基于嵌入式ARM9的USB設計與實現

王 平,施文灶,黃 晞,江華麗

摘 要:從電路設計到程序調試,全方位地研究開發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計,再通過串口加載和調試USB的驅動程序,實現嵌入式終端的USB接口功能。測試表明,該接口可以穩定可靠地自動掛載U盤以及準確交換數據。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,為日后的應用提供了基礎。

關鍵詞: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,動態分配帶寬,容錯性優越和高性價比等特點,現已成為計算機的主流接口[1]。

隨著嵌入式系統的廣泛應用,各種小型終端需要開發出與外界聯系的USB接口。目前,常用的技術有兩種。基于單片機的USB接口,特點是需要外置芯片,電路復雜,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,且不能很好地發揮CPU性能[3]。

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

1 S3C2440A特點

S3C2440A的CPU部分主要集成了電源模塊、復位和時鐘模塊、觸摸屏和小鍵盤模塊、程序存儲器和數據存儲器模塊。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、數碼相機接口和網絡接口。

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。這些管腳所對應的功能并不是惟一的,通常只要使能變化,S3C2440A就能實現不同的控制功能。該設計涉及到的S3C2440A,其管腳如表1所示分為3類。

表1 實現設計電路用到的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USB方案的硬件電路

2.1 USB接口電路

由于S3C2440A內部集成了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

串口在該設計中的作用是通過計算機加載USB驅動程序,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 驅動程序的研究

按USB接口,其設備結構可分為USB Host(主機)和USB Device(外部設備)。USB主機控制USB設備進行通信,而主機與主機之間,或USB設備與USB設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設備是否安插好或拔除;控制USB主機與設備兩者中的數據流;返回USB主機的所顯狀態[7]。

USB系統軟件由以下3個部分組成[8]:主機控制器驅動(HCD)、USB驅動(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同完成任務,用以實現USB系統的功能。它們的任務差別沒有具體定義,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。在一些操作系統中,當系統必須實現某些基本功能時,可由Host Software實現。

表2 主機控制器功能

功能描 述

狀態處理作為主機的一部分,主機控制器報告和管理它的狀態

串行化與反串行化對于從主機輸出的數據,主機控制器協議及數據信息從它原始形狀轉化為自位流。對主機接收的數據進行反操作

幀產生以每1 ms為單位產生SOF標志包

數據處理主機控制器處理輸入和輸出數據的請求

協議引擎主機控制器支持USB具體規定的協議

傳輸差錯控制所有的主機控制器在發現和處理已定義的錯誤時展現相似的行為

遠程喚醒所有的主機控制器都應具有將總線置于掛起狀態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設備連接到主機控制器的功能

主機系統接口主機控制器在主機系統控制器之間建立一個高速的數據通道

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、突發的,并由主機客戶軟件所發起的通信,主要應用于控制命令和狀態信息的傳送;同步傳送是指在主機和設備之間周期性的、連續的通信,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據的能力,但傳送并不一定很緊急;中斷傳送是指少量數據的、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,其典型應用在于傳送那些可以利用帶寬的數據。

3.3 USB 設備請求

USB設備應通過缺省控制管道(Default Control Pipe)響應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。請求及請求的參數通過Setup包發向設備,由主機負責設置Setup包內的每個域的值。USB設備請求包含的請求類型有三種:標準、廠商和設備類。標準請求用來完成設備的枚舉過程;廠商請求用來完成使用者自己定義的請求;設備類請求指的是某些特定的USB設備類所傳輸出的請求,例如打印機類就屬于這一類。設備請求要求有嚴格的定義,包含的內容有類型、設備請求、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驅動程序結構

S3C2440A芯片支持USB1.1協議和USB 2.0協議。該設計是針對USB Host(主機,A型),并基于USB 1.1協議編寫的。程序結構和數據傳輸的流向如圖4所示。

驅動程序的編寫主要分為以下幾個部分考慮:硬件提取層、中斷服務程序、標準設備請求和主循環。硬件提取層實現的是S3C2440A對I/O端口直接的讀寫操作;中斷服務程序處理各種中斷,包括總線任務上的請求;標準設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;而主循環則負責完成前臺的數據采集等工作,所有的任務結束后都要回到主循環上去。

圖4 USB驅動程序結構和數據傳輸流向

4 結 語

該設計采用三星公司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,容易可靠地實現嵌入式終端的USB接口功能。在調試中,用到的嵌入式開發板GEC2440A套件還提供了串口工具DNW。用這一工具可以檢測驅動程序的正確與否,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,網口可連接因特網,所以開發出的嵌入式終端不但可提升整體性能,還為日后的應用奠定了基礎[9-11]。

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作者簡介 王 平 男,1955年出生,高級工程師,碩士生導師,福建省電子學會理事。研究領域為嵌入式系統、通信網絡新技術,無線傳感器網絡。

施文灶 男,1982年出生, 講師。研究領域為嵌入式系統、圖像傳輸技術。

黃 晞 男,1970年出生,副教授。研究領域為機器人,神經網絡。

江華麗 女,1985年出生,碩士研究生。研究領域為圖像信號處理與多媒體通信網絡。