基于嵌入式ARM9的USB设计与实现

引 言
    USB(Universal Serial Bus)是通用串行总线的缩写，因其具有方便易用，动态分配带宽，容错性优越和高性价比等特点，现已成为计算机的主流接口。
    随着嵌入式系统的广泛应用，各种小型终端需要开发出与外界联系的USB接口。目前，常用的技术有两种。基于单片机的USB接口，特点是需要外置芯片，电路复杂，留下的CPU资源不多；基于ARM的USB接口，特点是资源丰富，但ARM系列产品较多，如果选型不当，还需要搭接较多的外围电路，且不能很好地发挥CPU性能。
    该设计采用三星公司ARM9核的S3C2440A芯片作为CPU，因为该芯片内部集成了控制USB的所有部件，外围电路简单，易于实现。

1 S3C2440A特点
    S3C2440A的CPU部分主要集成了电源模块、复位和时钟模块、触摸屏和小键盘模块、程序存储器和数据存储器模块。同时提供如下丰富的外围接口：同步存储器(SDRAM)和NAND FLASH控制接口，可扩展到1 GB的存储的空间；4个DMA通道和24个中断端口；能控制STN LCD和TFT液晶屏显示，支持触摸屏功；USB接口A型和B型各一个；3个串行口、I2C，SPI，I2S等接口；带AC97音频接口；具备SD卡、数码相机接口和网络接口。
    S3C2440A还具备多种工作模式，管脚为17×17方型分布，横向从左1到右17编号，纵向从下A到上U编号，分类为A1～A17，B1～B17，C1～C17依此类推到U1～U17。这些管脚所对应的功能并不是惟一的，通常只要使能变化，S3C2440A就能实现不同的控制功能。该设计涉及到的S3C2440A，其管脚如表1所示分为3类。

2 实现USB方案的硬件电路
2．1 USB接口电路
    由于S3C2440A内部集成了USB控制器，所以接口电路比较简单，其原理如图1所示。

2．3 电源电路
    由于S3C2440A芯片的管脚对电压提出了不同要求，所以需要完成电源的变压，其原理如图3所示。

3 驱动程序的研究
    按USB接口，其设备结构可分为USB Host(主机)和USB Device(外部设备)。USB主机控制USB设备进行通信，而主机与主机之间，或USB设备与USB设备之间是不能通信的。
3．1 USB主机
    USB主机的功能通常包含以下几个部分：验证USB设备是否安插好或拔除；控制USB主机与设备两者中的数据流；返回USB主机的所显状态。
    USB系统软件由以下3个部分组成：主机控制器驱动(HCD)、USB驱动(USBD)、主机软件(Host Software)。主机控制器所具备的功能如表2所示。HCD和USBD包含基于不同抽象层次的软件接口，两者以一定的方式协同完成任务，用以实现USB系统的功能。它们的任务差别没有具体定义，然而HCD要具备的一项功能就是必须支持多种不同主机控制器芯片。在一些操作系统中，当系统必须实现某些基本功能时，可由Host Software实现。
3．2 USB传输类型
    USB定义了4种传送类型：控制传送、同步传送、中断传送、批传送。其中，控制传送是指可靠的、非周期性的、突发的，并由主机客户软件所发起的通信，主要应用于控制命令和状态信息的传送；同步传送是指在主机和设备之间周期性的、连续的通信，一般用于传送时实信息，这种类型保留了将时间概念包含于数据的能力，但传送并不一定很紧急；中断传送是指少量数据的、低速的、周期的传送；批传送是指非周期的、大量的、可靠的传送，其典型应用在于传送那些可以利用带宽的数据。
3．3 USB设备请求
    USB设备应通过缺省控制管道(Default Control Pipe)响应来自主机的请求命令。这些请求是通过使用控制传输来完成的。请求及请求的参数通过Setup包发向设备，由主机负责设置Setup包内的每个域的值。USB设备请求包含的请求类型有三种：标准、厂商和设备类。标准请求用来完成设备的枚举过程；厂商请求用来完成使用者自己定义的请求；设备类请求指的是某些特定的USB设备类所传输出的请求，例如打印机类就属于这一类。设备请求要求有严格的定义，包含的内容有类型、设备请求、值、索引和长度。

3．4 USB驱动程序结构
    S3C2440A芯片支持USB1．1协议和USB 2．0协议。该设计是针对USB Host(主机，A型)，并基于USB 1．1协议编写的。程序结构和数据传输的流向如图4所示。
    驱动程序的编写主要分为以下几个部分考虑：硬件提取层、中断服务程序、标准设备请求和主循环。硬件提取层实现的是S3C2440A对I／O端口直接的读写操作；中断服务程序处理各种中断，包括总线任务上的请求；标准设备请求完成主机送来的各种标准请求，用于完成各种枚举请求；而主循环则负责完成前台的数据采集等工作，所有的任务结束后都要回到主循环上去。

4 结 语
    该设计采用三星公司ARM9的S3C2440A芯片作为CPU，比原来基于单片机的模式，外围电路简单，容易可靠地实现嵌入式终端的USB接口功能。在调试中，用到的嵌入式开发板GEC2440A套件还提供了串口工具DNW。用这一工具可以检测驱动程序的正确与否，如：程序编写无误，则DNW串口会提示“USB IS CONNECT”。由于S3C2440A芯片功能丰富，如处理器可提高运算速度，LCD可人机交互，网口可连接因特网，所以开发出的嵌入式终端不但可提升整体性能，还为日后的应用奠定了基础。