通用串行總線（USB）接口具有簡單靈活、高帶寬、易于擴(kuò)展和熱插拔等優(yōu)點，它目前已成為數(shù)碼設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口之一，小到U盤、MP3，大到數(shù)碼相機、打印機，USB接口的身影無處不在。但我們目前所使用的USB移動設(shè)備多為USB的外設(shè)（Device） ， 比如USB的移動硬盤、USB接口的數(shù)碼相機，一般只能在PC上使用，即只能通過PC實現(xiàn)文件和數(shù)據(jù)的交換。

業(yè)界和用戶的需求呼喚USB主機的嵌入式化，因此在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USB主機功能成了USB設(shè)計領(lǐng)域的熱點之一。

迄今為止，嵌入式USB主機的最大市場和增長點在移動消費電子設(shè)備領(lǐng)域， 比如PDA與USB記憶棒傳遞數(shù)據(jù)、MP3之間傳遞歌曲、數(shù)碼相機連接打印機等。

嵌入式USB主機也逐漸用于工業(yè)測控領(lǐng)域，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和交換。原來數(shù)據(jù)采集和交換大多是使用軟盤、串行接口（RS232/RS485）或以太網(wǎng)等方式。軟盤存儲容量小、可靠性差，而串行接口或以太網(wǎng)都需要布線施工，接入成本大，而且不具備移動性。現(xiàn)在，越來越多的嵌入式系統(tǒng)采用通過USB總線連接的測控設(shè)備。

USB控制器ISP1161簡介

一個USB系統(tǒng)一般由一個USB主機（HOST）、一個或多個USB集線器（HUB）和一個或多個USB設(shè)備節(jié)點（NODE）組成。USB協(xié)議規(guī)定了USB主機與USB設(shè)備的主從關(guān)系，所以USB接口產(chǎn)品的應(yīng)用離不開USB主機的開發(fā)。USB主機是包含USB軟件驅(qū)動和USB主機硬件功能接口的計算機系統(tǒng)實體。USB主機硬件是指USB主機控制器，它規(guī)定了USB主機硬件接口，因而在設(shè)計USB協(xié)議棧時必須了解相關(guān)的USB主機控制器規(guī)范。

針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的USB主機控制器規(guī)范是康柏、微軟、松下等公司提出的OHCI（開放式主機控制器接口）標(biāo)準(zhǔn)。

飛利普公司的ISP1161芯片支持OHCI標(biāo)準(zhǔn)，它是一個符合USB2.0全速規(guī)范的單片主機控制器和設(shè)備控制器。ISP1161可以僅作為主機控制器或設(shè)備控制器使用，也可以同時作為主機和設(shè)備控制器使用。

ISP1161可分為四大功能模塊：

1）主機控制器模塊：實現(xiàn)主機控制器的功能。提供兩個下行端口，每個下行端口都有自己的過流檢測輸入管腳和電源轉(zhuǎn)換控制輸出管腳。

2）設(shè)備控制器模塊：實現(xiàn)設(shè)備控制器的功能。提供一個上行端口，有其自身的VBUS檢測輸入管腳。

3）微處理器接口模塊：兩個USB控制器共用一個微處理器總線接口，它們有相同的數(shù)據(jù)總線，I/O地址不同。它們也有各自的中斷請求輸出管腳和獨立的DMA通道。

4）電源調(diào)整和上電復(fù)位模塊：除了可以軟件復(fù)位外，還可以通過RESET_N管腳實現(xiàn)硬件復(fù)位。ISP1161只接受5V或3.3V的電壓，當(dāng)輸入5V電壓時，電源調(diào)整器會將其調(diào)整為3.3V。

ISP1161 主機控制器子模塊的功能框圖示于圖1，主機控制器的下行端口可與任意一個符合USB 規(guī)范的USB 設(shè)備和包含USB 上行端口的USB 集線器相連。類似地，設(shè)備控制器的上行端口可與任意一個符合USB 規(guī)范的USB主機和包含USB 下行端口的USB 集線器相連。

相關(guān)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)

本文涉及的嵌入式系統(tǒng)是一個指紋驗證系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)采用英特爾公司的32位400MHz微處理器PXA255以滿足指紋識別系統(tǒng)計算量大的需要，PXA255具有豐富的外圍接口，如：LCD控制器、串口、CF卡接口、USB客戶端口，但沒有USB 主機控制器。此外，硬件平臺還包括存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、USB模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和調(diào)試及下載接口模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

32位微處理器PXA255中央處理器結(jié)合一個51單片機完成對整個系統(tǒng)的控制操作。

8M的FLASH和32M的SDRAM用作存儲模塊。

具有USB設(shè)備接口的富士通公司指紋傳感器芯片MBF200實現(xiàn)對指紋數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換。

通過USB主機接口實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與USB設(shè)備——MBF200之間的通信。

鑒于該指紋驗證系統(tǒng)要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，因而配置了CF接口無線網(wǎng)卡。

通過PXA255本身的串口控制器與PC通信，用于調(diào)試和下載Windows CE鏡像文件。

人機交互用于顯示運行結(jié)果和注冊/增刪指紋數(shù)據(jù)。

對于PXA255處理器而言，ISP1161類似于一個具有16位數(shù)據(jù)總線的存儲設(shè)備。ISP1161工作在并行I/O（PIO）模式，只占用兩個I/O端口和微處理器兩個內(nèi)存空間。微處理器用兩根地址線A0和A1來讀寫ISP1161內(nèi)部寄存器和FIFO緩沖RAM。地址線A0用來選擇傳輸命令數(shù)據(jù)：A0＝1，處理器訪問ISP1161的命令端口；A0＝0，處理器訪問ISP1161的數(shù)據(jù)端口。地址線A1用來選擇主機控制器或設(shè)備控制器模式：A1＝0，切換至主機控制器模式；A1=1，切換至設(shè)備控制器模式。本系統(tǒng)中ISP1161和PXA255的硬件接口如圖3所示。用可編程I/O模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，即ISP1161的數(shù)據(jù)總線經(jīng)總線驅(qū)動接到PXA255的數(shù)據(jù)總線D［0:15］，A0和A1分別接到PXA255的A1和A2以實現(xiàn)主機和設(shè)備、命令和數(shù)據(jù)端口的選擇。I/O口地址的完全解碼包括芯片選擇信號CS及地址線A1和A0。I/O口的訪問方向由RD及WR信號控制：當(dāng)RD為低時，微處理器從ISP1161A1 數(shù)據(jù)口讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)WR為低時，微處理器向指令端口寫入一個指令，或向數(shù)據(jù)端口寫入數(shù)據(jù)。

USB主機軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件平臺是微軟公司的Windows CE。

ISP1161軟件模型

USB主機軟件系統(tǒng)包括通用串行總線驅(qū)動程序（USBD）、主機控制器驅(qū)動程序（HCD）和客戶端軟件。客戶端軟件是應(yīng)用代碼或USB類驅(qū)動程序。USBD和HCD共同用作USB主機堆棧。USBD以I/O請求包的形式指定某一特定通道傳輸數(shù)據(jù)，并把請求分解成多個事務(wù)。HCD與ISP1161之間以PTD（Philips Transfer Description）的形式進(jìn)行通信。I/O請求包的數(shù)據(jù)在底層被打包成PTD的格式后再與ISP1161進(jìn)行通信。

ISP1161只提供了一部分符合OHCI標(biāo)準(zhǔn)的寄存器，而其硬件是支持OHCI標(biāo)準(zhǔn)的。所以為使它完全符合OHCI標(biāo)準(zhǔn)，我們設(shè)計時在系統(tǒng)內(nèi)存中定義一套完全符合OHCI規(guī)范的操作寄存器和HCCA控制器通信區(qū)，軟件讀寫其中數(shù)據(jù)，以軟件模擬硬件來實現(xiàn)完整的OHCI規(guī)范，并按照OHCI規(guī)范的要求，在系統(tǒng)內(nèi)存中維護(hù)了一套完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以完成對主機控制器初始化、狀態(tài)讀取并收集USB主機與設(shè)備通信的詳細(xì)信息。

ISP1161的數(shù)據(jù)傳輸模式

ISP1161提供了HC控制和狀態(tài)寄存器、ATL緩沖區(qū)和ITL緩沖區(qū)。其中HC控制和狀態(tài)寄存器包括一套可操作的符合OHCI的寄存器（32位）和一套ISP1161特定的寄存器（16位）。通過對相應(yīng)寄存器的操作，主機控制器驅(qū)動程序就可以完成對主機控制器初始化和配置工作。ATL緩沖區(qū)和ITL緩沖區(qū)用來實現(xiàn)USB系統(tǒng)支持的四種不同數(shù)據(jù)傳輸：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和實時傳輸。ITL是實時傳輸?shù)木彌_的FIFO，而ATL是USB其它三種類型傳輸?shù)木彌_FIFO。

ISP1161數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w過程為：硬件初始化完成后，調(diào)用HCD的MakePTDdata函數(shù)在系統(tǒng)存儲器中以PTD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義一塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。再調(diào)用SendPTD函數(shù)發(fā)送PTD數(shù)據(jù)，其中的WritePTDtoATL函數(shù)將數(shù)據(jù)復(fù)制到ATL或ITL緩沖區(qū)。通過ISP1161硬件掃描ATL或ITL緩沖區(qū)以實現(xiàn)與USB終端設(shè)備進(jìn)行通信。

硬件掃描過程就是把數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，以硬件掃描ATL緩沖區(qū)為例：當(dāng)HCD通過HcTransferCounter寄存器向ATL緩沖區(qū)寫入HcATLBufferPort寄存器指定的字節(jié)數(shù)時，主機控制器硬件開始掃描ATL緩沖區(qū)；當(dāng)操作完成后，HcBufferStatusPort寄存器中的位ATLBufferFull被置位，ATLBufferFull位從邏輯0到邏輯1的跳變使硬件開始掃描ATL緩沖區(qū)內(nèi)的PTD；當(dāng)ATLInt中斷產(chǎn)生時，表明硬件停止掃描ATL緩沖區(qū)，HcBufferStatus寄存器中的位ATLBufferDone被置位，HCD又可以訪問ATL緩沖區(qū)了。相關(guān)的部分偽代碼如下：

#define hccport base_address | 0x02

#define hcdport base_address

#define CMD_RD 0x00

#define CMD_WR 0x80

void SendlPTD（UINT16 *pPTDdata）{ // pPTDdata指針指向PTD數(shù)據(jù)內(nèi)容；

WritePTDtoATL（pPTDdata， 16）; //把PTD數(shù)據(jù)寫入ATL緩沖區(qū)，16為寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；

do {ReadPTDfromATL（pPTDdata， 72）; //從ATL緩沖區(qū)讀取PTD數(shù)據(jù)，72為讀取的字節(jié)數(shù)；

bfActive = （*pPTDdata） & PTD_ACTIVE; //檢查有效位，PTD結(jié)束后主控器將把該位清零。

}while（bfActive ！= 0）}

void WritePTDtoATL（UINT16 *pPTDdata， UINT totalbytes）{

WriteHCR_UINT16（IDX_HcTransferCounter， databytes）;//向HcTransferCounter寄存器寫入要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)；

*hccport = IDX_HcATLBufferPort | COM_WR; //向ATLBuffer端口寫入寫命令；

DisableInterrupts（）; //禁止所有中斷；

for （UINT m= totalbytes; m》0; m -=4 ）{ //為了維護(hù)PTD數(shù)據(jù)在ATL緩沖區(qū)中的結(jié)構(gòu)，采取每四字節(jié)循環(huán)

*hcdport = * pwPTDdata ++; //的方式；

*hcdport = * pwPTDdata ++; }

EnableInterrupts（）;} //使能中斷；

void ReadPTDfromATL（UINT16 * pPTDdata， UINT totalbytes）{

WriteHCR_UINT16（IDX_HcTransferCounter， totalbytes）;

*hccport = IDX_HcATLBufferPort | COM_RD;

DisableInterrupts（）;

for （UINT m= totalbytes; m》0; m -=4 ）{

* pwPTDdata ++ = *hcdport;

* pwPTDdata ++ = *hcdport; }

EnableInterrupts（）;}

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈表的處理

在HCD將PTD從系統(tǒng)內(nèi)存復(fù)制到ATL或ITL緩沖區(qū)之前，HCD必須通過集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來建立和追蹤PTD。HCD的責(zé)任是追蹤所有已連接設(shè)備的每個端點的屬性，如端點最大封包大小、端點地址和該端點從屬的設(shè)備地址。另外，HCD必須管理每個端點新的PTD的產(chǎn)生和已經(jīng)完成的PTD的處理。所以使用一個有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系可以加快主機控制器的操作。本設(shè)計實現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似于OHCI中定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由三部分組成：三種類型端點的隊列（控制傳輸端點、批量傳輸端點和中斷傳輸端點）、每種端點的一個PTD列和一個完成隊列。每個列隊由一個全局指針指定，這個全局指針保持隊列中第一個端點（EP）隊列頭的地址。每個EP隊列頭指向一個PTD列。一個PTD列保留著等待被主機控制器處理的PTD。在控制、批量和中斷傳輸中，PTD被復(fù)制到ATL緩沖區(qū)。一旦PTD被放入ATL緩沖區(qū)，主機控制器就在下一幀中處理該PTD。

結(jié)束語

在USB主機端功能實現(xiàn)后，我們又開發(fā)了USB設(shè)備——指紋傳感器MBF200的驅(qū)動程序，并按照規(guī)定要求實現(xiàn)了指紋數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

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