通用串行總線（USB）是一種用于連接計算機與外圍設備的串行接口標準，具有結構簡單、配置靈活、即插即用、支持熱插拔、可靠性高、成本低等優點[1]。USB接口主機端為支持USB主機協議的計算機系統，在機載計算機領域，USB接口主機端一般為嵌入式的控制設備。USB接口主機端在USB總線上占控制地位，可以掛載USB外設，所有的USB接口傳輸事務由主機端發起，控制整個USB總線工作。
    本文提出一種適用于機載計算機領域的USB接口主機端設計，采用PowerPC系列處理器作為USB主機端的控制器，基于PCI總線與USB控制器連接，構成基于PCI總線的USB接口主機端嵌入式設備。基于VxWorks操作系統完成USB接口主機端的驅動程序設計和開發，實現了一套完整的USB接口主機端軟硬件產品。利用U盤作為USB外設，對所設計的USB接口主機端進行了測試和驗證。結果表明，本文設計的USB接口主機端能夠很好地支持與USB外設的USB通信訪問和控制。
1 USB接口主機端分析
    USB總線系統由USB主機、USB外設及USB互聯總線三部分構成。USB主機作為USB通信主控設備，主動發起對USB外設的訪問、控制及通信操作。USB總線作為一種標準通信協議，其主機端層次結構如圖1所示[2]。

    如圖1所示，USB主機端采用分層結構，其層次包括USB硬件層、USB主機控制器驅動層、USB主機協議驅動層和USB主機應用層，其中USB硬件層功能由硬件USB控制器完成，之上3層由軟件完成。USB硬件層主要由USB主機控制器實現，負責完成USB總線的物理層和鏈路層協議，并對軟件提供配置和操作接口，由軟件實現對USB控制器的通信控制和總線訪問等功能。USB主機控制器驅動層實現USB主機控制器的驅動程序，該部分驅動程序需針對不同的USB主機控制器芯片的操作接口進行開發，一方面，通過軟件實現了USB硬件層的接口，完成對USB控制器基本操作的控制；另一方面，向上層提供了一個統一的接口抽象，屏蔽了底層硬件控制器的差異。USB主機協議驅動層提供USB協議的主機驅動程序，通過USB主機控制器層的抽象，使該部分程序不依賴于具體硬件層，利用下層的封裝接口，實現對USB總線的控制和管理，為上層軟件提供USB總線的訪問控制。USB主機應用層利用USB主機協議層驅動，實現對USB外設的訪問，實現獨立的USB功能，常見的USB主機應用層功能包括USB存儲外設訪問控制、USB鼠標鍵盤訪問控制等。
2 基于PCI總線的USB接口設計
    機載計算機中一般選用具有高可靠性的PowerPC系列處理器。在PowerPC8270處理器芯片中，集成了PCI橋功能，支持標準的PCI總線訪問控制。本文USB主機端硬件設計選用PowerPC8270處理器，通過PCI總線接口連接USB控制器，完成USB主機硬件功能。USB主機核心硬件設計如圖2所示。

    如圖2所示，主機端處理器PowerPC8270芯片通過內部集成的PCI橋功能，經PCI總線連接USB控制器；USB控制器芯片選用ISP1562芯片，該芯片具有標準的PCI總線接口，內部集成PCI核，可支持其作為PCI主設備或從設備工作，內部支持2個OHCI控制器核和1個增強型EHCI控制器核，可支持低速1.5 Mb/s、全速12 Mb/s和高速480 Mb/s的通信速率。在圖2設計中，PowerPC處理器作為PCI主設備，USB控制器作為PCI從設備，PCI總線位寬為32 bit，總線頻率為33 MHz，處理器通過PCI總線實現對USB控制器的配置和對USB總線的訪問控制等操作。USB控制器通過I2C接口外接一片EEPROM，用于支持系統信息的加載和讀取。USB控制器接出USB總線經過保護電路后，連接USB外設，保護電路用來防止USB總線信號因過流、過壓和ESD靜電瞬態放電而導致的USB控制器損壞和通信故障。處理器通過局部的60X總線，掛載SDRAM和Flash存儲器。SDRAM存儲器用于支持主機程序運行，Flash存儲器支持主機端操作系統固件及應用程序的固化存儲。
    采用圖2所示的設計結構和標準PCI接口對USB控制器的配置寄存器進行相應的設置，即可完成對控制器的初始化及訪問控制操作，大大簡化了主處理器與USB控制器之間配置操作的復雜時序和流程控制，為主機端USB驅動及協議軟件設計和實現提供了便利。
3 VxWorks系統下USB主機端軟件設計
    VxWorks操作系統BSP中集成了對USB通信協議的支持，但在實際使用中，需要根據自身硬件的設計、地址空間的劃分及中斷分配等情況，對其通信協議進行修改。USB主機端程序的調試是一個復雜的流程，而BSP中的程序不支持調試功能。因此，在驅動設計和修改中，單獨將VxWorks操作系統BSP中USB相關的程序作為一個部件剝離出來，添加到主機應用程序的工程中，以支持對USB程序的調試，便于程序修改、功能調試和驗證。
3.1 USB主機端軟件設計
    在VxWorks操作系統下，基于PCI總線的USB接口主機端驅動流程設計如圖3所示。

    如圖3所示的USB主機端程序流程中，首先需要進行主機端PCI總線配置及初始化，主要進行PCI橋的寄存器設置、主機端與USB控制器的PCI地址空間劃分、控制器中斷設置等工作。設計的USB接口選用EHCI接口控制器實現高速的USB通信，USB主機協議棧初始化進行EHCI接口控制器的查找，通過PCI總線對EHCI接口的配置寄存器進行設置和初始化，并對USB的主機協議層驅動USBD所需要的全局變量進行初始化操作。控制器初始化及EHCI接口掛接完成對EHCI主機控制器驅動HCD的初始化，并建立控制器驅動HCD與主機協議層驅動USBD的連接關系。USB設備創建和掛載注冊回調函數，當有USB設備連接時，創建USB存儲設備，并將設備掛載到主機文件系統，支持主機對USB存儲設備的讀寫訪問。通過圖3所示流程，完成VxWorks操作系統下USB協議主機端軟件設計，支持USB協議主機端軟件開發。
3.2 PCI橋配置
    PCI總線具有性能高、成本低、開放性和兼容性好等優點，一般采用PCI專用芯片實現PCI總線設備的開發[3]。PowerPC8270處理器內部集成了PCI橋功能，通過該橋實現與USB控制器的訪問控制，在USB主機端軟件開發中(如圖3所示)，首先需要進行PCI橋的配置。在軟件上，首先需要進行PCI橋配置接口的設計。PowerPC8270處理器提供兩個地址寄存器，一個為PCI地址寄存器，另一個為PCI數據寄存器。在PCI讀操作時，首先將要讀的PCI總線地址寫入PCI地址寄存器，從PCI數據寄存器即可讀到該地址的數據；在PCI寫操作時，首先將要寫入的PCI總線地址寫入PCI地址寄存器，然后將數據寫入PCI數據寄存器，可以完成一次寫操作。地址寄存器和數據寄存器的基址由處理器的配置字定義，偏移地址分別為0x10900和0x10904。USB控制器作為PCI從設備掛載在主機PCI橋下，根據USB控制器與主機的PCI總線上IDSEL信號的連接方式，可以計算出主機訪問USB控制器的基址。通過該基址加上偏移地址對主機與USB控制器連接的PCI配置空間進行配置。
    通過上述方法，對PCI配置空間的基址BAR0寄存器、命令狀態寄存器、Cache Line長度、總線延遲寄存器進行配置，建立通過BAR0寄存器的地址訪問USB控制器配置寄存器的通路。為了支持上層的USB軟件，需要通過PCI總線建立處理器訪問USB控制器及USB控制器訪問處理器的雙向地址映射關系。處理器訪問USB控制器的地址映射通過BAR0地址的配置來完成，USB控制器訪問處理器的地址映射需要通過主機PCI橋的InBound機制來配置完成，通過配置InBound機制的寄存器，提供一種外部設備通過PCI訪問處理器地址空間的方法。通過PCI橋配置，實現雙向地址映射的示意圖如圖4所示。

    圖4中虛線框代表虛擬地址，實線框代表實際的物理空間。圖4給出了處理器空間和USB控制器空間通過PCI橋的地址映射關系，建立3段地址空間。處理器空間中，通過硬件連接方式確定基址ADDR2，作為處理器訪問控制器的256 B的PCI配置空間；通過向PCI配置中BAR0寄存器寫入ADDR3，建立處理器訪問USB控制器自身配置寄存器空間的映射，根據USB控制器手冊描述，該段空間大小為116 B，處理器對USB控制器的初始化均通過該段空間完成；通過處理器PCI橋的InBound機制，設置InBound基址、大小寄存器，建立控制器訪問處理器內存空間的映射關系。在主機端USB協議棧調試時，可以通過ADDR3的映射來訪問USB控制器的寄存器，判斷其當前的工作狀態，起到故障排查和定位的作用。
    通過PCI橋配置，建立處理器與USB控制器的訪問地址映射，實現兩者的互相訪問，為USB主機端協議功能的實現提供基礎支持。
3.3 USB主機端軟件實現
    在PCI配置完成的基礎上進行USB主機端軟件設計。按照圖3所示的流程實現對USB總線的管理和控制，進行初始化、應用程序注冊、動態鏈接注冊等功能。USBD初始化相關的API包括usbdInitialize、usbdShutdown、usbdHcdAttach和usbdHcdDetach共4個，完成usbdLib庫的初始化、關閉usbdLib庫、連接HCD和斷開HCD功能；使用usbdClientRegister和usbdClientUnregister 2個API實現應用程序注冊和取消注冊功能，USBD允許同時有多個應用程序模塊使用USB總線，因此對于要使用USB總線的應用程序模塊，需要先在USBD中進行注冊，而不再使用USB的模塊應當取消在USBD中的注冊，以節省主機端資源；動態連接注冊API接口函數usbdDynamicAttachRegister和usbdDynamicAttachUnRegister用于注冊回調函數，當USB總線上有設備插入或設備拔出動作時，回調函數能夠收到報告并進行相應處理，對于插入操作，回調函數進行設備類型判斷、設備創建操作，對于拔出操作，回調函數進行設備類型確認、設備銷毀操作。
4 測試驗證
    采用標準的U盤設備對本文設計的USB主機端進行了功能測試和讀寫速度性能測試，測試結果如表1所示。

    表1針對主機設備未插入卡、插入卡和拔出卡3種場景下USB主機端的串口輸出進行了測試。在未插入卡的情況下，USB主機端完成了協議棧初始化、USBD驅動初始化、EHCI控制器初始化并連接EHCI控制器與USBD驅動；當有卡插入主機端時，觸發回調函數工作，首先查找到主機設備下的卡設備，然后創建/bd0文件系統，完成卡設備到/bd0文件系統的掛載；當拔出卡時，觸發回調函數的移除設備操作，主機端移除/bd0文件系統。
    向主機端插入U盤設備，分別寫入和讀取1 MB～10 MB數據，測試主機端對U盤外設的讀取速率，結果如圖5所示。
    圖5中，橫軸為每次讀或寫的數據量大小，縱軸為所測量出來的讀寫速率。從圖可以看出，隨著每次讀寫數據量的增大，讀寫的速率基本保持穩定，而讀取的速率比寫入的速率快4 Mb/s左右。計算平均值可得，本文設計的USB主機端寫入U盤的速率為5.92 Mb/s，讀取U盤的速率為9.77 Mb/s。

    本文基于PowerPC處理器設計并實現了一種基于PCI總線的USB主機端設備，并在VxWorks操作系統下設計并實現了其PCI配置、USB主機端驅動及協議軟件，能夠穩定地支持對U盤等存儲外設的訪問，在工程上取得了良好的應用。
參考文獻
[1] 楊偉，劉強，顧新.Linux下USB設備驅動研究與開發[J].計算機工程，2006，32(19)：283-285.
[2] 張楊，于銀濤.VxWorks內核、設備驅動與BSP開發詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2009.
[3] 鄧鳳軍，張龍，王益忠.基于PCI總線的HDLC通信卡的設計與實現[J].電子技術應用，2012，38(8)：30-32.