引言
越來越多的嵌入式設備與外部連接要求更簡潔、方便、智能化，所以，USB接口在嵌入式設備中的應用會越來越廣泛。本文是“信息家電網絡控制平臺技術”項目中USB接口的實際設計部分。在該項目中，硬件平臺采用了S3C4510B微處理器，軟件系統是在mClinux下開發的，項目結題后，組建了USB總線的家居網絡系統，實現了信息家電的上網。本文介紹了該嵌入式系統設計中的USB模塊軟硬件設計。
USB接口硬件設計
S3C4510B沒有內置的USB控制器，但提供了兩個GDMA通道，可以滿足USB高速數據傳遞的要求。本著與S3C4510B能銜接工作、自身適合在嵌入式設備中應用的原則，確定采用ISP1581高速USB接口芯片。
ISP1581概述和設計分析
ISP1581是一款低功耗、功能強的高速USB接口器件，它完全符合USB 2.0 規范，并為基于微控制器或微處理器的系統提供了高速USB通信能力。ISP1581支持高速USB系統的自動檢測，內部通用DMA 模塊使得數據流很方便地集成。另外，多種結構的DMA模塊實現了海量存儲的應用。這種實現USB 接口的標準組件使得使用者可以結合微控制器，通過使用已有的結構和減少固件上的投資，從而用最快捷的方法實現了最經濟的USB外設解決方案。此外，ISP1581可理想地用于許多嵌入式外設，例如打印機、掃描儀、DVD 和數碼相機等等。
ISP1581與S3C4510B電路的設計實現
了解了芯片引腳的使用方法，則可以設計出它和S3C4510B的連接電路，如圖1所示。
USB接口電路如圖2所示。在該圖中，1.5kW的電阻要求較高，阻值范圍必須是1.5kW±5%內。
采用12MHz的晶振，以便與S3C4510B的晶振相匹配，電容的值一般為20pF左右，以使晶振更好地起振和消噪。
此外，設計印制電路板時要考慮減小信號之間的交叉干擾、電源干擾，降低噪聲對電路的影響，提高整個系統的可靠性。在本系統的電路板上，晶體振蕩電路對噪聲比較敏感，因此在設計這部分電路時特別注意使晶振電阻、電容等相關器件與微控制器盡可能靠近。在布線時，使這部分電路的信號線不與其他任何信號線交叉。此外還采用了一些常規的降低噪聲和干擾影響的手段，包括盡可能增加地線和電源線的寬度，使用去耦電容，以及盡量減小元器件引腳長度等等。
USB接口軟件設計
USB系統有三個基本組件：主控制器驅動程序HCD、USB驅動程序USBD和主機軟件。在嵌入式操作系統中，USB驅動程序和操作系統內核的框圖如圖3所示，其中USB類驅動程序可以分別驅動兩種類型的控制器UHCI和OHCI。當PCI枚舉器發現USB主機控制器后，就會裝入相關的驅動程序。在此基礎上開發驅動程序，實際上就是USB功能驅動程序，即是控制一個給定的功能設備。本項目中的信息家電組網，是用USB總線組建的家居網絡，連接到USB設備的每一種類型的功能單元都必須要有功能驅動程序。
ISP1581為微控制器接口提供了靈活的配置，在設計中采用了直接存儲器存取(DMA)方式。由于USB設備通過快速DMA方式來讀寫數據，因此在此作為字符設備進行處理。
在mClinux系統內核中有USB子系統，它的作用是提供支持USB設備驅動程序的API和USB的主機驅動程序。它提供了許多數據結構、宏定義和功能函數來對硬件或設備進行支持。在mClinux下編寫USB設備的驅動程序，從嚴格意義上講，就是使用這些USB核心的子系統定義的數據結構、宏和函數來編寫數據的處理功能。
一般來說，在mClinux環境中編寫USB分為如下幾個部分。
向系統注冊和注銷驅動子程序
在mClinux系統里，通過調用register_chrdev向系統注冊字符型設備驅動程序。還需定義一個__init usbdriver_init(void)的注冊函數，如下：
int __init usbdriver_init(void)
{ int rc;
rc = register_chrdev(usbdevice _Major, "usbdevice", &usbdriver_fops);
if (rc < 0) {
printk(KERN_WARNING "usbdevice: can’t get Major %dn",usbdevice_Major);
return rc; }
return 0; }
中斷服務子程序
中斷服務子程序完成對數據的處理，主要包括讀、寫等操作，這些操作都是通過數據結構file_operations中的open、write、close、read等命令進行的。系統通過調用request_irq函數來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。為防止其他中斷的干擾，用save_flags(flags) cli()來關閉中斷，相關處理完畢，用restore_flags(flags) sti()來恢復。其中，填充驅動程序子函數集struct file_operation結構如下：
struct file_operations { loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *);}
I/O服務子程序
通過已注冊在系統/dev目錄下的設備文件，把設備映射為一個特別文件，其它程序使用這個設備的時候，只要對此特別文件進行I/O操作就可以了。當用戶調用時，因為進程的運行狀態由用戶態變為核心態，地址空間也變為核心地址空間。此時，read、write中參數buf指向用戶程序的私有地址空間，所以不能直接訪問，必須通過memcpy_fromfs、memcpy_tofs系統函數來訪問用戶程序的私有地址空間。
結語
鑒于USB的諸多優點和靈活的數據傳輸方式，嵌入式USB設備必將在信息家電、工控等領域得到更廣闊的應用。本文從硬件接口設計和驅動程序編寫兩個方面對嵌入式設備中USB的設計做了簡要的介紹，研究成果已經用在基于USB總線的智能家居網絡中，測試結果表明該接口運行正常，數據傳輸等各方面均達到了技術標準要求。
參考文獻
1 蕭世文. USB2.0硬件設計. 清華大學出版社，2002.10
2 廣州周立功單片機發展有限公司. ISP1581