基于μCLinux的USB驱动程序实现

摘 要：μClinux是一种面向嵌入式微处理器的微型操作系统，已经在嵌入式操作系统中占有重要地位。在此介绍FTDI公司的USB芯片FT245BL的主要性能、工作原理，并将其应用在Blackfin ADSP-BF533微处理器的嵌入式开发平台上，说明在μClinux下编写与加载USB接口芯片FT245BL的驱动程序方法，实现了DSP主板的 USB端口通信。
关键词：μClinux；嵌入式系统；FT245BL；设备驱动程序


0 引 言
    μClinux是针对嵌入式控制领域的操作系统，它继承了Linux内核的绝大部分特性，专为没有内存管理单元MMU的嵌入式微处理器而设计。它内核小，效率高，源代码开放，包含了完整的TCP／IP网络协议。ADSP-BF533是ADI公司Blackfin系列的高速数字信号处理器芯片。 Blackfin系列是ADI与Intel联合开发的体现高性能体系结构的首款第四代DSP产品，16位定点DSP内核，新型指令结构，支持C／C++编程，主频达600 MHz，内核电压1．2 V，具有动态电源管理能力，功耗低，扩展能力强，被广泛应用于各种信号处理。
    这里使用基于Blackfin ADSP-BF533微处理器的μClinux开发板，在对外通信时需用到USB接口。结合实际情况，选择FTDI公司推出的USB芯片FT245BL。主要介绍USB芯片FT245BL的工作原理和电路设计，以及如何在μClinux操作系统下编写和添加其驱动程序的方法。


1 FT245BL工作原理与电路设计
    传统USB芯片要求设计人员对USB的标准、Firmware编程及驱动程序的开发等有较深入的理解，工作量大，开发周期长，需要经验丰富的设计者才能完成；而FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd．)公司推出的USB芯片FT245BL集成了微控制器，并且把实现USB通信协议的固件程序直接固化在芯片中，同时提供了PC端的没备驱动程序，用户只需进行必要的硬件设计和简单的软件编程，所以大大降低了开发难度。
1．1 功能结构
    FT245BL是FTDI公司的一款并行FIFO双向数据传输的USB芯片，对于微处理器它提供8位并行数据总线D0～D7，对于外部主机是标准串行总线或虚拟接口，其数据传输速率最高可达1 MB／s，提供USBl．1／2．O规范的全速物理接口，支持UHCI／OHCI／EHCI主控制器。
    FT245BL芯片的内部系统结构框架图如图1所示，芯片主要由3．3 V稳压器、USB收发器、串行接口引擎(SIE)、USB协议引擎和先进先出(FIFO)控制器、6 MHz振荡器、8×倍频器、USB锁相环、复位器、E。PROM接口等构成。其内部设置了2个FIFO数据缓冲区，一个是128 B的接收缓冲区；一个是384 B的发送缓冲区。串行接口引擎用来完成USB数据的串／并双向转换；USB协议引擎用于管理来自USB设备控制端口的数据流，实现USB主机控制器需要的 USB底层协议。
1．2 工作原理
    DSP与FT245BL接口框图如图2所示。主板CPLD用AMS[0：3]和高5位地址线(A19～A15)进行译码；FT245BL的TXE和RXF 信号在查询地址有效时，通过DSP读取其状态，判断是否发送数据或接收数据；TXE用于判断发送FIFO是否满，0为不满，1为满，当TXE为0时，外部 DSP向发送FIFO缓冲区写数据，直到发送数据全部写入；RXF用于判断接收FIFO是否有数据，只要数据个数≥1，RXF就为低，通知DSP可以读取数据。FT245BL的RD和WR信号在读写地址有效时，分别与DSP的ARE和AWE相连，DSP可以读取接收数据和写入发送数据。

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1．3 电路设计
    FT245BL芯片使用主板上的3．3 V和5 V电源供电，主板对外作为一个USB设备。USB总线的电源线连接在芯片的复位引脚RESET上，这样保证了USB芯片平时处于复位状态。

    当USB总线连接到主机时，电源线变高，RESET变高，最终导致RSTOUT变高，由于USBDP引脚配置了一个1．5 kΩ的上拉电阻连到RSTOUT引脚，使得芯片以全速状态连接到主机。FIFO控制器接口包括8位数据线D7～D0、读RD、写WR、发送使能TXE、接收完毕RXF的5个信号。由于FT245BL芯片没有片选线，所以信号都是经过主板CPLD内部的译码电路处理后才连接的。DSP采用中断机制读取 FIFO的数据，所以将RXF连接DSP的可编程端口(PF3)，用以产生中断。

2 FT245BL驱动程序的编写
    这里以ADI公司的ADSP-BF533为例，介绍USB接口芯片FT245BL在μClinux下驱动程序的编写。依据FT245BL芯片的结构和接口设计，决定将其作为字符设备来开发它的驱动程序。所用开发平台的硬件结构如下：

   
2．1 确定设备的设备名称和主设备号
    主设备号是内核识别不同类型设备的惟一标识，内核利用主设备号将设备与相应的驱动程序对应起来。开发新的驱动程序，必须找到一个还未被使用的主设备号，分配给自己的字符设备。主设备号的确定可以通过两种方法：一是静态定义；二是动态分配。该驱动采用的是静态主设备号，在ft245b1．C文件中直接定义设置为254，#define ft245bl_major 254。
2．2 确定编写需要的file-operations数据结构中的功能函数
    该驱动文件ft245b1．C中定义的file_operations数据结构：

   

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2．3 设备的注册与注销
    设备驱动在调用前必须首先向系统注册，这时就执行加载函数static int_init ft245bl_init(void)。该函数的核心语句是 register_chrdev(ft245bl_major，FT245BL_DEV，&ft245bl_fops)字符注册函数。其中，ft245bl_major是设备驱动向系统申请的主设备号；FT245BL_DEV是USB设备的名称；ft245bl_fops是之前定义为 file_operations数据结构的各个功能函数的文件指针。该函数返回值为0，表示注册成功；返回-INVAL，表示申请的主设备号非法；返回 -EBUSY，表示该设备号正在使用。设备注册成功后，设备名会出现在系统的／proc／devices文件中。
    设备有注册就有卸载，卸载字符设备需要调用函数unregister_chrdev(ft245bl_major，FT245BL_DEV)，参数有主设备号和设备名两个，USB退出驱动，用staticvoid_exit ft245bl_exit(void)函数。
2．4 编写相应的功能函数
    对于每一个设备驱动程序来说，都有一些与此设备密切相关的功能函数，通常对于块设备或者字符设备来说，都存在着诸如打开、关闭、读、写这一类的操作。当进行系统调用时，将自动地使用驱动函数中特定的函数来实现具体的操作。打开函数open()主要完成以下操作，即检查设备错误(诸如设备未就绪或相似的硬件问题)，如果是首次打开，则初始化设备；读取次设备号；分配和填写要放在file→private-data内的数据结构；增加使用计数。读函数 read()用来从外部设备中读取数据，当其为NULL指针时，将引起read()系统调用返回-EINVAL(“非法参数”)。函数返回一个非负值表示成功地读取了多少字节。写函数write()向外部设备发送数据，如果没有这个函数，返回一个-EINVAL；如果返回值非负，就表示成功写入的字节数。当设备被关闭时调用release()这个操作，有时也称为close()。它应该完成以下操作：使用计数减1;释放open分配在 file→rivate-data中的内存；在最后一次关闭操作时关闭设备。下面是FT245BL驱动程序读函数read()的实现：

    读取函数ft245bl_read通过判断USB芯片RXF管脚的状态来处理接收到的数据，如果RXF为0，表示接收缓冲区(RX FIFO)中至少有1个数据，处理器读取一个数据后重新回到判断；如果RXF为1，表示芯片没有接收到数据，这时程序启动中断等待事件函数 wait_event_interruptible，内核从USB设备驱动中释放出来，运行其他程序，直到有新的数据到来时，内核首先执行中断处理函数 ft245bl_rx_handler，将中断标志位irqflag置1，唤醒等待队列ft245bl_waitqueue，然后再回到读取函数中继续运行。
2．5 中断处理
    设备驱动程序通过调用中断申请函数申请中断，其格式为：

    函数调用成功返回0值，返回-INVAL表示中断号超出范围或者handler=NULL；返回-BUSY表示中断已经被占用且不能共享。其中，handler是中断处理子程序指针，中断产生时自动调用该函数；参数irq为中断号；pt_regs为中断发生之前寄存器的映像，很少使用；irqflags控制中断行为。irqflags=SA_INTER-RUPT表示它在运行时将禁止所有的中断；irqflags=SA_SHIRQ 表示共享此中断处理程序；devname为设备名称；dev_id用于支持中断的共享，它将作为第2个参数传递给中断处理函数，可以利用它来传递一些必要的信息。该中断处理程序如下：

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3 实现驱动程序的加载
    驱动程序可以按照两种方式编译：一种是静态编译进内核；另一种是编译成模块以供动态加载。该设备驱动程序采用静态编译进μClinux内核。下面以在嵌入式μClinux系统中需新增一个USB字符型设备FT245BL为例，介绍设备驱动程序的添加的一系列步骤。
3．1 配置相关信息
    首先，将编写好的驱动程序复制到μClinux系统的文件目录中。新建ft245bl目录统一管理USB设备的驱动文件包括C文件、头文件、编译文件、配置文件，存放于目录μClinux-dist／linux-2．6．x／drivers／char／下，在ft245bl下新建Makefile，并在下面两个编译文件中添加编译指令：

    在ft245bl下新建配置文件Kconfig，添加驱动名FT245BL_DRIVER、菜单选项名称USB ft245bl Driv-er、菜单有效选项DRIVER_FT245BL及驱动说明，代码如下：

    第1项是μClinux系统为设备驱动创建的驱动文件名及所在目录；第2项是设备类型；第3项是设备驱动文件的权限；第4，5项分别为用户ID和组ID；第6，7项为主设备号和次设备号；第8，9，10项分别为次设备号的起始号码、增量和数量。
3．2 编译驱动程序
    在／home／μClinux／μClinux-dist目录下运行make menueonfig进行配置，在字符设备选项中可以看见刚刚添加的FT245BL Driver选项，选中它。通过make的一系列编译，所有内核和应用程序源代码将被编译，编译结束后将产生二进制文件uImage。
3．3 加载驱动程序
    这里的BF533主板中数据存储器SDRAM大小为32 MB，地址为0～Ox02000000；异步存储区BootFLASH大小为4 MB，地址为0x20000000～0x203FFFFF。在／home／μClinux／μClinux-dist运行指令下，把uImage文件拷贝到／svr／tftp目录，tftp是一个简单的ftp下载：
    cp images／uImage／svr／tftp
    打开超级终端μClinux，接通目标板电源或按复位键，目标板上的u-boot自动启动，通过超级终端的串口输入命令：

    到此，在μClinux中添加设备驱动程序的工作已经完成。

4 结 语
    介绍了基于Blackfin ADSP-BF533开发板，在μClinux环境下USB芯片FT245BL驱动程序的设计与加载。简述了设备驱动程序开发的过程，并给出了读函数和中断函数的实例，说明了在μiClinux下如何添加FT245BL驱动程序的方法，实现了DSP主板的USB端口通信。