基于ARM和μC/OS-Ⅱ的嵌入式USB主機設(shè)計與應(yīng)用
1 引 言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/149617.htm通常情況下,打印機、海量存儲等設(shè)備是由普通PC機來驅(qū)動的,由于大量的測控、醫(yī)療等系統(tǒng)需要存儲、打印數(shù)據(jù),因此開發(fā)這類設(shè)備的嵌入式驅(qū)動是非常有實用價值的。目前,各種嵌入式設(shè)備基本上是通過軟盤存儲,并口打印的,而它們的存儲容量、數(shù)據(jù)傳輸速度已大大落后當(dāng)前各類嵌入式系統(tǒng)的需求。因此,開發(fā)基于USB接口的嵌入式海量存儲設(shè)備和打印機驅(qū)動已成當(dāng)務(wù)之急。
USB(Universal Serial Bus)是最近幾年逐步在PC領(lǐng)域廣為應(yīng)用的新型串行接口技術(shù),它通用性好、實時性強、傳輸方式多樣、成本低、易于擴展和使用,這些優(yōu)點使它受到許多硬件廠商的青睞,各種類型的USB設(shè)備產(chǎn)品大量涌入市場。USB通訊必須是主機和外設(shè)通訊,每次通訊都是由主機發(fā)起,外設(shè)只是被動地執(zhí)行主機發(fā)過來的命令。而市場上所買到和使用的USB 移動設(shè)備, 都是USB 的外設(shè)(device) , 如USB 的移動硬盤、USB 接口的數(shù)碼相機、打印機等。這些設(shè)備通常只能通過PC 來進行相互的文件和數(shù)據(jù)交換,沒有了PC 機, 這些設(shè)備就無法進行數(shù)據(jù)交換。而實際上并非每個地方都擁有PC機或者適合使用PC機,因此業(yè)界和用戶需求USB 主機的嵌入式化。也就是開發(fā)和設(shè)計嵌入式的USB 主機。
根據(jù)具體醫(yī)療儀器(酶標(biāo)儀)的實際需要,我們在三星的ARM7處理器 S3C44B0X上移植了實時操作系統(tǒng)(RTOS)——micro;C/OS-II,并編寫了基于USB主控制器芯片SL811的底層驅(qū)動。為了能將酶標(biāo)儀所檢測的數(shù)據(jù)保存到外設(shè)(如U盤、移動硬盤)中,研究了對應(yīng)的文件系統(tǒng)和UFI傳輸協(xié)議,實現(xiàn)了對FAT文件系統(tǒng)的海量存儲設(shè)備的讀寫。同時,為了打印霉標(biāo)儀的檢測結(jié)果,研究了EPSON打印機的ESC/P打印語言,實現(xiàn)了EPSON C63系列、C65系列、ME1打印機基于USB通訊的嵌入式打印機驅(qū)動。
2 嵌入式USB主機的硬件設(shè)計
酶標(biāo)儀的硬件平臺核心為三星公司的S3C44B0X(主頻最高可達66MHz),它集成了ARM7TDMI核,LCD控制器,是一款適用于中端應(yīng)用的微控制器。系統(tǒng)擴展包括:存儲器(8MB SRAM、2MB NOR Flash)、USB主從機(SL811HS)和按鍵等硬件資源。其中USB部分硬件連接如圖1所示。
圖1:硬件連接圖
SL811HS 是Cypress公司推出的一款嵌入式USB Host/S1ave芯片。支持USB1.1的全速和低速設(shè)備。提供USB主機的硬件接口及總線管理的物理機制。帶有在片的SIE和USB發(fā)送器以及在片的根集線器Hub。因此, 滿足了嵌入式USB 主機系統(tǒng)所需要的功能, 即由主機接口芯片來完成總線底層物理數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收, 并能檢測總線狀態(tài), 發(fā)出中斷請求。所以, 選擇SL811HS 作為本系統(tǒng)的USB接口芯片是合適的。
如圖2所示,ARM通過Cs3片選SL811HS來確定SL811HS的基地址。D0-D7為數(shù)據(jù)和地址的復(fù)用線,并通過A0來區(qū)分,當(dāng)A0為“0”的時候,D0-D7上傳輸?shù)氖瞧频刂?;反之,?dāng)A0為“1”的時候,D0-D7作為數(shù)據(jù)線用。
3 嵌入式USB主機的軟件設(shè)計
3.1 嵌入式USB主機的軟件總體框架
系統(tǒng)的軟件平臺核心為micro;C/OS-II,它是一個源碼公開的、占先式多任務(wù)管理的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核,其性能完全可與許多商業(yè)產(chǎn)品競爭,已在相當(dāng)多的系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用,是一個經(jīng)實踐證明穩(wěn)定可靠的內(nèi)核,且其核心代碼短小精悍,簡單易學(xué)。
USB 主機為USB系統(tǒng)提供的功能有:(1) 檢測USB 外設(shè)的接入和移出;(2) 管理主機和外設(shè)之間進行的USB 標(biāo)準(zhǔn)流量控制;(3) 枚舉外設(shè); (4) 管理主機和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)流; (5) 搜集系統(tǒng)狀態(tài)和性能的統(tǒng)計信息;(6) 主機與外設(shè)之間的電氣接口,包括供電。
USB協(xié)議規(guī)定了人機接口設(shè)備HID 類、MassStorage 類、音頻類和打印類等一系列的設(shè)備類型, 用于支持不同的設(shè)備。根據(jù)實際需要,我們開發(fā)了USB接口的海量存儲類設(shè)備和基于ESC/P打印語言的EPSON打印機嵌入式驅(qū)動程序。具體驅(qū)動程序棧如圖2所示。該系統(tǒng)支持熱插拔,可以知道識別插上是哪種設(shè)備,并調(diào)用對應(yīng)的驅(qū)動。
圖2:USB驅(qū)動程序棧
3.2 USB Mass Storage 類協(xié)議框架的實現(xiàn)
USB Mass Storage 類是USB 協(xié)議所定義的用來磁盤管理及大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。USB定義了兩種海量存儲傳輸協(xié)議,它們分別是Buck-only Transport 和Control/Bulk/Interrupt(CBI) Transport。由于目前市場上所出現(xiàn)的海量存儲設(shè)備基本上都采用前者傳輸協(xié)議,即讀寫數(shù)據(jù)都是通過塊傳輸來實現(xiàn)通訊。在命令包CBW (Command Block Wrapper)中包含了標(biāo)志信息,數(shù)據(jù)長度以及UFI命令等信息。其中UFI命令含有格式化磁盤、讀磁盤、寫磁盤和讀磁盤容量等一系列磁盤管理命令。
大部分移動存儲設(shè)備都采用FAT文件系統(tǒng)來管理文件。整個文件系統(tǒng)通過Mass Storage 的UFI 命令與外設(shè)的磁盤建立聯(lián)系。FAT文件系統(tǒng)將海量存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)大致分成5個部分:MBR區(qū)(主引導(dǎo)區(qū))、DBR區(qū)(系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū))、FAT區(qū)(文件分配表)、FDT區(qū)(文件目錄表)和DATA區(qū)(數(shù)據(jù)區(qū))。當(dāng)有USB接口的海量存儲設(shè)備插上后,系統(tǒng)讀取MBR區(qū)和DBR區(qū)來獲得每扇區(qū)字節(jié)數(shù),每簇扇區(qū)數(shù),F(xiàn)AT表個數(shù)等文件系統(tǒng)基本信息。獲取這些基本信息后從海量存儲設(shè)備讀取一個文件的流程如圖3示。因?qū)懳募妥x文件的流程沒有很大的差別,在此就不累述了。
圖3讀文件流程圖
3.3 基于ESC/ P打印控制語言的打印機驅(qū)動設(shè)計
EPSON公司的打印機基本上都是基于ESC/ P打印控制語言的,不同系列的打印機的控制語言沒有太大的差別。因此,我們開發(fā)的驅(qū)動程序具有比較強的通用性,針對EPSON的C63系列打印機開發(fā)的驅(qū)動完全適用C65系列和ME1打印機。
各種型號打印機的編程手冊可以到EPSON的開發(fā)網(wǎng)站上下載。編程手冊對各種控制命令作了詳細(xì)介紹,如初始化打印機(ESC @)、選擇圖形方式( ESC (C nL nH m )、設(shè)置單元大?。‥SC (U nL nH m )、打印光柵圖像命令(ESC . c v h m N1 Nh d1 #8943;dk)等。
EPSON打印機提供兩種打印方式,一種是用來打印文本文件,用該方式打印英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、符合的時候向打印機發(fā)對應(yīng)的控制命令后,只要直接發(fā)打印內(nèi)容的ASCII碼即可。另一種方式是用來打印光柵圖形,當(dāng)需要打印表格、圖片和漢字的時候時往往會用到這種方式。在此,列出幾個關(guān)鍵API函數(shù)并予已說明:
print_image_init ( void ):因為打印機初始化后默認(rèn)為打印文本模式,所以要打印光柵圖形必須進行相關(guān)的初始化。
print_image_command(unsigned int horiz_position,unsigned int verti_position, unsigned char rows, unsigned int columns, char color):調(diào)用該函數(shù)之前必須事先至少調(diào)用過一次print_image_init(),它的功能是向打印機發(fā)打印圖片命令。其中,第一和第二個輸入?yún)?shù)是打印圖形的橫縱坐標(biāo),第三和第四個輸入?yún)?shù)分別是打印圖形的行數(shù)和列數(shù)(特別值得注意的是,C63系列和C65系列打印機一次最多可打16行,而 EPSON M1一次只能打15行),第五個輸入?yún)?shù)color是選擇打印顏色。在調(diào)用該函數(shù)后,直接向打印機發(fā)打印的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)打印圖片功能了。迎訪問無由電子開發(fā)網(wǎng)(技術(shù)文章 在線閱讀 在線商城
由于打印文本模式和打印圖形的操作基本相同,而且更簡單,在此就不作說明。
3.4 USB協(xié)議的實現(xiàn)
這是整個USB 體系軟件的根基, 它負(fù)責(zé)主機和設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸。其代碼都包含在文件sl811host.c中,可供上層驅(qū)動調(diào)用的API函數(shù)主要有:
EnumUsbDev ():該函數(shù)主要實現(xiàn)枚舉設(shè)備的功能。當(dāng)有USB設(shè)備插上時,系統(tǒng)通過調(diào)用到該函數(shù)得到設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)描述符(接口、配置、端點)并識別是海量存儲設(shè)備還是打印機。設(shè)置地址(SetAdress),設(shè)置配置描述符(SetDecriptor),設(shè)置配置值(SetConfiguration),設(shè)置接口(SetInterface)也在該函數(shù)里實現(xiàn)。
BuckSend():該函數(shù)主要實現(xiàn)主機上的數(shù)據(jù)通過塊傳輸方式發(fā)送到設(shè)備上;
BuckReceive():塊傳輸接受函數(shù);
BuckSend()和BuckReceive()兩個函數(shù)是最調(diào)度最平凡的兩個函數(shù),因為對海量存儲設(shè)備的讀寫,對打印機發(fā)送控制命令、打印數(shù)據(jù)都是通過塊傳輸通訊的,也就是通過調(diào)用這兩個函數(shù)來實現(xiàn)的。
處理器讀寫SL811HS單個寄存器或數(shù)據(jù)存儲器的函數(shù)如下:
void SL811Write(char a, char d){ SL811_ADDR = a; SL811_DATA = d;}
char SL811Read(char a) { SL811_ADDR = a; return (SL811_DATA); }
這兩個函數(shù)是ARM處理器和SL811芯片進行數(shù)據(jù)交互的基石,所有控制寄存器和數(shù)據(jù)存儲器的讀寫都可以通過以上兩個函數(shù)來實現(xiàn)。當(dāng)需要連續(xù)讀寫SL811中的儲存器時可以采用以下方式來實現(xiàn),可以加快讀寫速度。
void SL811BufWrite(BYTE addr, BYTE *s, BYTE c)
{SL811H_ADDR = addr;
while (c--)
SL811H_DATA = *s ;}
4 結(jié) 論
在基于實時內(nèi)核micro;C/OS-II和32位RISC架構(gòu)ARM7 Core的系統(tǒng)板上,我們實現(xiàn)了嵌入式USB主機設(shè)計和開發(fā),為酶標(biāo)儀這一特定醫(yī)療設(shè)備提供了讀寫海量存儲設(shè)備和打印的功能。經(jīng)測試,本系統(tǒng)讀海量存儲設(shè)備數(shù)據(jù)的速度可達750kB/s,寫數(shù)據(jù)的速度最高可達450kB/s;打印功能也完全滿足系統(tǒng)要求,性能穩(wěn)定可靠,使用方便,是一種可行、實用的方案。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
評論