嵌入式Linux下高速USB主控制器的设计与实现

在嵌入式系统的发展历程中，Linux操作系统的源码公开，结构清晰，功能强大，可移植性强等特点使其在嵌入式领域应用越来越广泛。USB接口的热插拔，即插即用，数据传输可靠，扩展方便，成本低等优点使其逐渐成为嵌入式系统的必备接口之一。随着嵌入式系统应用领域的不断扩展，人们对其性能的要求不断提高，特别是USB设备的读写速度受到越来越多的关注。然而。目前多数嵌入式系统仅支持基础的USB低速或全速外设，不能满足人们对高速数据传输的要求。为此，基于AT91RM9200平台完成了高速USB的硬件设计和Linux操作系统下主机端驱动程序的开发。

1 高速USB硬件接口设计

目前的嵌入式系统设计中，USB接口的外扩主要采用微处理器芯片自带的USB控制器，一般只支持低速和全速协议，无法实现高速数据传输。该设计采用AT91RM9200处理器外扩ISP1761 USB控制器方案，解决了嵌入式系统下USB设备的传输速度问题。其USB硬件接口部分电路如图1所示。

AT91RM9200是Atmel公司一款基于ARM920T内核的微型处理器。它有丰富的系统与应用外设及标准接口，时钟频率可达180 MHz，并且具有低功耗、低成本、高性能，在嵌入式系统中应用广泛。ISP1761是Philips公司开发的一款高速USB On The Go(OTG)控制器，芯片内集成了64 KB的高速缓冲，单次处理数据达32 KB，极大地提升了系统的处理性能，并且功耗很低，其内部集成了Slave主机控制器和外设控制器。此外，ISP761还有可配置的32 b／16 b异步CPU接口，该设计ISP1761外部数据总线设置为16 b模式。

处理器AT91RM9200与外扩USB控制器的连接如图1所示。其中，A[17∶1]为地址线；DATA[15∶0]为数据线；WR_N为读使能；RD_N为写使能；CS_N片选信号采用NCS2；AT9lRM9200的中断源1分配给ISP1761作为其中断信号。处理器和ISP1761之间的数据传输通过中断方式实现，当USB接口有中断产生时，处理器的中断服务程序通过读取ISP1761的中断寄存器判断中断来源，从而执行相应的读／写操作。

2 高速USB软件驱动实现

2．1 Linux系统中USB驱动结构

USB内核模块是Linux系统中USB子系统的核心模块，它为USB驱动(设备和主控制器)提供了一个统一的接口，以访问和控制USB硬件。

如图2所示，应用程序发出的USB请求块(URB)经过上层的USB设备驱动和USB内核后到达USB主控制器。处于最底层USB主控制器的驱动(HCD)是USB主机直接与硬件交互的软件模块，它将解析URB后，再将数据发送到指定的USB设备上。

2．2 ISP1761主控制器驱动的实现

图3为ISP1761与操作系统相连接的接口框图。图5中，ISP1761要完成操作系统与USB设备的通信。驱动部分主要分两个层次：ISP1761硬件抽象层(HAL)和主控制器驱动(HCD)层。前者，通过GPIO接口和操作系统平台的相关函数来完成访问ISP1761硬件的功能；后者，主要实现将数据传输给连接的USB设备，并管理根集中器端口的功能。