摘要：基于ARM处理器的32位嵌入系统具有极高速和大容量的数据处理能力，如何设计ARM与主机设备或系统的通信接口、提升数据通信能力，成为嵌入式系统设计的一大问题。文章给出了一种USB接口方案，对比RS-232串行口，大大提高了嵌入式系统的数据吞吐能力，与以太网接口相比有即插即用特性、有块和同步等多种数据传输模式，更适合音视频码流传送。文章具体阐述了方案的硬件、软件设计，并应用于音频PCM码流传送，实验结果显示音效流畅，方案有较高参考价值。
关键词：ARM ；嵌入式系统；USB；音频PCM码流；
0 引言
常用的主机与嵌入式外设的高速通信接口有LPT并行口、USB、1394及10/100M以太网等接口。RS232不适合高速数据传送，1394接口需要专门的适配器接口成本过高，一般较少使用，USB接口被广泛用于高、中、低不同速度设备与主机通信，USB2.0的最高速度可达480Mb/s, 可传送高清晰数字视频码流，完全可以替代1394接口，USB与以太网接口相比，采用主从结构，有即插即用特性，驱动程序丰富，互操作性好等优点。
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口是1994年Intel、MICroSOFt等多家公司联合推出的计算机外设互连总线协议。USB接口支持1.5Mb/s、12Mb/s和480Mb/s的数据传输速率，支持控制、中断、批量与实时4种数据传输模式，让外围设备可以有弹性的选择。不管是交换少量或是大量的数据，还是有无时效的限制，都有合适的传输类型。USB的实时同步数据传输模式适合于高速实时音视频数据流的传送。
基于ARM（Advanced RISC Machines）处理器的32位嵌入系统具有极高运算速度和大容量的数据处理能力，常需要设计高速接口与其他设备通信，为此本文讨论基于S3C44B0X ARM7处理器的嵌入式统[3]扩展USB接口（设备端）的技术方案。
1 USB接口原理
USB1.1规范[1]将USB分为5部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备以及针对不同USB设备的客户端驱动程序。
(1) 控制器（Host Controller）主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。
(2) 控制器驱动程序（Host Controller Driver）, 在控制器与USB设备间建立通信管道（Pipe）。
(3) USB驱动程序（USB Driver），提供对不同USB设备及芯片的支持。
(4) USB设备（USB Device）, 有两类USB设备：一类称为功能设备（Function），另一类是称为USB集线器（HUB）,可以连接多个USB设备。
(5) USB设备驱动程序（Client Driver Software）及特定应用程序。
主控制器的驱动软件由操作系统支持，USB设备开发人员一般只需编写客户驱动程序，实现特定功能，设备端所有功能软件需要全面设计。
USB的四种数据传输模式分别是：控制型传输、中断型传输、批量型传输、实时型传输。第一种在缺省通道中传输USB接口本身的配置等控制信息，后面三种用于功能部件传输数据。中断型用于键盘等的异步输入输出少量数据传输，批量传输主要用于象硬盘等块设备的数据传输，在中断和批量的传输过程中要传递交互握手信号，确保数据准确无误。实时传输对带宽有严格要求，但允许有一定误码，省去了交互握手信号的传递，常用于音视频码流数据传输。四种类型数据都按带宽要求分配在1ms一帧的数据帧内进行传输，USB1.0实时传输可得到的最大带宽10.24Mbps[1]。
2 嵌入式系统USB接口设计
要满足高性能ARM嵌入式系统的要求，扩展USB接口必须选择高性能USB控制器芯片，Philips公司的PDISUBD12 USB器件，是与微处理器配合使用的高性能USB接口器件，性价比很高[2][4]。PDIUSBD12主要特性有：
(1) 符合USB 1.1 技术规范；
(2) USB控制器并行接口与处理器间的数据传输速度高达2M 字节/秒；
(3) 在批量模式和同步模式下均可实现1M 字节/秒的数据传输速率；
(4) 集成了FIFO存储收发器，支持DMA 操作；
(5) 内置时钟倍频PLL电路，可编程时钟频率输出；
(6) 多中断模式实现批量和同步传输；
采用PDIUSBD12 USB标准组件与S3C44B0X接口，减小了开发的时间、风险以及费用，是最快捷、最经济的方法实现ARM嵌入式系统扩展USB的解决方案之一。PDIUSBD12与S3C44B0X ARM7处理器的电路图见图2。因ARM7用存储器影射方法扩展I/O接口，一般按16bit方式寻址，所以U2的A0连到U1的Addr1引脚, 片选信号nGCS1的基地址是0x0200_0000。
3 ARM端USB设备程序
设备端程序主要完成：ARM BIOS和ucLinux的加载、启动通信进程、USB控制器初始化、响应主控制器标准PNP及其他命令、建立USB端点（End point）逻辑通道、数据传输操作等功能，图3是基于ARM 的USB设备与PC间音频通信的程序功能结构图。
图3
操作USB芯片的接口函数的宏定义为：
typedef unsigned short int U16 ;
#define pD12_CMD ( ( U16 *) 0x02000002 ) //指向D12命令寄存器指针
#define pD12_DAT ( ( U16 *) 0x02000000 ) //指向D12数据寄存器指针
#define D12WriteCmd( data ) (*p D12_CMD = (U16)(data) & 0xff )
#define D12WritEDAta( data ) (* pD12_DAT = (U16)(data) & 0xff )
#define D12ReadData() (* pD12_DAT & 0xff )
4 音频码流USB设备驱动程序
Windows2000中各种USB设备客户驱动程序结构框架基本相同，可以从Windows2000 DDK中获得USB设备驱动程序范例代码，对范例代码作少量修改就可以满足特定功能需要。图1显示了驱动程序各层间的数据传递关系，底层USB主控制器驱动程序（USB Host Driver）由操作系统提供支持，设备驱动程序只需要对USB Host Driver上传的I/O数据包IRP作出响应，并把要输出数据以IRP形式下传给USB Host Driver即可[5] [6]。
在ISO（实时型）模式下传输音频码流，USB客户程序除了WDM(Windows Driver Model)驱动常规处理外，必须计算好带宽，并为驱动程序在非分页存储区内分配好环行缓冲区（Ringbuffer），以便USB 主控制器可以不间断输出实时数据。RingBuffer的大小按下式计算：
每帧字节数 × 每缓冲帧数 × 缓冲区数 ；
每传完一缓冲区，USB Host Driver回调（CallBack）一次客户驱动程序，USB带宽按每1ms传送1帧数据来分配，要实现8kHz采样频率、8bits编码的音频PCM码流传输，帧数据包大小必须设为8Bytes，若设置4个缓冲区交替工作，每缓冲区分20帧传送, 则RingBuffer的大小为640Bytes，那么USB主控制器每20ms的频率中断回调一次客户驱动程序是合适的。
驱动程序通过IoSetCompletionRoutine()函数给每个IRP设置回调函数入口地址[6]，每完成一个IRP缓冲区数据传送操作，回调一次该地址指向的函数，以便把下一缓冲包数据压入到IRP栈，直到全部数据流传送完毕或人为终止传送。
5 结束语
扩展USB接口，大幅提升了32位ARM嵌入式系统数据通信的吞吐能力，有即插即用特性和多种数据传输模式，方案适合于嵌入式系统的多种应用。文章具体阐述了方案硬件、软件设计的关键问题，并讨论了如何分配USB总线带宽，实现恒速音频PCM码流传送，实验结果表明该方案能流畅地接收Windows2000通过USB接口输出话音编码信号，方案可行，具有较高参考价值。
