嵌入式USB主机技术

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1、1绪论 1.1课题研究背景USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB接口可用于连接多达 127种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB自从推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的 必配的接口之一。USB技术诞生于1994年，当时是由 PC界的几位巨头，如康柏、IBM、Intel和Microsoft等共同推出的，旨在统一外设接口。 可是USB标准的真正颁布是在 1996年，当时的标准是 USB1.0，由于没有操作系统和主板产品的支持，所以USB这一标准在出台后并没有得到迅速地推广。直到1998年，USB

2、才迎来了广泛的应用，首先是IT业界巨头们制定了新的 USBI.I 标准，使USB技术更加成熟可靠，接着Win98发布，Win98宣布正式对USB接口提供支持， USB才得以真正发展起来，并成为当今主流的接口技术。当前，在市场上流行的USB接口主要符合：USB1.1、 USB2.0和USB OTG三种规范2。USB技术的出现已经使得 PC和外围嵌入式设备用最简单的方法实现了连接，从而降低了各种产品的制造成本，同时也避免了不同设备接口的混乱局面。但是，USB标准是围绕PC而开发的一套通用接口标准，它的主从结构使得USB不支持非PC的点对点连接，其实也就是说不能通过 USB总线实现PDA到手机，数码

3、相机到打印机，MP3、MP4到Smart phone的直接连接。离开了 PC机的USB主机接口，所有具备 USB从机接口的嵌入式设备根本无 法相互识别，更不能互相通信。为了解决这个困扰USB发展的问题， USB-IF ( USBImpleme nters Forum,USB 应用者论坛)于2001年12月发布了一个补充规范，即 USBOTG(On-The-Go)，其主要目的就是在没有PC的情况下实现设备之间的数据传送。但并不是从理论上定义了 USB OTG，就能够直接投入到现实中使用。因为目前各类嵌入式外 设间还没有将USB OTG引入到开发标准中，尽管USBOTG已经解决了两个设备间的控制管

4、理和电源管理的关键性问题，但是数码相机、MP3、MP4、PDA等这些外部设备间并没有在驱动程序上进行调整，两个设备还不能实现相互的有效的识别。不同设备间的直接验证成了非常复杂的问题，限制了以前的设备实现USB OTG，这还需要众多外部设备生产厂商间的协同与沟通。在这种情况下，为了尽快摆脱以PC为中心的局面，实现越来越多的数码外设之间的互连、互通，研究和发展嵌入式USB主机技术就显得尤为重要。 1.2研究的目的及意义嵌入式USB主机技术就是在嵌入式产品中加入USB主机接口，使嵌入式产品能够像PC机一样，连接各种各样的 USB设备，如USB鼠标、USB键盘、USB移动存储设备等等。 随着半导体工业

5、的发展，嵌入式处理器从8位、16位发展到32位甚至64位，并向着多线程多内核方向发展，嵌入式系统的硬件功能越来越强大。其工作频率的提升与工作效率的提高，使得嵌入式系统中的高速运算、多媒体运算等成为可能。这在运算速度、处理能力上 为实现嵌入式USB主机技术提供了保证。同时，随着IC制造技术的发展进步和USB技术的不断推广，现在已有为数不少的半导体公司提供USB主机接口芯片，如Philips,Cypress, Atmel, Ali和Scan Logic等。越来越多的片上系统中也集成了USB接口，这些硬件上的进步为实现嵌入式USB主机技术提供了良好的硬件基础。在软件方面，嵌入式操作系统的迅速发展在很

6、大程度上缓解了开发嵌入式USB主机接口的难度。以Linux操作系统为例，Linux操作系统是当前非常流行的嵌入式操作系统，它以功能强大、系统稳定、开 放源码、驱动程序丰富、支持多种硬件平台、 易于移植等特点在嵌入式领域得到越来越多的 应用。Linux内核从2.4版本以后就开始包含 USB核心子系统，支持USB主机驱动。经过以上分析，开发具备USB主机接口的嵌入式系统的软硬件环境都已经成熟。在PC领域，USB接口已经成为通用的接口之一，市场上出现了数以亿计的USB外设和接口转换设备。USB接口技术得到了非常广泛的应用和发展。目前，在嵌入式领域要充分 利用现有的资源，最好的方式之一就是在嵌入式系统

7、中提供USB主机接口。从而，摆脱以PC为中心的局面，满足人们对数据交换的可移动性和便携性的要求。 1.3课题研究的主要内容综上所述，本方案的最终目标为在基于 ARM嵌入式硬件平台和嵌入式Linux操作系统的支持下实现嵌入式系统的USB HOST功能。论文工作分两阶段完成：第一阶段为搭建基于 S3C2410B+uclinux的嵌入式开发平台。主要的工作有：设计实现符合硬 件板要求的系统启动引导程序BootLoader和在ARM板上移植uclinux内核。对uclinux内核进行裁剪、配置、交叉编译并成功移植在系统硬件平台上。总结了uclinux移植过程需要注意的事项和 make文件，对一般 Bo

8、otLoad程序进行了优化，利用Make文件研究理清了uclinux内核源代码的编译过程，使用交叉编译技术编译uclinux内核。深入研究了嵌入式操作系统linux的内存管理策略，分析了其内存管理策略存在的问题，给出改进算法，改善了 内存分配回收效率。第二阶段为在该嵌入式开发平台上实现嵌入式USB主机功能以构建完整地嵌入式 USB主机系统。在此主要完成主机控制器驱动的实现， 为此从研究USB协议规范和USB体系结构入 手，结合具体芯片的特点，总结 uclinux系统下设备驱动程序开发的一般方法，编写了 USB 主机控制器的驱动程序，实现系统板上 USB接口模块的主机功能。 1.4论文的组织结构

9、本文分为七章：第一章阐述了课题的研究背景及意义，给出了文章主要的工作内容。第二章介绍了嵌入式系统开发平台SBC2410。描述了本系统所用实际硬件平台环境，侧重介绍软件开发涉及的主要硬件；分析了构建软件开发平台需要完成的工作，包括软件方案确定、开发环境建立、开发工具简介，研究了嵌入式软件开发流程。第三章基于uclinux的USB主从机功能原理，简要介绍了 USB的拓扑结构及 USB总线传输 协议；分析USB系统与USB主从机系统工作原理。第四章研究在硬件平台上搭建操作系统环境，分析了 bootloader的代码结构及移植流程；接着分析了 linux内核，进行内核编译，同时分析了 uclinux内

10、存管理与改进。第五章介绍了 Linux操作系统下USB系统及其驱动程序的结构，分析了设备驱动程序的开 发流程，及其中断管理和初始化过程。第六章描述USB驱动在嵌入式平台上的实现，通过分析 USB文件系统，编写了基于 ARM 处理器的USB主机控制器驱动程序，在基于 ARM的嵌入式平台上实现了 USB主机控制器 功能，然后研究嵌入式平台上 USB设备的实现技术。第七章对全文进行了总结及展望2嵌入式系统开发平台 SBC2410 2.1嵌入式系统开发主要技术研究嵌入式技术是计算机技术、半导体技术和微电子技术等多种先进技术的融合。在所谓的后PC时代，随着计算机技术和通信技术的飞速发展，互联网的迅速普及

11、以及3C（计算机、通信、消费电子）融合的加速，系统的微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式技术已成为 新世纪最有生命力的技术之一，得到了飞速的发展和广泛的应用。它通过在各个行业的具体应用渗透到社会生活的各个角落，不仅广泛应用到交通、通信、工业生产、军事国防、医疗 卫生、科学教育等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域。目前， 嵌入式产品主要包括有消费类电子产品、通信和数据通信类产品、军事和航空领域的嵌入式设备、汽车电子类产品、工业自动化类应用、医疗电子类和办公自动化类产品。可见，嵌入 式系统已与人们的生活息息相关。由于嵌入式系统的外延极广，因此很难给它下一个准确的定义。目前常

12、说的嵌入式系统概念的重心放在“系统”上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围接口电路组成，软件一般由操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（如BSP层）连接。2.1.1嵌入式系统的组成与特征嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软硬件可裁减，从而能适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计 算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统组成，如图2-1所示。嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式硬件平台图2-1嵌入式系统结构图嵌入

13、式系统作为专用计算机系统，和通用计算机系统相比，具有以下典型特征：（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式处理器与通用型处理器最大不同就是嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、抗干扰性强、集成度高等特点，能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化， 移动能力大大增强，与互联网的结合也越来越紧密。 相对 通用处理器而言，嵌入式处理器的内核设计更加丰富多样，目前主流内核有 ARM核、MIPS核、68K/COLDFIRE核以及PowerPC核，它们均是针对特定领域而量身设计的。（2）嵌入式系统是将先进的计算机技术

14、、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（3）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能， 这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。因此对操作系统的要求相当高，嵌入式操作系统丰富多样，最为典型的有RT-Li nu x,Wi nCE,VxWorks,QNX 的 NeutrinoRTOS 等。（4）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行， 因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。（5）为了提高执

15、行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单 片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。（6 ）嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程 序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行进行开发。2.1.2 ARM系列处理器的体系结构ARM 公司（Adva need RISC Mach in es）成立于1990年，是嵌入式 RISC处理器的知识产权 IP 供应商，它为 ARM架构处理器提供 ARM处理器内核。目前主流的ARM处理器系列有:ARM9系列、ARM 10系列、Strong ARM系列、XScale系列。下面介绍 ARM体系结构 的一些重要概念3。1工作状态ARM处理器支持 ARM和Thumb两种工作状态。ARM工作状态下，此时处理器执行 32位、 字对齐的ARM指令。在Thumb工作状态下，此时执行 16位、半字对齐的 Thumb指令。 Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，处理器运行于 Thumb状态时，可以直接执行按 压缩方式存储的指令，这对于内存较小的嵌入式系统有着重要意义。ARM微处理器的指令长度可以是32位（在ARM状态下），也可以为 16位（在Thumb状态