嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　USB作為一種串行通信總線，采用主從式通信方式，從設(shè)備只能被動(dòng)響應(yīng)來(lái)自主設(shè)備的請(qǐng)求，不能主動(dòng)發(fā)起請(qǐng)求。隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)交互性操作要求越來(lái)越迫切，而采用USB雙向通信可以很好地解決上述問(wèn)題。本文介紹一種基于S1C33L11芯片利用嵌入式操作系統(tǒng)的同步機(jī)制通過(guò)對(duì)循環(huán)隊(duì)列及自定義控制包的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向通信的方法。?

　　1嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信系統(tǒng)整體層次結(jié)構(gòu)

　　嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信系統(tǒng)整體層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2硬件系統(tǒng)

　　2.1S1C33L11及其USB BLOCK簡(jiǎn)介

　　S1C33L11是EPSON公司的32位高速，低功耗，低電壓MCU。他是以C33 STD 32位RISC CPU為核心，功能強(qiáng)大，除一般外圍設(shè)備外有LCD控制器，Camera接口，JPEG編碼，USB1.1功能控制器，MAC(SPI模式)接口，SmartMedia接口，還包括3個(gè)振蕩電路和2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，內(nèi)置16kB RAM ，無(wú)ROM。

　　S1C33L11內(nèi)建支持USB1.1協(xié)議的全速模式。支持控制、塊、同步和中斷4種傳輸方式，支持 4個(gè)通用通道(Epr(r=a,b,c,d))和一個(gè)控制通道(endpoint0)，并為每個(gè)通道(endpoint)提供1 kB的FIFO。

　　2.2S1C33L11DMT01開發(fā)板簡(jiǎn)介

　　S1C33L11DMT01開發(fā)板采用S1C33L11F00A1芯片為核心，外接2 MB RAM，32 MB FLASH，還帶有STN TFT 雙屏彩色LCD等，此硬件環(huán)境適用于各種嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行及多媒體手機(jī)、PDA等產(chǎn)品的開發(fā)。?

　　3USB雙向通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本文USB雙向通信在基本傳輸方式上采用USB塊傳輸[1]。他由USB初始化、USB中斷處理、控制傳輸和塊傳輸幾部分組成[2]。在實(shí)現(xiàn)雙向通信上，具體通信機(jī)制是：嵌入式應(yīng)用程序通過(guò)讀寫循環(huán)隊(duì)列和信號(hào)量狀態(tài)與USB 硬件模塊中的OUT 和IN FIFO相互通信，而USB下位機(jī)與上位機(jī)(PC)的讀寫通信則通過(guò)上位機(jī)對(duì)控制包的讀寫來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)循環(huán)隊(duì)列、信號(hào)量、控制包3者結(jié)合達(dá)到USB雙向通信的目的。

　　3.1USB雙向通信固件程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　(1)循環(huán)隊(duì)列

　　采用IN傳輸一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，OUT傳輸一個(gè)循環(huán)隊(duì)列(以下簡(jiǎn)稱隊(duì)列)，每隊(duì)列動(dòng)態(tài)分配32 kB。OUT隊(duì)列做為OUT傳輸時(shí)的二級(jí)緩沖，即OUT傳輸時(shí)的FIFO的數(shù)據(jù)必須先放入OUT隊(duì)列才能由嵌入式操作系統(tǒng)讀寫;IN隊(duì)列做為IN傳輸時(shí)的二級(jí)緩沖，即IN傳輸時(shí)的FIFO數(shù)據(jù)必須來(lái)自IN隊(duì)列;嵌入式操作系統(tǒng)只對(duì)二級(jí)緩沖進(jìn)行讀寫，操作系統(tǒng)對(duì)隊(duì)列的管理是采用信號(hào)量通知機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　(2)控制包

　　為實(shí)現(xiàn)雙向通信，規(guī)定一種控制包格式，讀控制包是在USB協(xié)議之外自定義的。

　　控制包固定為5字節(jié)。從左到右第一字節(jié)為狀態(tài)字，剩下4字節(jié)傳送要收發(fā)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。當(dāng)控制包由上位機(jī)發(fā)出時(shí)，狀態(tài)字規(guī)定有3種：0x4F：上位機(jī)請(qǐng)求OUT傳輸，0x49：上位機(jī)請(qǐng)求IN傳輸，0x52：上位機(jī)請(qǐng)求讀取下位機(jī)狀態(tài);當(dāng)上位機(jī)收到控制包時(shí)，狀態(tài)字規(guī)定有5種：0 x00：USB空閑態(tài)，0x01：下位機(jī)OUT循環(huán)隊(duì)列滿(即OUT超時(shí))，0x02：下位機(jī)IN循環(huán)隊(duì)列空(即IN超時(shí))，0x04：OUT傳送成功，0x08：IN傳送成功。

　　(3)嵌入式操作系統(tǒng)端應(yīng)用程序讀寫USB過(guò)程

　　讀函數(shù)：void ReadUSB(unsigned char * ReadBuffer, DWORD size)函數(shù)：

　　功能：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序通過(guò)USB接口讀取上位機(jī)(PC)的數(shù)據(jù)。

　　參數(shù)說(shuō)明：unsigned char*ReadBuffer存放數(shù)據(jù)的指針，DWORD size為要讀出的數(shù)據(jù)的尺寸(單位：B)。

　　實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先判斷循環(huán)隊(duì)列是否為空，不為空則判斷自身信號(hào)量是否可用，若可用，則從隊(duì)列中讀取一字節(jié)，每讀一字節(jié)后向USB任務(wù)中的BulkOutGet函數(shù)(直接讀取OUT的FIFO函數(shù))發(fā)出一個(gè)信號(hào)量，通知BulkOutGet函數(shù)隊(duì)列此時(shí)可以向OUT循環(huán)隊(duì)列中寫入數(shù)據(jù)，接著重新判斷，依次逐字節(jié)從OUT循環(huán)隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，直到讀完要求數(shù)據(jù)大小為止。當(dāng)循環(huán)隊(duì)列為空時(shí)，首先發(fā)一個(gè)信號(hào)量，通知BulkOutGet函數(shù)應(yīng)向本隊(duì)列中寫入數(shù)據(jù)了，然后復(fù)位自身信號(hào)量，接著調(diào)用等待信號(hào)量的函數(shù)，直到信號(hào)量到時(shí)才接著讀取。若超時(shí)，則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時(shí)通知，同時(shí)通過(guò)向控制包中寫入超時(shí)狀態(tài)(0x01)來(lái)向上位機(jī)(PC)發(fā)出超時(shí)信號(hào)。

　　寫函數(shù)：void WriteUSB(unsigned char*Write Buffer,DWORD size)函數(shù)：

　　功能：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序通過(guò)USB接口向上位機(jī)(PC)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　參數(shù)說(shuō)明：unsigned char * WriteBuffer 存放數(shù)據(jù)的指針，DWORD size為要寫入的數(shù)據(jù)的尺寸(單位：B)。

　　實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先判斷循環(huán)隊(duì)列是否滿，不為滿則判斷自身信號(hào)量是否可用，若可用，則向隊(duì)列中寫入一字節(jié)，每寫入一字節(jié)后向USB任務(wù)中的BulkInDataSet(直接寫IN的FIFO函數(shù))函數(shù)發(fā)出一個(gè)信號(hào)量通知此函數(shù)此時(shí)可以從IN循環(huán)隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù);然后接著重新判斷依次逐字節(jié)向IN循環(huán)隊(duì)列寫入數(shù)據(jù)，直到寫完要求數(shù)據(jù)大小的數(shù)據(jù)為止。當(dāng)循環(huán)隊(duì)列滿時(shí)，先發(fā)一個(gè)信號(hào)量通知BulkInDataSet函數(shù)應(yīng)從隊(duì)列中取走數(shù)據(jù)，再?gòu)?fù)位自身信號(hào)量，接著調(diào)用等待信號(hào)量的函數(shù)，直到信號(hào)量到時(shí)才接著寫入,若超時(shí)，則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時(shí)通知，同時(shí)通過(guò)向控制包中寫入超時(shí)狀態(tài)(0x02)來(lái)向上位機(jī)(PC)發(fā)出超時(shí)信號(hào)。

　　(4) USB塊傳輸函數(shù)

　　USB塊傳輸函數(shù)是直接和USB硬件打交道的函數(shù)，他們直接讀取IN和OUT傳輸通道的FIFO。voi d BulkInDataSet(void)：其功能是IN傳輸過(guò)程，即從IN循環(huán)隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)并向IN FIFO中寫入數(shù)據(jù)，再對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)信號(hào)量做相應(yīng)處理。

　　void BulkOutDataGet(void)其功能是OUT傳輸過(guò)程，即從OUT FIFO中讀出數(shù)據(jù)并向OUT循環(huán)隊(duì)列中寫入數(shù)據(jù)，再對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)信號(hào)量做相應(yīng)處理。

　　(5) 嵌入式操作系統(tǒng)USB 任務(wù)調(diào)用函數(shù)

　　void SystemInit(void)：MCU初始化(微處理器各控制寄存器和狀態(tài)初始化過(guò)程)

　　void USBInit(void)：USB初始化(包括對(duì)循環(huán)隊(duì)列分配內(nèi)存等)

　　void USBThread(void)：USB運(yùn)行體(USB工作過(guò)程對(duì)USB中斷進(jìn)行處理主要包括USB塊傳輸函 數(shù)、USB中斷狀態(tài)分析處理等)。

　　void FreeUSB(void)：關(guān)閉USB和釋放由malloc函數(shù)分配的循環(huán)隊(duì)列所占內(nèi)存

　　3.2上位機(jī)(PC)部分

　　USB函數(shù)層(USBD及HCD)由Windows98提供，負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與USB控制器之間的通信、加載及卸載USB驅(qū)動(dòng)程序等。具體方法是通過(guò)DriverWorks軟件生成上位機(jī)(PC)機(jī)端USB驅(qū)動(dòng)程序模板[3]，根據(jù)下位機(jī)的情況處理相應(yīng)的讀寫部分，最后通過(guò)封裝基本API函數(shù)ReadFile,WriteFile來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)應(yīng)用程序與PC機(jī)USB驅(qū)動(dòng)程序的隔離，使PC的應(yīng)用層對(duì)USB的使用如同對(duì)串口的使用一樣方便，給用戶態(tài)應(yīng) 用程序提供有了3個(gè)接口函數(shù)：

　　unsigned char Read(void *pReadBuffer,DWORD Size)：從下位機(jī)中讀取數(shù)據(jù)

　　參數(shù)說(shuō)明：void *pBuffer：存放讀取數(shù)據(jù)的緩沖，DWORD Size：需讀取數(shù)據(jù)的大小(字節(jié)數(shù))

　　返回值：

　　0x10：驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)(指Windows USB 驅(qū)動(dòng)程序出錯(cuò))

　　0x20：內(nèi)存空間不足?

　　0x30：請(qǐng)求的數(shù)據(jù)大小為0 B

　　0x02：下位機(jī)發(fā)送軟超時(shí)

　　0x08：讀取成功

　　unsigned char Write(void *pWriteBuffer,DWORD Size)：發(fā)送數(shù)據(jù)到下位機(jī)

　　參數(shù)說(shuō)明：void *pBuffer; 存放寫入數(shù)據(jù)的緩沖，DWORD Size; 需寫入數(shù)據(jù)的大小(字節(jié)數(shù))。

　　返回值：

　　0x10：USB驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)(Windows USB 驅(qū)動(dòng)程序出錯(cuò))

　　0x20：內(nèi)存空間不足

　　0x30：請(qǐng)求的數(shù)據(jù)大小為0 B

　　0x01：下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)軟超時(shí)

　　0x04：發(fā)送成功

　　void RequestUSB(void *pRequestBuffer,DWORD Size=5)：讀取下位機(jī)返回的操作狀態(tài)。

　　參數(shù)說(shuō)明：void *pRequestBuffer：5 B控制包緩沖

　　其中每次Read或Write函數(shù)的調(diào)用被分為若干次讀/寫發(fā)送。具體處理是： 設(shè)待讀寫的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為X B，當(dāng)X=5B時(shí)，分割為X1=4 B和X2=1 B兩次發(fā)送(由于自定義包是5 B，為了與自定義控制包區(qū)分開);當(dāng)5 B16 kB時(shí)則分割以16kB為單位的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，不足16 kB的部分再發(fā)送一次。每次讀/寫發(fā)送分3個(gè)階段：發(fā)控制包，讀/寫數(shù)據(jù)，讀控制包狀態(tài)。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　基于S1C33L11芯片在嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的USB雙向通信嚴(yán)格遵循USB1.1協(xié)議，充分利用了S1C33L11芯片的內(nèi)置功能和嵌入式操作系統(tǒng)的作用，具有交互作用強(qiáng)、嵌入式操作系統(tǒng)中設(shè)備無(wú)關(guān)性好的特點(diǎn)。