RX62NとSH7672対応USBホストドライバの特徴と実際

2012.2

ユークエスト株式会社
佐々木 哲（ささき さとし）

1 ルネサス エレクトロニクスが提供するUSBマイコン

ルネサス エレクトロニクス（以下ルネサスとします）のマイコンはその特性に応じたUSBコントローラが選定・内蔵され、USBマイコンとして提供されています。今回はこれら多様なUSBマイコンのうちInterface誌2010年6月号で基板が付属したSH2Aと、同じく2011年5月号で基板が付属したRX62Nについてそれぞれの特徴、USBホストドライバの対応などについて解説します。

2 ルネサス エレクトロニクスのUSBホストコントローラ

ルネサスのUSBホストコントローラのラインアップは多彩です。USB-IFで規定されたレジスタ規格OHCI、EHCI準拠のコントローラはもちろん、世界に先駆けてUSB3.0 SuperSeed対応のxHCI準拠のコントローラを提供していることは有名です。加えて、組込み向けのEmbedded HostのASSPとしてM66596、R8A66597、μPD720150を提供しています（図1）。

当社では、OHCI/EHCIのような比較的大きなシステム向けのUSBコントローラを対象とするMatrixQuestUSB/hostシリーズ、組込み向けUSBコントローラを対象とするMatrixQuestUSB/liteシリーズをそれぞれUSBホストドライバとして提供しています。それぞれルネサスUSBコントローラとのホストドライバとの対応は表1を参照ください。

SH2Aマイコンに内蔵されるUSBコントローラについて、ルネサスエレクトロニクスは公式に明言しているわけではありませんが、その仕様からM66596/ASSPに近い仕様（以下、M66596系とします）、もしくはR8A66597/ASSPに近い仕様（以下、R8A66597系とします）のコントローラが内蔵されています。

M66596/ASSPはFullSpeedデバイスに加えてUSB2.0HighSpeedデバイスに対応していますが、残念なことにLowSpeed接続に対応していません。一般的なUSBマウスやUSBキーボードはLowSpeedデバイスが大半ですのでこれらを接続することができません。また、HUB接続に対応していません。

MatrixQuestUSB/liteではソフトウェアによるHUB管理機構によりHUB接続を実現しています。しかし、コントローラがSplitTransactionに対応していないため、HighSpeedで接続したHUBにFullSpeedデバイスを接続することができません。M66596に続いて登場した R8A66597/ASSP ではこれらの制限事項が解消されました。

具体的には、外部HUB1段の接続が正式に対応されSplitTransactionにも対応しています。また、HighSpeed接続,FullSpeed接続に加えてLowSpeed接続に対応し、また、エンドポイントを2本増して計10本、バッファメモリを3.5kbytes増して8.5kbytesとなっています。そのほかにも仕様の違いがありますが、詳細については表2を参照してください。

USBマイコンを選定する場合、構築するUSBホスト機能搭載システムがM66596の制限事項に関わるようであれば、搭載するUSBコントローラがM66596系かR8A66597系かを見極める必要があります。Interface誌2010年6月号付属基板に搭載されているUSBマイコン、SH7262には、R8A66597系USBコントローラが内蔵されています。

3 R8A66597系USBコントローラの特徴

R8A66597系USBコントローラはR8A66597/ASSPに近い仕様であることは最初に説明しましたが、実際には幾つかの仕様の違いがあり、また、その違いもUSBマイコン毎で変わる場合があります。

4 RX62N内蔵USBコントローラの特徴

RX62Nに搭載されるUSBコントローラもやはりR8A66597系です。このコントローラがR8A66597/ASSPやSH内蔵の仕様との最大の違いが対応する転送スピードがFullSpeedのみということです。ですので、大容量のデータを高速に転送したい場合には、転送速度としてはやや不利になります。なお、HighSpeedに関連するレジスタ、またはレジスタ内のビットが一部削除されていますので、R8A66597/ASSP用のドライバではそのまま稼働できず、改修が必要になります。

もう一つの特徴は176ピン版のRX62NにはUSBコントローラが2つ搭載されていることです。R8A66597系コントローラはUSBホストとして稼働する時2つのポートを使用できるものがありますが、この場合を含めてホストモードとファンクションモードはソフトウェアで切り替える必要がありました。RX62Nの場合も一つのコントローラに対してはやはり切り替えての使用になりますが、あらかじめ一つをホストに、もう一つをファンクションに設定することで、両方の機能を一度に稼働できます。Interface誌2011年5月号付属基板のRX62Nは144ピン版ですのでUSBコントローラは1つとなっています。

5 USBホストドライバの対応

当社のミドルウェアではMatrixQuestUSB/liteがUSBホストドライバとしてR8A66597系USBマイコンに対応しています。MatrixQuestUSB/liteは民生機器を含めた組込みシステムで多くの実績がある高機能なUSBホストドライバです。各コントローラに対応した下位の物理ドライバでコントローラによるソフトウェアの違いを吸収し、その上に共通となるUSB規格に対応したUSBホストドライバ、さらにその上に、各クラスに対応したクラスドライバといった階層構造をしています（図2）。

これにより、例えばコントローラを変更した場合も物理ドライバの付け替えだけで済み、上位アプリケーションを変更することなく稼働させることができます。また、クラスドライバは、変更できるばかりか、既存の構成に追加する事ができます。例えば、USBメモリ（MSC）に対応していて、新たにマウスやキーボードに対応する場合は、HIDクラスドライバをコンフィギュレーションで追加するだけで既存のアプリケーションを全く変更することなく実現することができます。

MatrixQuestUSB/liteはリアルタイムOS（以下RTOSとします）が動作する環境で使用される事を前提としています。RTOSを前提とする理由は大きく分けて2つあります。

1つは複数デバイスを非同期に挿抜する時のシステム負担の軽減です。デバイスをUSBホストに接続する時、エニュメレーション（接続処理）が行われます。エニュメレーションでは接続検出をしてディスクリプタ情報を取得し、デバイスの仕様を特定します。この時しばしばミリ秒単位の待ちを行ないます。また、接続失敗の対策として、異常を検出してタイムアウト、リトライを行う必要があります。

これは唯一のデバイスを接続する場合は問題ありませんが、2つ以上のデバイスを稼働中につないだり、外したりする場合にはシステムに大きな負担を与える事になります。そこで、これらエニュメレーションを行う処理をひとつのタスクに集約する事で待ち状態の時にユーザのアプリケーションや既接続のUSBデバイスの処理が滞る事を抑止します。

もうひとつがアプリケーションの簡素化です。マルチタスクを前提とすることでUSBの通信を同期型にすることができます。USBで通信するアプリケーションは複雑なUSBの処理の途中経過を気にすることなく、結果を待ちつづけるだけで済みます。この場合、他のUSBに関係ないタスクが非同期に動作することでマルチタスクのメリットを享受できます。

6 マスストレージによるUSBメモリのコピー

マスストレージクラス(MSCとします)を使用して実際に動かしてみます。一般的にUSBメモリなどMSCのデバイスは、MSCの上位にファイルシステムを実装してファイルの読み書きを行いますが、この章ではMatrixQuestUSB/lite のMSCのインターフェースを直接呼び出して、USBメモリの内容を他方のUSBメモリにコピーする処理を行います。

先述のとおり、MatrixQuestUSB/lite上のアプリケーションになりますので、全く同じプログラムがSH2A基板でもRX62N基板でも稼働します。どちらもポートがひとつしかありませんので外部HUBを介して接続します。写真では使用していませんが、2つのUSBメモリとHUBを接続しますのでHUBは外部電源が取れるセルフパワータイプを使用することをお勧めします。(写真1)

リアルタイムOSとしてミスポのNORTiProfessionalを使用しています。コピープログラム、USBホストドライバ、NORTiProfessionalの関係は図3の様になります。

なお、SH7262を使用する場合はHighSpeedで接続できますが、RX62Nで使用する場合はFullSpeedでの接続となります。また、SH7262の場合は、大容量の内蔵メモリを活用できますが、RX62Nの場合、今回の構成ではコピー用のワークメモリを4kbytes確保するのが精いっぱいになり、パフォーマンスに大きな差が出ます。

usblMscInit()

usbホストドライバとハブクラス、マスストレージクラスを初期化します。引数はエニュメレーション処理を行う管理タスクの優先順位、接続コールバック関数と切断コールバック関数のそれぞれポインタです。

usblMscInsert()

MSCデバイス接続時のコールバック関数です。管理タスクのコンテキストで実行されます。論理的なデバイスを生成し、接続を検出した順に論理デバイス情報をusblDeviceManage配列に保存します。3つ以上接続した場合は無視されます。なお、サンプル提供したUSBホストドライバも最大接続デバイス数をハブを含めて3に制限していますので、この関数の上限を増やしても接続できません。

usblMscRemove()

MSCデバイス切断時のコールバック関数です。管理タスクのコンテキストで実行されます。本来は、論理デバイスの解放処理などを実装しますが、このサンプルではメッセージを出力するほかは何もしません。

usblMscCopy()

コピーを行います。USBメモリが2つ接続されるまで待ってコピーを開始します。全体のフローを図4に示します。

メモリ内の全ての内容をコピーすると実行に長時間要しますので先頭から0x40000セクタ(128MBytes）分だけコピーして終了します。

コピー元のUSBメモリとしてフォーマットした直後に128MBytesより十分小さいファイルしか書いていないものを用いれば、コピー後のUSBメモリをWindows等に接続してみると、あたかもコピーできた様に見えます。

なお、本サンプルプログラムでは切断処理に対応していないため、一度実行するとリセットしなければ再度実行できません。また、ホストドライバはサンプルとなっているため、およそ一時間で通信が停止する仕様になっています。コピーサイズを増やす場合は留意してください。サンプルプログラムの具体的な使用方法はプロジェクト内のreadme.txtを参照してください。

7 RX62Nの機能を活用したWAVファイルの再生

USBメモリがつながるようになったので、少し応用事例を紹介します。RX62NにはSH2A(SH7262)の様な高機能なオーディオ出力はありませんが、10bitのDACが搭載されており拡張基板WKLCD-62Nを使用すると簡単にステレオオーディオ出力が実現できます。この機能を用いてUSBメモリに保存されたWAVファイルを再生することにします（写真2）。

USBメモリのコピーでは、ファイルシステムを使用せずに稼働させましたが、今度はファイルを扱うためにファイルシステムが必要です。MatrixQuestFs/fatを使用すればコンパイルしてMatrixQuestUSBにリンクするだけで容易に実現できますが、今回はInterface誌でおなじみのfatFsをMatrixQuestUSBにポーティングしてみることにします。今回の構成は図5の様になります。

サンプルプログラムのダウンロード

雑誌『Interface』のダウンロードページへ → http://www.cqpub.co.jp/interface/download/contents.htm

2011年8月号 USB機器開発トラの巻！の「特集 第5章 USBメモリ内容コピー＆WAVE再生プログラムの作成」から、RX62N用サンプルプログラムと、SH-2A用サンプル・プログラムがダウンロードできます。

参考文献

• CQ出版社：Interface 2010年6月号 第1章　付属SH2Aマイコン基板の使い方
• CQ出版社：Interface 2010年7月号 第4章　3.デバイス接続検知とバス・リセット
• CQ出版社：Interface 2010年9月号 第3章　FATファイル・システムの詳細
• CQ出版社：Interface 2011年5月号 Prologue　付属RX62Nマイコン基板の応用事例
• CQ出版社：Interface 2011年6月号 第4章　オープン・ソースMP3デコーダを使ったMP3プレーヤの制作
• ルネサスエレクトロニクス：SH7262 グループ、SH7264 グループハードウェアマニュアル
• ルネサスエレクトロニクス：RX62Nグループ、RX621グループ　ユーザーズマニュアル　ハードウェア編
• ルネサスエレクトロニクス：R8A66597FP/DFP/BG ASSP (USB2.0 2Port Host/1Port Peripheral Controller)
• ミスポ：µITRON仕様準拠リアルタイムOS　NORTi version4　カーネル編　ユーザーズガイド
• ユークエスト：MatrixQuestUSB/lite　USBホストドライバ　ユーザーズガイド
• ユークエスト：MatrixQuestUSB/lite　Mass Storage クラスドライバ　ユーザーズガイド
• ユークエスト：MatrixQuest　ミドルウェア共通環境　プログラマーズ・ガイド