基于μC／OS-Ⅱ的嵌入式USB控制軟件的實現

 0 引言

2010年USB 3．0的正式推出象征USB傳輸極速時代的到來，但是嵌入式領域由于考慮成本等各方面因素很多仍采用USB 1．1協(xié)議。同時USB協(xié)議的主體框架并沒有改變，因此研究USB 1．1協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)上的實現對于USB 3．0協(xié)議的應用也是很好的鋪墊。本文在以杭州中天32位RISC CPU CK510為內核的摩托羅拉HM1521_B芯片上，基于μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，實現對USB設備的讀寫控制。由于HM1521_B芯片只支持USB 1．1協(xié)議，所以本文實現的只是USB 1．1協(xié)議。USB是一種主從結構：主機Host和從機Device。所有的數據傳輸都由Host主動發(fā)起，而Device只是被動的負責應答。在USB OTG中，一個設備可以在Device和Host之間切換，用以實現設備與設備之間的連接，大大增加了USB的使用范圍。但USBOTG依然沒有脫離主從關系，設備之間必然有一個作為Host，另一個作為Device。標準的USB使用4根線，分別是5 V電源、差分數據線負(D-)、差分數據線正(D+)、地(GND)。USB的低速和全速模式采用電壓傳輸，高速模式則采用電流傳輸。

1 USB控制軟件的分層結構

按照USB協(xié)議規(guī)范，USB運行首先是USB Host通過D+數據線上的電平變化檢測USB Device的插入和拔出，Host和Device依據協(xié)議規(guī)定的順序執(zhí)行一系列信息交換，這稱為枚舉部分，也是所有USB主機都必須支持的功能。Host根據獲得的Device信息判斷該Device屬于哪一類USB設備，并確定下一步選用哪個特定的程序加以支持。

USB協(xié)議規(guī)定了HID(人機接口設備)類、Mass Storage(大容量存儲設備，如U盤)類、音頻類等各種設備類型。在嵌入式系統(tǒng)中，由于受系統(tǒng)性能和存儲空間的限制，一般只能支持某幾個類型。本文只支持Mass Storage類。

圖1是本文實現的USB Host控制軟件的分層結構：應用層調用FAT32文件系統(tǒng)層的函數；文件系統(tǒng)層通過MassStorage UFI命令與存儲設備建立聯系，實現U盤上文件的建立和讀寫等一系列操作；最底層的是Mass Storage驅動模塊，實現對U盤數據的讀寫功能。其主要函數包括：

本文軟件用C語言編程，并依賴μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)提供的中斷函數來調度各個函數的運行。

2 FAT32文件系統(tǒng)的實現

文件系統(tǒng)的作用是對文件在介質上的存儲進行管理，并為操作系統(tǒng)提供操作函數。若把U盤看成是以扇區(qū)為單位的邏輯盤(1扇區(qū)=512 B)，當一個U盤被格式化成FAT32格式的分區(qū)后，它的結構形式圖如圖2所示。

引導扇區(qū)(DOS Boot Record，DBR)存儲了本分區(qū)的BPB(Bios Parameter Block)信息。主引導記錄MBR(Master Boot Record)是物理上第一個扇區(qū)，絕對扇區(qū)號是0，它獨立于任何一個分區(qū)。MBR的前446B是系統(tǒng)引導程序，接著的64個字節(jié)是分區(qū)表DPT(Disk Partition Table)，最后兩字節(jié)是扇區(qū)有效標志55 AA。初始化一個U盤的文件系統(tǒng)，很重要的一步就是填寫引導扇區(qū)的過程。對有些關鍵字節(jié)進行分析如下所示：

FAT32文件系統(tǒng)中，FAT表是一個數據表，以簇(cluster)的形式鏈式存放。當一個文件大于一簇(4個扇區(qū))時，每簇中存放的數據便是文件存放的下一簇地址。直到遇到簇中的數據為“FF FF”時，才表示此文件已至尾簇。數據內容不連續(xù)地存放于數據區(qū)內。文件系統(tǒng)使用設備驅動提供的4個函數獲取設備的狀態(tài)信息以及實現對設備的讀寫。

3 USB設備枚舉的實現

枚舉就是從Deveice讀取信息，通過設備描述符設備告訴Host是什么設備、如何進行通信，Host根據這些信息來加載合適的驅動程序。

3．1 枚舉過程及實現

USB是一種主從的結構，所有傳輸由Host來發(fā)起。當Host發(fā)起一次傳輸時，通常包括3個包(Packets)的傳輸。Host首先是發(fā)送一個Token Packet，包含本次傳輸的命令類型(Type)、方向(Direction)、設備的地址(Device Address)以及端點號(Endpoint)；緊接著發(fā)送數據包(Da-ta Packet)，包含要求Device返回描述符的命令數據；最后由Device返回握手信號包(handshake packet)，正確返回(ACK)命令。

USB Host檢測到有Device插入后，進行總線復位。然后Host使用默認地址0讀取設備描述符。獲取設備描述符的USB設備請求命令結構體為：

第1次讀取設備描述符時，Host首先發(fā)送setup包；之后進入主機讀取數據階段，Host發(fā)送in包，Device返回一個18 B的設備描述符，可以用一個結構體將其讀回。最后Host發(fā)送0 B的數據包作為狀態(tài)相應，設備返回ACK作為應答。用邏輯分析儀抓包，3個包如圖3所示。

第1次讀取設備描述符后，Host依次進行地址分配、第2次讀取設備描述符、讀取配置描述符、讀取描述符集、設置配置、讀取配置狀態(tài)和讀取接口狀態(tài)，方法和第1次讀取設備描述符的方法一樣。

3．2 U盤兼容性

在設備枚舉階段將會碰到很多關于U盤兼容性的問題。

(1)總線復位時間。不同型號的U盤對于總線復位時間的要求是不同的，比如金士頓1 GB的U盤需要的復位時間至少280 ms。在實現中為保險起見，給予400 ms的復位時間。

(2)有些U盤的端點0是8 B payload的，大多數是64 B。對于8 B payload的U盤，要嚴格從第1次獲取設備描述符時返回的第8字節(jié)獲取payload，否則盡管枚舉過程仍然能通過，但是后面在分析32字節(jié)的配置描述符時候會出現問題，沒有收到完整的配置描述符是分析不出端點1和端點2的地址以及端點payload的。

(3)在枚舉階段獲取字符串描述符的時候，要進行判斷。因為有些U盤不支持返回字符串描述符，用if語句判斷，如果獲取不到字符串描述符就跳過，不要返回失敗。

4 Bulk-only傳輸的實現

枚舉結束后是對塊設備的讀寫。Bulk-Only傳輸規(guī)范是USB組織針對大容量存儲設備制定的一種塊存儲類協(xié)議，它僅僅使用Bulk端點來傳送數據／命令／狀態(tài)。

圖4是數據／命令／狀態(tài)在USB總線上的傳輸流程圖。根據此圖Bulk-only傳輸的狀態(tài)可以定義為：空閑、CBW處理、數據輸出(從Host向Device傳輸數據)、數據輸入(從Device向Host傳輸數據)、CSW處理、管道阻塞等6種狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，接收到的數據包為CBW包；在數據輸出狀態(tài)下，接收到的數據包為Host期待寫入Device的數據；在數據輸入狀態(tài)下，Host請求從Device讀取數據，Device將向Host發(fā)送這些數據包；在CSW狀態(tài)下，Device封裝并發(fā)送CSW包以向Host返回狀態(tài)信息。因此，任何Bulk-Only事務均是以Host向Device發(fā)送CBW包并試圖建立相應的數據傳輸開始的；而Device接收到CBW包，進行檢查并解釋，試圖滿足Host的要求，并通過CSW向主機返回狀態(tài)信息。以讀一個邏輯塊為例，填寫一個CBW包的程序如下所示：

邏輯分析儀抓包結果如圖5所示。從抓包結果可以清晰的看出CBW包由31個字節(jié)組成。

CBW包和CSW包正確收發(fā)后，Bulk-only傳輸就能順利實現。完成對扇區(qū)的讀寫，文件系統(tǒng)的掛載。上層應用程序使用文件系統(tǒng)提供的API，操作底層設備，實現對文件的建立、讀寫、刪除等操作。經測試本系統(tǒng)支持長文件名和超過2 GB容量的USB設備。本設計最終實現了在不同型號U盤上完成對長文件名文件的新建、讀寫以及刪除操作。