1 引言
在现代社会,嵌入式系统逐渐深入到人们生活的方方面面,各类嵌入式系统产品之间往往通过某种接口进行交互或数据传递。而现在,USB已经成为嵌入式数据交换的最主要的方式,可是各种USB接口的设备都是基于PC机系统的,所以,基于嵌入式系统的USB接口的研究具有实用的价值和意义,特别是起Master作用的HOST端接口的研究。
解决这一问题的根本办法就是在需要使用USB设备的嵌入式系统中扩展USB Host功能模块,使之具有与USB设备进行数据传输的能力。
USB协议按功能分为2部分,USB HOST（USB主协议）和USB SLAVE（USB从协议）分别应用于USB HOST CONTROLLER（USB主控制器）和USB DEVICE（USB设备）。一般,USB HOST要比USB SLAVE复杂,对于广大的非PC用户来说,尤其是嵌入式系统用户来说,由于USB协议的不对称性,使得实现USB HOST比USB SLAVE要困难地多,Philips公司的ISP1161A1芯片很好地解决了这种问题,他封装了复杂的USB协议,使得在嵌入式系统中实现USB HOST和USB SLAVE变得简单方便。
2 USB HOST技术简介
USB的通信可以用图1表示,图1中,左半部分为USB主机端,可以看出,USB主机端由2部分构成,即软件体和硬件体,实际上是3个软件组件组成了USB HOST解决方案,即USB客户驱动程序,USB驱动程序和USB主机控制器驱动程序,应用程序的事务处理是由USB客户驱动程序（设备驱动程序）启动的,客户驱动程序把USB设备当做一个可以被访问的端点集合,他可以被控制并与他的功能单元进行通信,USB系统软件包括USB驱动程序和USB主控制器驱动程序,USB驱动程序负责配置管理、用户管理、总线管理和数据传输,USB主控制器驱动程序负责调度管理,队列管理和控制器管理,以及数据的位编码、封包、循环校验、发送、错误处理等。
如图2所示,USB HOST的软件结构分为3大部分,即USB总线驱动（USBD）,USB HOST控制器驱动（HCD）、客户软件、其中客户软件处理和设备有关的信息,USBD处理和硬件无关的协议,而HCD则处理与硬件相关的协议,USBD和HCD都包含了一系列管理各种状态的寄存器。
3 SP1161体系结构
要实现USB协议,必须要通过一系列寄存器来完成,这些寄存器要能实现USB软件结构中的USBD和HCD,即要完成USB协议状态的控制,还要有一定的缓冲区来存放进出的数据,ISP1161专门针对USB协议设计的特殊硬件结构可方便地实现USB HOST和USB SLAVE。ISP1161的硬件结构主要是3类不同的寄存器,用户通过操作这3种寄存器来达到实现USB传输的目的,这3类寄存器是：
（1）HC control and status registers：USB主控制器控制和状态寄存器,主要用于传输过程中控制命令的存放和状态的读取,可读可写的寄存器有2个地址,只读或只写的寄存器只有1个地址。
（2）Isochronous Transfer List （ITL）：同步传输列表缓冲区。
（3）Acknowledged Transfer List（ATL）：接收传输列表缓冲区。
根据USB协议,数据传输分为4种模式,Control（控制）,Bulk（整批）,Interrupt（中断）和Isochronous（同步）。其中ITL是为了实现同步传输,ATL则实现其他3种模式的传输。
4 ISP1161x主控制器编程实现
设计ISP1161x主控制驱动程序主要涉及以下2个重要内容,下面详细介绍：
4.1 读/写ATL和ITL缓冲区
ATL和ITL缓冲区的位于ISP1161x内部的FIFO缓冲RAM之中,每个缓冲区包含许多PTD（Philips Transfer Descriptor）,而PTD用于主控制器硬件发送或接收USB包从USB设备,作为调度USB传输的一部分,HCD在系统内存中购建PTD。然后HCD将购建好的PTD移入ATL或者ITL缓冲区,主控制器硬件允许软件去访问每一个缓冲区,就像他们是分离的硬件缓冲区,HCD访问ATL缓冲区通过硬件寄存器HcTransferCounter（22H/A2H）和HcATLBufferPort（41H/C1H）,而ITL缓冲区则由HcTransferCounter和HcITLBufferPort（40H/C0H）访问。下面一段示例代码取自于本项目,其功能是向ATL缓冲区写数据,hci→hp→atl_len表示,ATL则在内存中还没有发送的数据的长度,hci→hp→tl表示缓冲区的地址。
4.2硬件初始化过程
当ISP1161x上电时,主控驱动程序（HCD）必须经过下列的顺序对硬件进行初始化,以便主控制器进入可操作状态。
检测主控制器,软件复位主控制器,配置HcHardwareConfiguration寄存器,配置中断;配置HcControl寄存器,配置HcFmInterval寄存器,配置根集线寄存器,设置ITL和ATL缓冲区长度,安装INT1中断服务程序。
4.2.1 检测主控制器
检测的工作由HCD完成的,HCD通过向寄存器HcScratch写一个值,接着从该寄存器读出,与刚才写入的值进行比较。如果写入的和读出的值相等,HCD得出结论：主控制器存在,对HcCHipID寄存器的读也被用来作为额外的条件来检测该寄存器。
4.2.2 主控制器的软件复位
软件复位主控制器通常包括2个步骤：复位主控制器;设置主控制器为RESET状态。
HCD通过设置在HcCommandStatus寄存器的HCR位来复位主控制器：
一旦主控制器复位了,HCD必须通过设置HcControl寄存器的HCFS字段为00B,以便使主控制器为RESET状态。
4.2.3 配置HcHardwareConfiguration寄存器
WRITE_REG16（hci,InterruptPinEnable|InterruptPin Trigger InterruptOutputPolarity |DataBusWidth16|AnalogOCEnable,HcHardwareConfiguration）;
上述这段代码表示将主控制器初始化为INT1允许,中断是边沿触发,中断的输出极性为高电平,数据线的宽度为16b,使用片上过流检测,模拟输入。
4.2.4 配置中断
主控制器ISP1161x有2组中断源,第一组包含USB事件产生的中断,比如Start of Frame,调度溢出和根集线器状态改变,这些中断的发生由HcInterruptEnable和HcInterruptDisable寄存器联合控制,而每个中断的状态由HcInterruptStatus寄存器标识。
第二组是主控制器中状态变化所引起的中断,比如,主控制器延迟所产生的中断,同样,在第一组中断中的任何组合是第二组中断的中断源。
4.2.5 配置HcFmInterval寄存器
HcFmInterval寄存器的14位值[FrameInteral,FI]用于表示一帧之内所占用的比特时间（在2个连续的SOFs,15位的值[FSLargestDataPacket,PSMPS）用于表示在没有引发调度溢出下可发送或接收全速最大包大小,FI,PSMPS的推荐值为0x2EDF和0x2778,所以将调用下列语句对该寄存器进行初始化：
WRITE_REG32（hci,0x2EDF|（0x2778<<16）,HcFmInterval）;
4.2.6 配置Root Hub（根集线器）寄存器
随着初始化的深入,下面的专门针对根集线器3个寄存器也必须初始化：HcRhDescriptorA,HcRhDescriptorB和HcRhStatus,前2个寄存器是根据电路板的制作自动由ISP1161x配置的,这2个寄存器均用来描述根集线器的特性。
HcRhStatus被划分为2个部分,低字部分表示集线器状态,而高字部分表示集线器状态的改变,还有保留部分必须被初始化为逻辑0。
4.2.7 设置ITL和ATL缓冲区的长度
主控制器ISP1161x内部的FIFO缓冲区有4kb/s,而这4k将被ATL和ITL划分为2部分,分由HcATLBufferLength和HcITLBufferLength寄存器表示,ITL缓冲区又进一步被分为2个相同的ITO0和ITD01缓冲区,ATL缓冲区必须存在,因为ATL缓冲区用于控制,中断和大批量传输,而ITL的存在与否是可选的。
4.2.8 设置INT1中断的服务程序
如果在主控制器中发生一个或多个中断,ISP1161x的INT1引脚将会通知微处理器,在本项目中,INT1的引脚直接接在ARM的INT0引脚上,驱动程序通过Linux提供的函数request_irq向操作系统申请中断号,并在此函数中向操作系统提供中断处理函数。
request_irq（irq,hc_interrupt,0,"ISP116x",hci）
irq为中断号;hc_interrupt为中断处理函数,0为中断标记,"ISP116x"表示中断设备名称;hci在此表示中断设备号。
5 在μClinux中编译USB主控驱动
接下来就如何将驱动文件编译到嵌入式操作系统做一个简要说明。
（1）将上述文件拷贝到drivers/USB/
（2）编辑Drivers/USB/Makefile文件,添加以下内容：
obj-$（CONFIG_USB_ISP1161）+=hc_isp1161.o
（3）编辑driver/USB/config.in文件,添加如下内容：
Dep_tristat iisp1161（Philips）support iCONFIG_USB_ISP1161 $ CONFIG_USB
（4）编译μClinux内
编译成功后把生成的映象文件用JTAG烧写器烧写到开发板的ROM中,启动后进行验证实现了对ISP1161A1的控制。
6 结语
ISP1161A1使得在嵌入式系统中实现USB HOST变得十分简单方便,便于嵌入式系统中USB的普及。