嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信的設計與實現(xiàn)

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

　　2硬件系統(tǒng)

　　2.1S1C33L11及其USB BLOCK簡介

　　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，功能強大，除一般外圍設備外有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個振蕩電路和2個鎖相環(huán)(PLL)，內置16kB RAM ，無ROM。

　　S1C33L11內建支持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個通用通道(Epr(r=a,b,c,d))和一個控制通道(endpoint0)，并為每個通道(endpoint)提供1 kB的FIFO。

　　2.2S1C33L11DMT01開發(fā)板簡介

　　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)的運行及多媒體手機、PDA等產(chǎn)品的開發(fā)。?

　　3USB雙向通信的設計與實現(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]。在實現(xiàn)雙向通信上，具體通信機制是：嵌入式應用程序通過讀寫循環(huán)隊列和信號量狀態(tài)與USB 硬件模塊中的OUT 和IN FIFO相互通信，而USB下位機與上位機(PC)的讀寫通信則通過上位機對控制包的讀寫來實現(xiàn)，最后通過循環(huán)隊列、信號量、控制包3者結合達到USB雙向通信的目的。

　　3.1USB雙向通信固件程序的設計與實現(xiàn)

　　(1)循環(huán)隊列

　　采用IN傳輸一個循環(huán)隊列，OUT傳輸一個循環(huán)隊列(以下簡稱隊列)，每隊列動態(tài)分配32 kB。OUT隊列做為OUT傳輸時的二級緩沖，即OUT傳輸時的FIFO的數(shù)據(jù)必須先放入OUT隊列才能由嵌入式操作系統(tǒng)讀寫;IN隊列做為IN傳輸時的二級緩沖，即IN傳輸時的FIFO數(shù)據(jù)必須來自IN隊列;嵌入式操作系統(tǒng)只對二級緩沖進行讀寫，操作系統(tǒng)對隊列的管理是采用信號量通知機制來實現(xiàn)。

　　(2)控制包

　　為實現(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)。當控制包由上位機發(fā)出時，狀態(tài)字規(guī)定有3種：0x4F：上位機請求OUT傳輸，0x49：上位機請求IN傳輸，0x52：上位機請求讀取下位機狀態(tài);當上位機收到控制包時，狀態(tài)字規(guī)定有5種：0 x00：USB空閑態(tài)，0x01：下位機OUT循環(huán)隊列滿(即OUT超時)，0x02：下位機IN循環(huán)隊列空(即IN超時)，0x04：OUT傳送成功，0x08：IN傳送成功。

　　(3)嵌入式操作系統(tǒng)端應用程序讀寫USB過程

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

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

　　參數(shù)說明：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)。

　　實現(xiàn)過程：首先判斷循環(huán)隊列是否為空，不為空則判斷自身信號量是否可用，若可用，則從隊列中讀取一字節(jié)，每讀一字節(jié)后向USB任務中的BulkOutGet函數(shù)(直接讀取OUT的FIFO函數(shù))發(fā)出一個信號量，通知BulkOutGet函數(shù)隊列此時可以向OUT循環(huán)隊列中寫入數(shù)據(jù)，接著重新判斷，依次逐字節(jié)從OUT循環(huán)隊列中讀取數(shù)據(jù)，直到讀完要求數(shù)據(jù)大小為止。當循環(huán)隊列為空時，首先發(fā)一個信號量，通知BulkOutGet函數(shù)應向本隊列中寫入數(shù)據(jù)了，然后復位自身信號量，接著調用等待信號量的函數(shù)，直到信號量到時才接著讀取。若超時，則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時通知，同時通過向控制包中寫入超時狀態(tài)(0x01)來向上位機(PC)發(fā)出超時信號。

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

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

　　參數(shù)說明：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)。

　　實現(xiàn)過程：首先判斷循環(huán)隊列是否滿，不為滿則判斷自身信號量是否可用，若可用，則向隊列中寫入一字節(jié)，每寫入一字節(jié)后向USB任務中的BulkInDataSet(直接寫IN的FIFO函數(shù))函數(shù)發(fā)出一個信號量通知此函數(shù)此時可以從IN循環(huán)隊列中讀取數(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。當循環(huán)隊列滿時，先發(fā)一個信號量通知BulkInDataSet函數(shù)應從隊列中取走數(shù)據(jù)，再復位自身信號量，接著調用等待信號量的函數(shù)，直到信號量到時才接著寫入,若超時，則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時通知，同時通過向控制包中寫入超時狀態(tài)(0x02)來向上位機(PC)發(fā)出超時信號。

　　(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傳輸過程，即從IN循環(huán)隊列中讀取數(shù)據(jù)并向IN FIFO中寫入數(shù)據(jù)，再對嵌入式操作系統(tǒng)信號量做相應處理。

　　void BulkOutDataGet(void)其功能是OUT傳輸過程，即從OUT FIFO中讀出數(shù)據(jù)并向OUT循環(huán)隊列中寫入數(shù)據(jù)，再對嵌入式操作系統(tǒng)信號量做相應處理。

　　(5) 嵌入式操作系統(tǒng)USB 任務調用函數(shù)

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

　　void USBInit(void)：USB初始化(包括對循環(huán)隊列分配內存等)

　　void USBThread(void)：USB運行體(USB工作過程對USB中斷進行處理主要包括USB塊傳輸函 數(shù)、USB中斷狀態(tài)分析處理等)。

　　void FreeUSB(void)：關閉USB和釋放由malloc函數(shù)分配的循環(huán)隊列所占內存

　　3.2上位機(PC)部分

　　USB函數(shù)層(USBD及HCD)由Windows98提供，負責管理USB設備驅動程序與USB控制器之間的通信、加載及卸載USB驅動程序等。具體方法是通過DriverWorks軟件生成上位機(PC)機端USB驅動程序模板[3]，根據(jù)下位機的情況處理相應的讀寫部分，最后通過封裝基本API函數(shù)ReadFile,WriteFile來實現(xiàn)用戶態(tài)應用程序與PC機USB驅動程序的隔離，使PC的應用層對USB的使用如同對串口的使用一樣方便，給用戶態(tài)應 用程序提供有了3個接口函數(shù)：

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

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

　　返回值：

　　0x10：驅動出錯(指Windows USB 驅動程序出錯)

　　0x20：內存空間不足?

　　0x30：請求的數(shù)據(jù)大小為0 B

　　0x02：下位機發(fā)送軟超時

　　0x08：讀取成功

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

　　參數(shù)說明：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驅動出錯(Windows USB 驅動程序出錯)

　　0x20：內存空間不足

　　0x30：請求的數(shù)據(jù)大小為0 B

　　0x01：下位機讀取數(shù)據(jù)軟超時

　　0x04：發(fā)送成功

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

　　參數(shù)說明：void *pRequestBuffer：5 B控制包緩沖

　　其中每次Read或Write函數(shù)的調用被分為若干次讀/寫發(fā)送。具體處理是： 設待讀寫的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為X B，當X=5B時，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5 B16 kB時則分割以16kB為單位的數(shù)據(jù)進行發(fā)送，不足16 kB的部分再發(fā)送一次。每次讀/寫發(fā)送分3個階段：發(fā)控制包，讀/寫數(shù)據(jù)，讀控制包狀態(tài)。

　　4結語

　　基于S1C33L11芯片在嵌入式操作系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)的USB雙向通信嚴格遵循USB1.1協(xié)議，充分利用了S1C33L11芯片的內置功能和嵌入式操作系統(tǒng)的作用，具有交互作用強、嵌入式操作系統(tǒng)中設備無關性好的特點。