安裝過PC的人員都知道，通用串行接口(USB)具有與即插即用相似的性能。因而，將USB端口移植到嵌入式系統是一種方便的控制外部設備的辦法。畢竟USB只有兩條信號線和兩條電源連接線，設計一個USB端口不會有什么困難吧。這一任務說起來簡單，對設計者卻有不少困難。不過，供應商可以提供從板卡到軟件的一切幫助。

在一個嵌入式系統上添加USB端口的最簡單的辦法是采用基于Windows的計算機。很多單板機(圖1)提供了內置的USB端口，并且運行Windows 軟件。許多USB外設都裝有現成可用的Windows驅動器。當你需要采用實時操作系統(RTOS)時，任務就會變得困難起來。若干家公司提供了能夠簡化USB端口設計的芯片和軟件，還可以獲得在片上系統添加端口的知識產權(IP)許可證。

USB設備可以扮演主控或外設的雙重角色。外設無需太高的智能度，但主USB端口卻要求具備處理能力和控制軟件。USB(OTG)規范考慮到讓某些外設可以具備有限的主控功能，這樣USB設備能在沒有PC基主控器的情況下實現通信。

最新標準(USB 2.0)提供的總線速率是1.5Mbit/s(低速)、12Mbit/s(全速)和480Mbit/s(高速)。可惜，很多用戶認為標有“USB 2.0”字樣的設備一直在480Mbit/s的速率工作。但很多遵循USB 2.0的設備是在較慢的傳輸速率下工作。

在規劃一個嵌入式應用時，你要確切知道使用什么USB設備——打印機、海量存儲單元還是I/O控制器。然后，決定你需要多少端口，是否需要主控、外設還是兩種端口都要。大多數嵌入式應用并不需要外設端口。

你在評估端口配置時，應該決定你的數據率需求。例如，雖然一個應用可以平均10Mbit/s的速率進行數據傳輸，但也可能需要以更高的速率傳輸突發性數據。請記住，要實現更高的數據傳輸，就需要在USB連接的兩端采用更大的緩沖區。你可能需要將性能要求稍微降低一些以減少設計所需的昂貴緩沖。

圖1  EBC-C3Plus等單板機提供了內置的USB主控端口

圖2  USB堆棧

如果你對數據率沒有把握，可以從USB主控芯片廠商那里購買開發板，然后在PC上對你的應用進行模擬。主控芯片供應廠商包括TransDimensions，Cypress半導體，NEC和Philips半導體公司。以TransDimension為例，它提供2端口和3端口的主控芯片和軟件。另外，很多公司也出售作為USB外設控制器的芯片。

主控制器芯片的支持軟件有多種，從支持Philips ISP1561的基于Windows的驅動器，到支持TransDimension器件的多種RTOS軟件。Cypress提供用于EZ主控IC的Linux和VxWorks驅動器。所有的USB主控端口都需要一個“堆棧”，它的簡單含義是軟件的分層布置，如圖2所示。各層形成從底部物理層(連線和芯片)一直到頂部應用軟件層的結構。

在物理層，芯片和IP廠商已經采用了標準的軟件－接口連接，它們可以簡化嵌入式設計中主控器的運用。這樣，堆棧往往遵循如下標準：開放式主控制器接口(OHCI)、通用主控制器接口(UHCI)，或者更新的為USB2.0規范開發的增強型主控制器接口EHCI。這些規范描述了主控制器所用的寄存器級操作。通過這些標準的采用，芯片制造商提供了驅動器軟件的通用接口。OHCI、UHCI和EHCI規范明確了主控制器寄存器和驅動器軟件之間的互操作。

通常，硬件抽象層，或者包裝層將堆棧和驅動器與特定微處理器的具體實現細節屏蔽開來。設計者可以獲得包裝層的源代碼，因此能對它進行修改，以便適應所選定的具體微處理器和RTOS。如果你不想深入了解這一層的軟件細節，可以由供應商對包裝層進行定制開發。你可能會發現，啟動項目時即采用兼容的微處理器、堆棧、RTOS和USB主控制器將使開發變得更為容易。

除了堆棧，開發者還將需要控制外設的驅動器。雖然Windows、Windows CE和Linux可以調用用于多種外設的、種類極為豐富的驅動程序，但你還是會發現其他操作系統沒有提供同樣的多種選擇。IC廠商們提供了USB級驅動器，它們可以提供控制同類器件所需的一組最小的函數集。各類器件包括打印機、照相機、人機接口、海量存儲設備、通信器件等等。例如，打印機類的驅動可以獲知打印機的狀態、打印機初始化、發出并接收打印機數據、以及打印機復位。

這樣一來，你就很可能找出一種與特定RTOS和處理器一起工作的打印機類驅動器。不過，打印機制造商可以在該類驅動器的基礎上獲得功能更強的驅動器，這些驅動器通常稱為同類軟件庫。但是，如果你計劃控制一個定制的I/O設備，還要準備編寫自己的驅動器。

雖然，一臺PC無論用戶需要與否都可以存儲成百上千的USB設備驅動器，但嵌入式系統卻不具備此般靈活性。所以，你可能只采用那些能確保與你的系統一起工作的外設。由于很多嵌入式應用的磁盤空間有限，而只配備幾種常用器件的驅動器。記住，如果你不能確定與嵌入式系統相連的器件的話，得到的就不是一個好設計。在你考慮軟件和驅動器時，請詳細規定與USB端口通信的設備的具體情況。

在某些情況下，對小尺寸、高可靠性或者大批量生產的器件的需求會將一個嵌入式系統從電路板 “擠壓”成為一塊芯片。因此，工程師們必須獲得知識產權的許可證，將其集成到ASIC或者FPGA中。若干公司以IP形式提供USB主控控制器。Mentor Graphics公司提供一種全速USB控制器Inventra，它可以用作一個主控或者外設。Synopsys公司提供DesignWare核，它有多種類型的USB端口。最后，ARC公司提供若干種USB設計的許可證。各家公司以VHDL或Verilog代碼的形式提供其USB核。

幸運的是，USB核帶有標準的硬件接口，如ARC公司為其微處理器開發先進高速總線(AHB)，它可以用于多種其它的處理器核。IP廠商還可以支持由虛擬插座接口聯盟(Virtual Socket Interface Alliance)制定的外圍虛擬部件接口(PVCI)標準。如果你決定去獲取USB IP的許可證，務必確保它適合所選定的RTOS。IP許可證廠商可提供一系列兼容的軟件產品和開發工具。另外，IP廠商自己可在軟件方面提供幫助。

可惜，USB設計考慮的范圍遠非本文所能完全覆蓋。建議讀者閱讀其它相關書刊和資料。