp116x"表示中断设备名称；hci在此表示中断设备号。

5 在μclinux中编译usb主控驱动

接下来就如何将驱动文件编译到嵌入式操作系统做一个简要说明。

（1）将上述文件拷贝到drivers/usb/

（2）编辑drivers/usb/makefile文件，添加以下内容：

obj-$（config_usb_isp1161）+=hc_isp1161.o

（3）编辑driver/usb/config.in文件，添加如下内容：

dep_tristatisp1161（philips）supportconfig_usb_isp1161 $ config_usb

（4）编译μclinux内核

编译成功后把生成的映象文件用jtag烧写器烧写到开发板的rom中，启动后进行验证实现了对isp1161a1的控制。

6 结语

isp1161a1使得在嵌入式系统中实现usb host变得十分简单方便，便于嵌入式系统中usb的普及。

一个usb host要完成的功能因为需求不同，所使用的协议也不尽相同，有的采用中断传输，有的采用同步传输，usb主机技术在嵌入式系统的应用主要是针对某一种usb设备或集中设备，因而嵌入式系统上可以只固化某几种协议，该技术的应用可以使得在嵌入式系统上轻松接入usb外设、扩展系统的功能、提高仪器的使用灵活性。usb主机技术在嵌入式系统上的应用会有更广泛更美好的前景。