USB在同步相量測量單元中的應(yīng)用

　　4.6 標(biāo)準(zhǔn)請求處理程序

　　標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求是由USB協(xié)議決定的，由主機(jī)發(fā)出，以數(shù)據(jù)包的形式傳送到單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)接收到這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求時就轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。其過程包括：①獲取狀態(tài)。②清除特性。③設(shè)置特性。④設(shè)置地址。⑤獲取設(shè)備描述符。⑥設(shè)置配置。⑦獲取配置信息。⑧獲取接口信息。⑨設(shè)置接口。⑩同步幀。其中同步幀用來設(shè)置和報告一個端點(diǎn)的同步幀，在同步傳輸中才使用，如果設(shè)備不支持這個請求，返回停止標(biāo)志。

　　4.7 主循環(huán)程序

　　主循環(huán)程序主要功能是設(shè)置單片機(jī)的初始化，以及設(shè)定各個相關(guān)子程序的入口。由于使用了中斷服務(wù)程序和一系列的命令接口子程序，主循環(huán)程序中涉及USB接口的部分只是設(shè)定相關(guān)的寄存器。

　　5 USB驅(qū)動程序上位機(jī)部分

　　5.1 驅(qū)動程序基本概念

　　主機(jī)驅(qū)動程序的功能是將硬件與用戶應(yīng)用程序連接起來。編寫的方法有多種，可以直接與硬件相連接，在應(yīng)用程序中直接讀寫系統(tǒng)應(yīng)將，或者將與硬件直接交換數(shù)據(jù)的底層工作交給操作系統(tǒng)自動完成，應(yīng)用程序象讀寫普通文件一樣完成對硬件設(shè)備的操作。前一種方法的代碼開銷少，但是編寫的工作量非常大，移植性也較差。后一種方法需要大量庫函數(shù)支持，但編寫較為簡單，且移植性好，甚至只需少許修改就可以完成對另一種硬件的支持。在本系統(tǒng)中使用的是由廠商提供的驅(qū)動程序，為了充分說明USB系統(tǒng)的工作，還是有必要對主機(jī)驅(qū)動程序的工作方式做一個介紹。

　　從驅(qū)動程序的角度出發(fā)，每個設(shè)備都被看成若干個設(shè)備對象，這些設(shè)備對象的來歷各不相同，每個對象都有驅(qū)動程序與之對應(yīng)。它們根據(jù)一定的規(guī)則組成設(shè)備對象堆棧，也就是對應(yīng)的驅(qū)動程序堆棧。處于最底層的是物理設(shè)備對象，它一般由總線生成，驅(qū)動程序到達(dá)這里的時候，總線只是按照標(biāo)準(zhǔn)作一些動作，即可完成對設(shè)備物理上的操作。一個設(shè)備只能有一個物理設(shè)備對象，但可以有若干個其它的設(shè)備對象。功能設(shè)備對象是由所編寫的驅(qū)動程序生成的，它負(fù)責(zé)從邏輯上操作設(shè)備。其它的層次設(shè)備對象可以處于功能設(shè)備對象的上面或下面，它由另一些驅(qū)動程序或者其它的系統(tǒng)組件生成，可以記錄一些設(shè)備信息，但層次設(shè)備對象不是必須的。由于驅(qū)動程序的這種層次結(jié)構(gòu)，在編寫驅(qū)動程序的時候不必考慮內(nèi)存分配、IO端口配置、DMA申請等。Windows將資源申請全部自動化，由總線完成，編寫驅(qū)動程序時只要考慮控制設(shè)備本身即可。

　　5.2 即插即用設(shè)備狀態(tài)及它們之間的轉(zhuǎn)換

　　USB接口設(shè)備的一個顯著特點(diǎn)就是接入或者拔出時不需要關(guān)閉主機(jī)和重新啟動系統(tǒng)，而是可以在系統(tǒng)運(yùn)行時直接插入或者拔出。這與USB接口的硬件設(shè)置有關(guān)，USB接口是通過檢測接口上拉電阻來判別是否有設(shè)備存在的。當(dāng)然，還必須有相應(yīng)的驅(qū)動程序來完成對此功能的支持。下面就將簡要描述一個設(shè)備完成即插即用的過程。

　　用戶將設(shè)備插入計(jì)算機(jī)，此時設(shè)備還沒有被系統(tǒng)檢測到。要開始對設(shè)備進(jìn)行軟件配置，必須由即插即用管理器以及總線驅(qū)動對設(shè)備進(jìn)行枚舉。即插即用管理器，有時還可能要在用戶模式下的組件工作，檢測出設(shè)備的驅(qū)動程序，包括功能驅(qū)動程序以及其它的層次驅(qū)動程序。如果此時驅(qū)動程序尚未調(diào)入，則即插即用管理器調(diào)用設(shè)備插入例程。驅(qū)動程序完成初始化之后，接著必須對設(shè)備進(jìn)行初始化。即插即用管理器調(diào)用驅(qū)動程序中添加設(shè)備的例程來初始化該驅(qū)動程序控制的每個設(shè)備。當(dāng)一個驅(qū)動程序從即插即用管理器中收到開始設(shè)備的請求時，驅(qū)動程序使設(shè)備啟動并且做好處理IO操作。在Windows2000及更高版本的操作系統(tǒng)中，和停止有關(guān)的請求只有在重新分配硬件資源的時候才會使用。意外卸載時是指硬件在物理上被卸載(熱拔出)，驅(qū)動程序處理這個請求使系統(tǒng)的損失盡可能降低。硬件卸載時，調(diào)用相應(yīng)的卸載請求，使得該設(shè)備在軟件上也不可用。如果不對意外卸載進(jìn)行處理，就有可能造成硬件在物理意義上已不存在，但在系統(tǒng)邏輯中依然存在，造成系統(tǒng)訪問該設(shè)備的時候出現(xiàn)錯誤，嚴(yán)重的情況可能會造成處理器進(jìn)入死循環(huán)。當(dāng)在軟件意義上對設(shè)備進(jìn)行停止時，需要等其它請求都操作完畢后才能進(jìn)行。

　　5.3 驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)

　　USB驅(qū)動程序從結(jié)構(gòu)上可以分成兩大部分，驅(qū)動程序入口以及處理各個事件的例程。驅(qū)動程序入口是由系統(tǒng)定義的一組常數(shù)，該部分主要完成兩件工作：一件是將注冊表項(xiàng)復(fù)制到一個全局變量中；另一件是給不同的設(shè)備事件指示處理例程。剩下的工作就是按照這些設(shè)備事件編寫各自的例程。這些設(shè)備事件主要包括下面幾個部分：

　　(1)打開文件：當(dāng)用戶以打開文件的名義打開設(shè)備準(zhǔn)備讀寫的時候，調(diào)用該部分例程進(jìn)行準(zhǔn)備。

　　(2)關(guān)閉文件：當(dāng)用戶關(guān)閉文件(關(guān)閉設(shè)備)的時候，調(diào)用該例程清掃系統(tǒng)。

　　(3)即插即用處理：處理即插即用相關(guān)的事件，該部分例程包括許多硬件相關(guān)的子程序，具體功能見第2節(jié)。

　　(4)處理讀操作：當(dāng)用戶讀取文件時，調(diào)用該例程將接口芯片緩沖區(qū)內(nèi)的信息返回主機(jī)。

　　(5)處理寫操作：當(dāng)用戶寫文件時，調(diào)用該例程將數(shù)據(jù)以包的形式發(fā)送到接口芯片。

　　(6)設(shè)備操作：該部分例程完成對設(shè)備硬件的控制，一般含有IO控制碼，這些控制碼在用戶頭文件中定義，該例程根據(jù)不同的IO控制碼，完成對設(shè)備的各項(xiàng)控制任務(wù)。

　　(7)驅(qū)動程序初始化：當(dāng)?shù)谝淮伟惭b硬件時調(diào)用該部分例程，創(chuàng)建物理設(shè)備對象。對所涉及的各個變量進(jìn)行初始化。這部分程序一般操作系統(tǒng)中有自帶。

　　(8)驅(qū)動程序的卸載：用于清除硬件在系統(tǒng)中留下的痕跡，釋放全局變量中注冊表路徑字符串所占用的內(nèi)存，將資源歸還系統(tǒng)。

　　(9)電源管理：所有和電源相關(guān)的例程都由這里發(fā)出，它發(fā)出的請求可以是指定一種新的電源狀態(tài)，或者查詢更改一種狀態(tài)是否可靠。此部分對于總線供電的USB設(shè)備較為重要，涉及設(shè)備的掛起和喚醒等操作。在本系統(tǒng)中此部分無作用，所有下位機(jī)設(shè)備都是自供電形式的，設(shè)備處于長時工作狀態(tài)。

　　5.4 USB設(shè)備讀寫

　　USB設(shè)備的讀寫操作是大部分用戶主要關(guān)心的內(nèi)容。由于設(shè)備驅(qū)動程序的作用，用戶應(yīng)用程序和USB設(shè)備的讀寫操作變的非常簡單，用戶打開USB設(shè)備就像打開文件一樣。這是在添加設(shè)備中申請了一個符號鏈接，并在啟動設(shè)備例程中將此鏈接激活而實(shí)現(xiàn)的。USB中的讀寫操作分為四種：

　　(1)控制型：控制型傳輸主要為對USB本身的配置，前面所描述的USB配置實(shí)際上都是通過控制傳輸實(shí)現(xiàn)的。

　　(2)批量型：批量型傳輸用來處理大量的對時間要求不緊迫的數(shù)據(jù)。底層協(xié)議保證了無差錯的傳輸，但不保證傳輸時延。

　　(3)中斷型：中斷型傳輸對服務(wù)時間有較強(qiáng)的限制，但一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不多，主要為一些需要實(shí)時相應(yīng)的消息。

　　(4)同步型：同步傳輸可以保證傳輸時延、保證帶寬和保證恒定的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是在傳送失敗的情況下。不使用“重試”來傳輸數(shù)據(jù)，因而可能會有一定的出錯概率。

　　對USB接口的讀寫是按照與數(shù)據(jù)文件讀寫相同的方式進(jìn)行的，第一步要打開文件，即打開設(shè)備。當(dāng)用戶以打開文件的名義打開設(shè)備時，首先要檢查設(shè)備的狀態(tài)，看設(shè)備是否處于工作狀態(tài)，設(shè)備的接口信息是否已經(jīng)準(zhǔn)備好。接著檢查從上面?zhèn)飨聛淼奈募ο蟮暮戏ㄐ?指針不為空)。然后檢查文件名的長度，當(dāng)為0時，說明打開的只是設(shè)備本身；不為0時說明打開的是某個管道，調(diào)用管道相關(guān)例程，將管道明轉(zhuǎn)換為指向?qū)?yīng)管道綜合信息的指針即可。讀寫USB設(shè)備實(shí)際上是調(diào)用同一個傳輸例程的，所區(qū)別的是傳輸方向符不同，由于通訊雙方遵守的都是USB協(xié)議，所有的數(shù)據(jù)包的格式都是一致的，所以這沒有什么問題。驅(qū)動程序控制的上位機(jī)讀寫過程和單片機(jī)的情況類似，所不同的是，單片機(jī)使用的接口芯片將數(shù)據(jù)放入硬件緩沖區(qū)內(nèi)，而上位機(jī)的驅(qū)動程序則會構(gòu)建一個虛擬的緩沖區(qū)來完成相同的工作。當(dāng)要發(fā)送的數(shù)據(jù)大于緩沖區(qū)的容量時，同單片機(jī)的情況一樣，也要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，例程返回一個發(fā)送成功的標(biāo)志。

　　5.5 USB上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)簡介

　　編寫好驅(qū)動程序以后，要在應(yīng)用程序中調(diào)用USB設(shè)備，其做法就與調(diào)用硬件類似，可以使用WIN32 API函數(shù)像調(diào)用程序文件一樣對設(shè)備進(jìn)行讀寫，也可以使用如同串口的mscomm那樣的控件來實(shí)現(xiàn)。由于本系統(tǒng)的上位機(jī)程序是用VB開發(fā)的，顯然調(diào)用成品動態(tài)鏈接庫能減少很多工作量。這里就調(diào)用由廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司開發(fā)的稱為easyd12.dll的動態(tài)鏈接庫。

　　6 結(jié)論

　　USB接口的驅(qū)動程序編寫是一項(xiàng)繁瑣的工作，由于硬件條件的限制，上述程序僅在仿真器上運(yùn)行通過，無法實(shí)地調(diào)試，其中必然存在很多漏洞和不足。USB接口本身是并不是為智能儀表開發(fā)的，作為批量數(shù)據(jù)傳輸用的USB總線在智能儀表上使用顯得有些復(fù)雜。在更高性能的通用型總線出現(xiàn)以前，為了實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸使用USB還是一個性價比較好的方案。本系統(tǒng)只使用了USB的部分功能，付出的軟硬件資源代價卻與一個完整功能的USB傳輸系統(tǒng)沒有多大區(qū)別。如果能開發(fā)出一種比USB總線更簡便易用的通用型總線，那一定會引起智能儀表的革命。實(shí)際上，現(xiàn)在用驅(qū)動程序完成的工作完全可以用純硬件的方式來實(shí)現(xiàn)，不過目前而言，代價必然較大。如果能找到一個方法來直接控制USB接口各個引腳的電平，那么即使用中規(guī)模集成電路也可以完成同步串行通訊的工作，遺憾的是，在整個設(shè)計(jì)過程中，本人始終沒有發(fā)現(xiàn)這種方法，涉及USB協(xié)議以及計(jì)算機(jī)主板上相關(guān)控制器的最底層內(nèi)容仍然無法洞悉。