基于μCLinux的USB芯片FT245BL驅動程序實現

μClinux是一種面向嵌入式微處理器的微型操作系統，已經在嵌入式操作系統中占有重要地位。在此介紹FTDI公司的USB芯片FT245BL的主要性能、工作原理，并將其應用在Blackfin ADSP-BF533微處理器的嵌入式開發平臺上，說明在μClinux下編寫與加載USB接口芯片FT245BL的驅動程序方法，實現了DSP主板的USB端口通信。
關鍵詞：μClinux；嵌入式系統；FT245BL；設備驅動程序

0 引 言
??? μClinux是針對嵌入式控制領域的操作系統，它繼承了Linux內核的絕大部分特性，專為沒有內存管理單元MMU的嵌入式微處理器而設計。它內核小，效率高，源代碼開放，包含了完整的TCP／IP網絡協議。ADSP-BF533是ADI公司Blackfin系列的高速數字信號處理器芯片。Blackfin系列是ADI與Intel聯合開發的體現高性能體系結構的首款第四代DSP產品，16位定點DSP內核，新型指令結構，支持C／C++編程，主頻達600 MHz，內核電壓1．2 V，具有動態電源管理能力，功耗低，擴展能力強，被廣泛應用于各種信號處理。
??? 這里使用基于Blackfin ADSP-BF533微處理器的μClinux開發板，在對外通信時需用到USB接口。結合實際情況，選擇FTDI公司推出的USB芯片FT245BL。主要介紹USB芯片FT245BL的工作原理和電路設計，以及如何在μClinux操作系統下編寫和添加其驅動程序的方法。

1 FT245BL工作原理與電路設計
??? 傳統USB芯片要求設計人員對USB的標準、Firmware編程及驅動程序的開發等有較深入的理解，工作量大，開發周期長，需要經驗豐富的設計者才能完成；而FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd．)公司推出的USB芯片FT245BL集成了微控制器，并且把實現USB通信協議的固件程序直接固化在芯片中，同時提供了PC端的沒備驅動程序，用戶只需進行必要的硬件設計和簡單的軟件編程，所以大大降低了開發難度。
1．1 功能結構
??? FT245BL是FTDI公司的一款并行FIFO雙向數據傳輸的USB芯片，對于微處理器它提供8位并行數據總線D0～D7，對于外部主機是標準串行總線或虛擬接口，其數據傳輸速率最高可達1 MB／s，提供USBl．1／2．O規范的全速物理接口，支持UHCI／OHCI／EHCI主控制器。
??? FT245BL芯片的內部系統結構框架圖如圖1所示，芯片主要由3．3 V穩壓器、USB收發器、串行接口引擎(SIE)、USB協議引擎和先進先出(FIFO)控制器、6 MHz振蕩器、8×倍頻器、USB鎖相環、復位器、E。PROM接口等構成。其內部設置了2個FIFO數據緩沖區，一個是128 B的接收緩沖區；一個是384 B的發送緩沖區。串行接口引擎用來完成USB數據的串／并雙向轉換；USB協議引擎用于管理來自USB設備控制端口的數據流，實現USB主機控制器需要的USB底層協議。
1．2 工作原理
??? DSP與FT245BL接口框圖如圖2所示。主板CPLD用AMS[0：3]和高5位地址線(A19～A15)進行譯碼；FT245BL的TXE和RXF信號在查詢地址有效時，通過DSP讀取其狀態，判斷是否發送數據或接收數據；TXE用于判斷發送FIFO是否滿，0為不滿，1為滿，當TXE為0時，外部DSP向發送FIFO緩沖區寫數據，直到發送數據全部寫入；RXF用于判斷接收FIFO是否有數據，只要數據個數≥1，RXF就為低，通知DSP可以讀取數據。FT245BL的RD和WR信號在讀寫地址有效時，分別與DSP的ARE和AWE相連，DSP可以讀取接收數據和寫入發送數據。

1．3 電路設計
??? FT245BL芯片使用主板上的3．3 V和5 V電源供電，主板對外作為一個USB設備。USB總線的電源線連接在芯片的復位引腳RESET上，這樣保證了USB芯片平時處于復位狀態。

??? 當USB總線連接到主機時，電源線變高，RESET變高，最終導致RSTOUT變高，由于USBDP引腳配置了一個1．5 kΩ的上拉電阻連到RSTOUT引腳，使得芯片以全速狀態連接到主機。FIFO控制器接口包括8位數據線D7～D0、讀RD、寫WR、發送使能TXE、接收完畢RXF的5個信號。由于FT245BL芯片沒有片選線，所以信號都是經過主板CPLD內部的譯碼電路處理后才連接的。DSP采用中斷機制讀取FIFO的數據，所以將RXF連接DSP的可編程端口(PF3)，用以產生中斷。

2 FT245BL驅動程序的編寫
??? 這里以ADI公司的ADSP-BF533為例，介紹USB接口芯片FT245BL在μClinux下驅動程序的編寫。依據FT245BL芯片的結構和接口設計，決定將其作為字符設備來開發它的驅動程序。所用開發平臺的硬件結構如下：

???
2．1 確定設備的設備名稱和主設備號
??? 主設備號是內核識別不同類型設備的惟一標識，內核利用主設備號將設備與相應的驅動程序對應起來。開發新的驅動程序，必須找到一個還未被使用的主設備號，分配給自己的字符設備。主設備號的確定可以通過兩種方法：一是靜態定義；二是動態分配。該驅動采用的是靜態主設備號，在ft245b1．C文件中直接定義設置為254，#define ft245bl_major 254。
2．2 確定編寫需要的file-operations數據結構中的功能函數
??? 該驅動文件ft245b1．C中定義的file_operations數據結構：

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2．3 設備的注冊與注銷
??? 設備驅動在調用前必須首先向系統注冊，這時就執行加載函數static int_init ft245bl_init(void)。該函數的核心語句是register_chrdev(ft245bl_major，FT245BL_DEV，&ft245bl_fops)字符注冊函數。其中，ft245bl_major是設備驅動向系統申請的主設備號；FT245BL_DEV是USB設備的名稱；ft245bl_fops是之前定義為file_operations數據結構的各個功能函數的文件指針。該函數返回值為0，表示注冊成功；返回-INVAL，表示申請的主設備號非法；返回-EBUSY，表示該設備號正在使用。設備注冊成功后，設備名會出現在系統的／proc／devices文件中。
??? 設備有注冊就有卸載，卸載字符設備需要調用函數unregister_chrdev(ft245bl_major，FT245BL_DEV)，參數有主設備號和設備名兩個，USB退出驅動，用staticvoid_exit ft245bl_exit(void)函數。
2．4 編寫相應的功能函數
??? 對于每一個設備驅動程序來說，都有一些與此設備密切相關的功能函數，通常對于塊設備或者字符設備來說，都存在著諸如打開、關閉、讀、寫這一類的操作。當進行系統調用時，將自動地使用驅動函數中特定的函數來實現具體的操作。打開函數open()主要完成以下操作，即檢查設備錯誤(諸如設備未就緒或相似的硬件問題)，如果是首次打開，則初始化設備；讀取次設備號；分配和填寫要放在file→private-data內的數據結構；增加使用計數。讀函數read()用來從外部設備中讀取數據，當其為NULL指針時，將引起read()系統調用返回-EINVAL(“非法參數”)。函數返回一個非負值表示成功地讀取了多少字節。寫函數write()向外部設備發送數據，如果沒有這個函數，返回一個-EINVAL；如果返回值非負，就表示成功寫入的字節數。當設備被關閉時調用release()這個操作，有時也稱為close()。它應該完成以下操作：使用計數減1;釋放open分配在file→rivate-data中的內存；在最后一次關閉操作時關閉設備。下面是FT245BL驅動程序讀函數read()的實現：

??? 讀取函數ft245bl_read通過判斷USB芯片RXF管腳的狀態來處理接收到的數據，如果RXF為0，表示接收緩沖區(RX FIFO)中至少有1個數據，處理器讀取一個數據后重新回到判斷；如果RXF為1，表示芯片沒有接收到數據，這時程序啟動中斷等待事件函數wait_event_interruptible，內核從USB設備驅動中釋放出來，運行其他程序，直到有新的數據到來時，內核首先執行中斷處理函數ft245bl_rx_handler，將中斷標志位irqflag置1，喚醒等待隊列ft245bl_waitqueue，然后再回到讀取函數中繼續運行。
2．5 中斷處理
??? 設備驅動程序通過調用中斷申請函數申請中斷，其格式為：

??? 函數調用成功返回0值，返回-INVAL表示中斷號超出范圍或者handler=NULL；返回-BUSY表示中斷已經被占用且不能共享。其中，handler是中斷處理子程序指針，中斷產生時自動調用該函數；參數irq為中斷號；pt_regs為中斷發生之前寄存器的映像，很少使用；irqflags控制中斷行為。irqflags=SA_INTER-RUPT表示它在運行時將禁止所有的中斷；irqflags=SA_SHIRQ表示共享此中斷處理程序；devname為設備名稱；dev_id用于支持中斷的共享，它將作為第2個參數傳遞給中斷處理函數，可以利用它來傳遞一些必要的信息。該中斷處理程序如下：

3 實現驅動程序的加載
??? 驅動程序可以按照兩種方式編譯：一種是靜態編譯進內核；另一種是編譯成模塊以供動態加載。該設備驅動程序采用靜態編譯進μClinux內核。下面以在嵌入式μClinux系統中需新增一個USB字符型設備FT245BL為例，介紹設備驅動程序的添加的一系列步驟。
3．1 配置相關信息
??? 首先，將編寫好的驅動程序復制到μClinux系統的文件目錄中。新建ft245bl目錄統一管理USB設備的驅動文件包括C文件、頭文件、編譯文件、配置文件，存放于目錄μClinux-dist／linux-2．6．x／drivers／char／下，在ft245bl下新建Makefile，并在下面兩個編譯文件中添加編譯指令：

??? 在ft245bl下新建配置文件Kconfig，添加驅動名FT245BL_DRIVER、菜單選項名稱USB ft245bl Driv-er、菜單有效選項DRIVER_FT245BL及驅動說明，代碼如下：

??? 第1項是μClinux系統為設備驅動創建的驅動文件名及所在目錄；第2項是設備類型；第3項是設備驅動文件的權限；第4，5項分別為用戶ID和組ID；第6，7項為主設備號和次設備號；第8，9，10項分別為次設備號的起始號碼、增量和數量。
3．2 編譯驅動程序
??? 在／home／μClinux／μClinux-dist目錄下運行make menueonfig進行配置，在字符設備選項中可以看見剛剛添加的FT245BL Driver選項，選中它。通過make的一系列編譯，所有內核和應用程序源代碼將被編譯，編譯結束后將產生二進制文件uImage。
3．3 加載驅動程序
??? 這里的BF533主板中數據存儲器SDRAM大小為32 MB，地址為0～Ox02000000；異步存儲區BootFLASH大小為4 MB，地址為0x20000000～0x203FFFFF。在／home／μClinux／μClinux-dist運行指令下，把uImage文件拷貝到／svr／tftp目錄，tftp是一個簡單的ftp下載：
??? cp images／uImage／svr／tftp
??? 打開超級終端μClinux，接通目標板電源或按復位鍵，目標板上的u-boot自動啟動，通過超級終端的串口輸入命令：

??? 到此，在μClinux中添加設備驅動程序的工作已經完成。

4 結 語
??? 介紹了基于Blackfin ADSP-BF533開發板，在μClinux環境下USB芯片FT245BL驅動程序的設計與加載。簡述了設備驅動程序開發的過程，并給出了讀函數和中斷函數的實例，說明了在μiClinux下如何添加FT245BL驅動程序的方法，實現了DSP主板的USB端口通信。