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)

2硬件系統(tǒng)

2.1S1C33L11及其USBBLOCK簡(jiǎn)介

S1C33L11是EPSON公司的32位高速，低功耗，低電壓MCU。他是以C33STD32位RISCCPU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16kBRAM，無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1kB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2MBRAM，32MBFLASH，還帶有STNTFT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INFIFO相互通信，而USB下位機(jī)與上位機(jī)（PC）的讀寫通信則通過上位機(jī)對(duì)控制包的讀寫來實(shí)現(xiàn)，最后通過循環(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32kB。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：0x00：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過程

讀函數(shù)：voidReadUSB(unsignedchar*ReadBuffer,DWORDsize)函數(shù)：

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

參數(shù)說明：unsignedchar*ReadBuffer存放數(shù)據(jù)的指針，DWORDsize為要讀出的數(shù)據(jù)的尺寸（單位：B）。

實(shí)現(xiàn)過程：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)通過向控制包中寫入超時(shí)狀態(tài)（0x01）來向上位機(jī)(PC)發(fā)出超時(shí)信號(hào)。

寫函數(shù)：voidWriteUSB(unsignedchar*WriteBuffer,DWORDsize)函數(shù)：

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

參數(shù)說明：unsignedchar*WriteBuffer存放數(shù)據(jù)的指針，DWORDsize為要寫入的數(shù)據(jù)的尺寸（單位：B）。

實(shí)現(xiàn)過程：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)通過向控制包中寫入超時(shí)狀態(tài)（0x02）來向上位機(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。voidBulkInDataSet(void)：其功能是IN傳輸過程，即從IN循環(huán)隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)并向INFIFO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。

voidBulkOutDataGet(void)其功能是OUT傳輸過程，即從OUTFIFO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)

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

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

voidUSBThread(void)：USB運(yùn)行體（USB工作過程對(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）。

voidFreeUSB(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，最后通過封裝基本API函數(shù)ReadFile,WriteFile來實(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)：

unsignedcharRead(void*pReadBuffer,DWORDSize)：從下位機(jī)中讀取數(shù)據(jù)

參數(shù)說明：void*pBuffer：存放讀取數(shù)據(jù)的緩沖，DWORDSize：需讀取數(shù)據(jù)的大?。ㄗ止?jié)數(shù)）

返回值：

0x10：驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)（指WindowsUSB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0B

0x02：下位機(jī)發(fā)送軟超時(shí)

0x08：讀取成功

unsignedcharWrite(void*pWriteBuffer,DWORDSize)：發(fā)送數(shù)據(jù)到下位機(jī)

參數(shù)說明：void*pBuffer;存放寫入數(shù)據(jù)的緩沖，DWORDSize;需寫入數(shù)據(jù)的大?。ㄗ止?jié)數(shù)）。

返回值：

0x10：USB驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)(WindowsUSB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0B

0x01：下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)軟超時(shí)

0x04：發(fā)送成功

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