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1 引言 通用串行總線(Universal Serial Bus，即USB)是一種新型的高速串行總線，作為一種快速、靈活的總線接口，已經在電子產品中廣泛應用。同時人們對USB的期望也越來越高，希望USB能應用在各種計算機領域中。但是，由于USB通信模型是一種Host/Slave主從式結構，經由USB總線進行通信的雙方必須有一方在通信控制中擔當主機，而兩個USB設備之間則無法直接進行基于USB的數據交換。這就大大限制了USB在嵌入式設備中的應用。 ARM(Advanced RISe Machine)作為一種低功耗、高性能的32位嵌入式微處理器，在中高端嵌入式設備開發中有著廣泛的應用。有些ARM芯片的生產廠商在以ARM為內核的微處理器中集成了USB主機控制器，但是，更多的ARM處理器是不帶USB主機功能的。解決這一問題的方法就是在需要使用USB設備的嵌入式系統中外擴一片USB主機控制器芯片，使之具有與USB設備進行數據傳輸的能力。本設計考慮設計一種USB主、從機一體化的外部擴展模塊，通過簡單地改變跳線，使得ARM核心的嵌入式設備既可作為USB主機，又可以作為USB從機。 2 總體設計 由于目前USB從機的硬件及軟件方面的開發已經比較成熟，可以直接使用現有的資源，所以本設計主要討論USB主機功能的實現，目標任務是ARM核心板能夠讀寫外接USB設備，這里選擇最常用的u盤，實現讀、寫u盤數據。 系統分為ARM核心板和SL81 1HST擴展板兩大部分。核心板是一個由ARM7微處理器、FLASH、SDRAM、JTAG口和串口組成的最小系統。ARM處理器選用的是三星公司的S3C44BOX，這是一款基于RM7TDMI內核的微處理器．具有低功耗、高性能的特點。FLASH用來存放ucLinux操作系統和一些十分重要的數據，SDRAM則是操作系統和應用程序的運行空間、數據及堆棧區，JTAG口和串口用于下載和調試。擴展板主要由USB主控芯片及其外圍電路和USB主、從接口構成。USB主控制芯片選用的是Cypress公司的SL81 lHST，這是一款雙功能的控制芯片，通過設置開關既可以用來做主機又可以做從機。USB接口分為主機接口和從機接口，與主控芯片功能配套。 3 硬件電路 FIash存儲器是一種可在系統進行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。常用的Flash為8位或16位的數據寬度，編程電壓為單3.3V。系統中選用一片16位的Flash存儲器SST39VF1601，單片存儲容量2M，用于存放操作系統和程序代碼，系統上電或復位后從此獲得第一條指令并開始執行，因此，應將FIash存儲器配置到BANK0，即將S3C44BOX的nGCS<0>接到其片選引腳CE#端；將S3CA4BOX的OM[l：0]置為10，選擇BANK0為16位工作方式。 與Flash存儲器不同，SDRAM不具有掉電保持數據的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，因此，它在系統中主要用作程序的運行空間、數據及堆棧區，系統及用戶堆棧、運行數據也都存放在其中。系統中選用一片HY57V641620HG，它的存儲容量為8M，工作電壓為3.3V，16位數據寬度。1620的CS與$3C44BOX的nGCS6連接。 JTAG接口主要是用來實現芯片的嵌入式調試及在系統編程的功能，如對Flash器件進行編程等。串口的主要作用是向計算機傳輸信息，這些信息可以在計算機的超級終端上顯示，以便于調試程序時監測程序的內部變量值；在ucLinux操作系統運行時，串口將用來顯示它的啟動信息和運行狀態，向操作系統發送命令對其進行控制也需要通過串口來完成。 ARM核心板的硬件組成如圖1所示： 
圖1 ARM核心板的構成 Cypress公司的SL811HST芯片是一款嵌入式的USB主機/從機控制器，它的雙功能端口既可作為USB主機又可作為從機來支持全速或低速的USB器件，能夠與單片機、DSP和ARM等實現無縫接口。數據線為8位，只需要9根線用于系統的數據通訊，16個內部寄存器，可以對USB Host進行充分的控制。內部多達256字節的RAM，為USB傳輸建立了足夠的緩沖區。它的主要優點有：通過其M／S引腳對主／從模式方便的進行選擇；提供全速和低速2種USB總線速度方式；硬件自動產生幀起始包SOF和CRC5／16校驗；片上集成了接口引擎(SIE)、單端口根Hub、USB收發器和256B的SRAM，其中0x00一0x0F共16個字節是寄存器區，其余的240B是數據緩沖區。SL811HS只有一根地址線A0。A0=1用于設定偏移量，A0=0用于讀寫數據。讀寫數據應該首先指定偏移量，然后實現讀取時序。A0與ARM的ADDRO相連。nCS和ARM的nGCS2相連。即把SL81lHST分配到ARM的外部I/O口02。 SL811HST與S3C44BOX的連接如圖2所示：
圖2 SL811HST與S3C44BOX連接圖 4 軟件系統 本設計的軟件系統是在Linux環境下編寫調試運行的，前期工作為下載ucLinux內核包，打補丁包等。ucLinux是專門針對如ARM7這類無MMU的CPU而設計的，它主要由以下幾個部分構成：BootLoader、內核初始化、系統調用函數脯獲函數、設備驅動和文件系統。其中BootLoader被用來初始化系統板上的硬件資源，必須根據系統板上不同的硬件資源進行相應的配置。本系統中主要是更改了FLASH和SDRAM的容量及數據寬度，開啟了外部I/O口2并設定為8位數據寬度以用來配置SL811HST，并把它的基地址設定為0x012000000完成對源代碼的修改之后就可以進行內核的編譯。編譯是在裝有Linux及所需的交叉編譯工具鏈的計算機上來進行的，編澤生成的image，ram文件可以下載到SDRAM中直接運行，image．rom文件可以燒寫到FLASH中，系統上電或重啟后，將從FLASH的0x0地址處開始執行。對硬件資源進行初始化后進入ucLinux。 從Linux2.4內核以后，Linux的設備驅動中加入了對USB的支持，ucLinux也秉承了這一特點。本設計采用內核編譯的方式加載USB驅動，將驅動程序的源代碼加進ucLinux系統內核，編譯移植到嵌入式系統，系統啟動后將自動加載驅動。 編澤過程如下： 1：在ucLinux內核的USB驅動目錄中添加如下三個文件： s1811h-usb.C、s1811h.h、s181 lhusb.ho； 2：編輯／uclinux-s2cev40／linux-2.4.x／drivers／usb／config．in文件。修改這個文件的內容加入對SL811HST的描述語句：
6：執行make xconfig，用戶內核設置選擇y； 7：執行make dep； 8：執行make。 USB設備驅動程序被編譯進ucLinux內核，包含在image．bin文件中。在系統啟動時，USB設備驅動就自動執行了。 5 總結 本文作者創新點：巧妙利用ucLinux內核模塊，簡化開發過程，節約成本。 本設計以uclinux嵌入式操作系統為平臺，充分發揮了SL811HST芯片的Host/Slave兩種模式的作用，整套系統上電運行結果證明。本系統設計能夠順利的讀寫u盤數據，并且達到USBI.1的全速。此系統價格低廉，實現簡單有效。為嵌入式系統添加USB主機接口，使得USB能應用在沒有PC的領域中，真正實現USB點對點的通訊。在需要野外大量采集記錄數據的場合，如勘測，氣象等領域，嵌入式USB主機方便攜帶；在需要遠距離傳輸數據的場合，在USB設備上增加無線網卡，數據就可以實時傳送，等等。 本設計如應用于中等規模的電子公司，估計每年可節約成本100萬元以上。 作者：劉佩鋒 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第7-2期 |
