王靜嬌，翟剛毅，楊陽，劉劍

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二四研究所 信號系統(tǒng)部，南京211153）

王靜嬌（助理工程師），研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信；翟剛毅（高級工程師），研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)字信號處理；楊陽（助理工程師），研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)；劉劍（工程師），主要從事雷達(dá)數(shù)字電路板設(shè)計(jì)。

引 言

低功耗、低成本、外圍接口豐富、使用簡單的ARM 處理器，在電子模塊的故障檢測、監(jiān)控和輔助功能中的應(yīng)用越來越廣泛。與ARM 接口的USB外設(shè)（如USB下載電纜、無線通信模塊、人機(jī)交互模塊等）的應(yīng)用也越來越多，這些外設(shè)往往不提供針對ARM 的主機(jī)驅(qū)動程序，需要用戶自行開發(fā)。

本文以TI公司基于ARM Cortex－M4內(nèi)核的TM4C129 XNCZAD 為 核 心 構(gòu) 建 了USB2.0 主 機(jī) 系 統(tǒng)，實(shí) 現(xiàn) 了 與USB2.0設(shè)備的高速數(shù)據(jù)交互。

1 基于ULPI接口的USB2.0硬件設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，其中核心處理器為TI公司的TM4C129XNCZAD，工作時鐘可達(dá)120 MHz，提供150DMIPS的性能，具有1024KB Flash和256KB 單循環(huán)系統(tǒng)SRAM，支持UART、I2C、CAN、以太網(wǎng)、USB等通信接口并具有豐富的GPIO 口［1］，完全滿足USB2.0主機(jī)開發(fā)需求。USB 外置PHY 芯片為SMSC 公司的USB3320，支持高速、全速、低速3種USB通信模式。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 ARM 處理器USB模塊

TM4C129XNCZAD 的USB 控制器支持USB 主機(jī)、設(shè)備、OTG 三種點(diǎn)對點(diǎn)USB通信，符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，支持控制、批量、等時、中斷4種傳輸模式。圖2所示為該芯片的USB模塊結(jié)構(gòu)框圖，該模塊具有16個端口，1對控制端口和7對輸入／輸出端口；4KB專用端口內(nèi)存，端口通道均可以進(jìn)行DMA 傳輸，DMA 控制器可直接訪問FIFO，而無需通過CPU 接口。

另外，芯片內(nèi)置USB PHY，并設(shè)有ULPI接口，可以通過USBPC.ULPIEN 進(jìn)行設(shè)置選擇。默認(rèn)使用USB內(nèi)置PHY，但僅支持全速或低速通信，通過USB0DM 和USB0DP連接USB電纜。若設(shè)置USBPC.ULPIEN 為1，則使能ULPI接口，連接外部USB PHY 和USB控制器，從而擴(kuò)展為USB2.0。

1.2 基于ULPI協(xié)議的USB2.0設(shè)計(jì)

TM4C129XNCZAD處理器中USB模塊內(nèi)部的PHY為USB1.1，為了滿足高速USB 傳輸需求，采用ARM 芯片上預(yù)留的ULPI接口外接PHY 芯片，從USB1.1全速傳輸升級為USB2.0 高速傳輸，本文采用SMSC 公司的USB3320作為ULPI PHY 芯片。

圖2 TM4C129XNCZAD處理器USB模塊結(jié)構(gòu)框圖

ULPI（UTMI Low Pin Interface）是低引腳UTMI的簡稱，UTMI（USB2.0 Transceiver Macrocell Interface）為USB2.0的傳輸宏接口。UTMI PHY 主要通過一系列的控制信號來實(shí)現(xiàn)與作為LINK的USB控制器之間的交互，而ULPI將UTMI接口的信號線從32條減少至12條。ARM處理器和PHY 結(jié)合成為USB2.0的主機(jī)端，需要把PHY也配置為host主機(jī)模式，具體電路如圖3所示。ARM 處理器提供了ULPI接口，若ARM 配置為ULPI模式，則ULPI clk引腳能提供60MHz時鐘輸出給PHY芯片。

圖3 USB模塊硬件連接圖

2 USB2.0主機(jī)軟件開發(fā)

軟件的工作流程為：ARM 處理器首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括對USB模塊的初始化（即ULPI接口配置等），然后等待USB主控制器的外部中斷，當(dāng)USB設(shè)備連接主機(jī)后，由USB主控制器通過外部中斷信號通知ARM 處理器，ARM 處理器與USB主控制器完成設(shè)備的枚舉、配置，并開始USB數(shù)據(jù)傳輸［2］。

2.1 ULPI接口配置

首先，USBULPIEnable（）函數(shù)使能ARM 處理器的ULPI接口。ULPI接口的工作模式分為同步模式、低功耗模式、6／3引腳FS／LS串行模式、Carkit模式［3］，通過USBULPIConfig（）函數(shù)配置PHY 芯片的寄存器，可以使其工作在對應(yīng)模式下。本文中USB3320主要工作在同步模式下。ULPI提供了24 個寄存器，其中功能控制寄存器（Function Control Reg，F(xiàn)CR）用于實(shí)現(xiàn)對PHY 端UTMI功能的基本配置。FCR占用地址0x04h～0x06h，0x04h地址可讀可寫，而0x05h和0x06h地址實(shí)質(zhì)并不存在，只是分別實(shí)現(xiàn)了對寄存器相應(yīng)位的置位和清0 操作。函數(shù)USBULPIRegRead（）和USBULPIRegWrite（）分別實(shí)現(xiàn)了寄存器的讀寫，具體功能控制寄存器位的描述如表1 所列。FCReg的初始值為0x41h，本文中PHY芯片工作在USB2.0高速模式、正常操作狀態(tài)，所以將其設(shè)置為0x40h。

同步模式中ULPI定義了由LINK 端（ARM）發(fā)出的發(fā)送命令字TX CMD 和PHY 端發(fā)出的接收命令字RX CMD。一個TX CMD為一個字節(jié)，包括2位的命令碼和6位的命令負(fù)載碼，ARM 處理器需等到DIR 信號為低電平時才能發(fā)送TX CMD，后接需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，寄存器的讀寫就是通過發(fā)送TX CMD 來實(shí)現(xiàn)的。而RX CMD 體現(xiàn)了線上狀態(tài)（Linestate）、連接、OTG 狀態(tài)信息等，它傳達(dá)給ARM USB接收信息和中斷事件兩種信息。USB接收信息即一次USB傳輸后，PHY 要發(fā)送帶Linestate內(nèi)容的RX CMD來表示EOP（End Of Packet）；中斷事件則包括Hostdisconnect、vbus、IdGnd等，當(dāng)檢測到這些事件時，PHY 芯片就會發(fā)送RX CMD給LINK 端。

表1 功能控制器位描述

2.2 USB2.0主機(jī)驅(qū)動開發(fā)

USB主機(jī)模式主要涉及USB驅(qū)動初始化、USB設(shè)備枚舉、USB數(shù)據(jù)傳輸過程。

（1）USB驅(qū)動初始化

進(jìn)行USB驅(qū)動初始化，在USB＿Init（）函數(shù)中先配置USB模塊的引腳，包括ULPI接口引腳類型等，接著使能USB模塊，并通過USBStackModeSet（）將其設(shè)置為主機(jī)模式，注冊主機(jī)類驅(qū)動，打開類驅(qū)動實(shí)例［4］，然后初始化USB控制器，并使能USB中斷。ARM 的USB模塊初始化成功后，使能ULPI接口，并復(fù)位USB3320設(shè)備，對其進(jìn)行配置。

（2）USB設(shè)備枚舉

ARM 作為USB的主機(jī)端，需要周期性地調(diào)用USBHCDMain（）監(jiān)聽USB設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)USB設(shè)備通過PHY芯片連接上ARM 處理器后，PHY 發(fā)送RXD CMD，從而產(chǎn)生連接中斷事件通知ARM 處理器；ARM 處理器調(diào)用枚舉驅(qū)動對USB設(shè)備進(jìn)行枚舉：先復(fù)位設(shè)備，接著檢測設(shè)備運(yùn)行在低速、全速還是高速模式，再獲取USB設(shè)備描述符并重新分配地址，然后獲取配置、字符串描述符等，最后為設(shè)備驅(qū)動程序選擇配置。

USB設(shè)備的枚舉主要是主機(jī)通過控制傳輸來實(shí)現(xiàn)，每個設(shè)備都支持通過端點(diǎn)0管道完成控制傳輸?？刂苽鬏斒怪鳈C(jī)和設(shè)備之間能夠交換有關(guān)設(shè)備能力和類似廠商專有的信息，包括設(shè)置階段、數(shù)據(jù)階段（可無）、狀態(tài)階段。設(shè)置階段由一個設(shè)置事務(wù)構(gòu)成，將整個傳輸確定為控制傳輸，并發(fā)送設(shè)備請求及設(shè)備完成請求所需的其他信息。一個設(shè)置請求包含bmRequestType（1字節(jié)）、bRequest（1字節(jié)）、wValue（2字節(jié)）、wIndex（2字節(jié)）、wLength（2字節(jié)），共5個字段、8個字節(jié)，用于指示設(shè)備請求類別以及是否具有數(shù)據(jù)階段，具體由USBHCDControlTransfer（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，流程如圖4所示。

圖4 控制傳輸流程圖

（3）USB數(shù)據(jù)傳輸

批量傳輸可以發(fā)送大量數(shù)據(jù)而不阻塞總線，F(xiàn)PGA 調(diào)試主要涉及到比特流和捕捉的數(shù)據(jù)，適合采用批量傳輸。批量傳輸由一個或多個IN 或OUT事務(wù)構(gòu)成，分為批量讀數(shù)據(jù)bulkIn和批量寫數(shù)據(jù)bulkOut。所有的總線傳輸都是傳到設(shè)備端口或者從設(shè)備端口發(fā)送，端口和主機(jī)控制器之間需要建立管道來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這里分別通過IN 和OUT 端口，在枚舉期間也需要分別對每個端口建立管道。函數(shù)USBbulkIn（）通過讀取通向IN端口的管道進(jìn)行讀操作，函數(shù)USBbulkOut（）則通過OUT端口的管道進(jìn)行寫操作，USBbulkOut（）函數(shù)的實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示，USBbulkIn（）函 數(shù)類似。

圖5 批量讀流程圖

結(jié) 語

本文通過外接USB PHY 擴(kuò)展了TM4C129XNCZAD芯片的USB模塊，并通過編寫USB核心驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了USB2.0 設(shè)備的枚舉、數(shù)據(jù)傳輸，完成了基于ARM 的USB2.0的主機(jī)開發(fā)。本系統(tǒng)應(yīng)用在FPGA 遠(yuǎn)程調(diào)試中，可以實(shí)現(xiàn)FPGA 下載電纜在ARM 上的枚舉、數(shù)據(jù)14 傳輸?shù)裙δ?，成功地進(jìn)行FPGA 的加載和調(diào)試，并可以廣泛應(yīng)用于其他USB設(shè)備的連接。

［1］Texas Instruments Incorporated.Tiva TM4C129XNCZAD Microcontroller Data Sheet，2013：58－61.

［2］Jan Axelson.USB開發(fā)大全［M］.李鴻鵬，譯.北京：人民郵電大學(xué)出版社，2011.

［3］鄭拓.USB2.0主機(jī)端（ULPI）的FPGA 設(shè)計(jì)［D］.太原：太原理工大學(xué)，2011.

［4］李紀(jì)偉.基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)研究及USB驅(qū)動程序設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2005.