嵌入式操作系統中USB雙向通信的設計與實(shí)現

　　嵌入式操作系統中USB雙向通信系統整體層次結構如圖1所示。

　　2硬件系統

　　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(gè)振蕩電路和2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，內置16kB RAM ，無(wú)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(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(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介

　　S1C33L11DMT01開(kāi)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的運行及多媒體手機、PDA等產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。?

　　3USB雙向通信的設計與實(shí)現

　　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)現雙向通信上，具體通信機制是：嵌入式應用程序通過(guò)讀寫(xiě)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(xiě)通信則通過(guò)上位機對控制包的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現，最后通過(guò)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(shí)現

　　(1)循環(huán)隊列

　　采用IN傳輸一個(gè)循環(huán)隊列，OUT傳輸一個(gè)循環(huán)隊列(以下簡(jiǎn)稱(chēng)隊列)，每隊列動(dòng)態(tài)分配32 kB。OUT隊列做為OUT傳輸時(shí)的二級緩沖，即OUT傳輸時(shí)的FIFO的數據必須先放入OUT隊列才能由嵌入式操作系統讀寫(xiě);IN隊列做為IN傳輸時(shí)的二級緩沖，即IN傳輸時(shí)的FIFO數據必須來(lái)自IN隊列;嵌入式操作系統只對二級緩沖進(jìn)行讀寫(xiě)，操作系統對隊列的管理是采用信號量通知機制來(lái)實(shí)現。

　　(2)控制包

　　為實(shí)現雙向通信，規定一種控制包格式，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。從左到右第一字節為狀態(tài)字，剩下4字節傳送要收發(fā)的數據字節數。當控制包由上位機發(fā)出時(shí)，狀態(tài)字規定有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(shí)，狀態(tài)字規定有5種：0 x00：USB空閑態(tài)，0x01：下位機OUT循環(huán)隊列滿(mǎn)(即OUT超時(shí))，0x02：下位機IN循環(huán)隊列空(即IN超時(shí))，0x04：OUT傳送成功，0x08：IN傳送成功。

　　(3)嵌入式操作系統端應用程序讀寫(xiě)USB過(guò)程

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

　　功能：嵌入式系統應用程序通過(guò)USB接口讀取上位機(PC)的數據。

　　參數說(shuō)明：unsigned char*ReadBuffer存放數據的指針，DWORD size為要讀出的數據的尺寸(單位：B)。

　　實(shí)現過(guò)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，每讀一字節后向USB任務(wù)中的BulkOutGet函數(直接讀取OUT的FIFO函數)發(fā)出一個(gè)信號量，通知BulkOutGet函數隊列此時(shí)可以向OUT循環(huán)隊列中寫(xiě)入數據，接著(zhù)重新判斷，依次逐字節從OUT循環(huán)隊列中讀取數據，直到讀完要求數據大小為止。當循環(huán)隊列為空時(shí)，首先發(fā)一個(gè)信號量，通知BulkOutGet函數應向本隊列中寫(xiě)入數據了，然后復位自身信號量，接著(zhù)調用等待信號量的函數，直到信號量到時(shí)才接著(zhù)讀取。若超時(shí)，則向嵌入式操作系統發(fā)出超時(shí)通知，同時(shí)通過(guò)向控制包中寫(xiě)入超時(shí)狀態(tài)(0x01)來(lái)向上位機(PC)發(fā)出超時(shí)信號。

　　寫(xiě)函數：void WriteUSB(unsigned char*Write Buffer,DWORD size)函數：

　　功能：嵌入式系統應用程序通過(guò)USB接口向上位機(PC)發(fā)送數據。

　　參數說(shuō)明：unsigned char * WriteBuffer 存放數據的指針，DWORD size為要寫(xiě)入的數據的尺寸(單位：B)。

　　實(shí)現過(guò)程：首先判斷循環(huán)隊列是否滿(mǎn)，不為滿(mǎn)則判斷自身信號量是否可用，若可用，則向隊列中寫(xiě)入一字節，每寫(xiě)入一字節后向USB任務(wù)中的BulkInDataSet(直接寫(xiě)IN的FIFO函數)函數發(fā)出一個(gè)信號量通知此函數此時(shí)可以從IN循環(huán)隊列中讀取數據;然后接著(zhù)重新判斷依次逐字節向IN循環(huán)隊列寫(xiě)入數據，直到寫(xiě)完要求數據大小的數據為止。當循環(huán)隊列滿(mǎn)時(shí)，先發(fā)一個(gè)信號量通知BulkInDataSet函數應從隊列中取走數據，再復位自身信號量，接著(zhù)調用等待信號量的函數，直到信號量到時(shí)才接著(zhù)寫(xiě)入,若超時(shí)，則向嵌入式操作系統發(fā)出超時(shí)通知，同時(shí)通過(guò)向控制包中寫(xiě)入超時(shí)狀態(tài)(0x02)來(lái)向上位機(PC)發(fā)出超時(shí)信號。

　　(4) USB塊傳輸函數

　　USB塊傳輸函數是直接和USB硬件打交道的函數，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)隊列中讀取數據并向IN FIFO中寫(xiě)入數據，再對嵌入式操作系統信號量做相應處理。

　　void BulkOutDataGet(void)其功能是OUT傳輸過(guò)程，即從OUT FIFO中讀出數據并向OUT循環(huán)隊列中寫(xiě)入數據，再對嵌入式操作系統信號量做相應處理。

　　(5) 嵌入式操作系統USB 任務(wù)調用函數

　　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(包括對循環(huán)隊列分配內存等)

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

　　void FreeUSB(void)：關(guān)閉USB和釋放由malloc函數分配的循環(huán)隊列所占內存

　　3.2上位機(PC)部分

　　USB函數層(USBD及HCD)由Windows98提供，負責管理USB設備驅動(dòng)程序與USB控制器之間的通信、加載及卸載USB驅動(dòng)程序等。具體方法是通過(guò)DriverWorks軟件生成上位機(PC)機端USB驅動(dòng)程序模板[3]，根據下位機的情況處理相應的讀寫(xiě)部分，最后通過(guò)封裝基本API函數ReadFile,WriteFile來(lái)實(shí)現用戶(hù)態(tài)應用程序與PC機USB驅動(dòng)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(hù)態(tài)應 用程序提供有了3個(gè)接口函數：

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

　　參數說(shuō)明：void *pBuffer：存放讀取數據的緩沖，DWORD Size：需讀取數據的大小(字節數)

　　返回值：

　　0x10：驅動(dòng)出錯(指Windows USB 驅動(dòng)程序出錯)

　　0x20：內存空間不足?

　　0x30：請求的數據大小為0 B

　　0x02：下位機發(fā)送軟超時(shí)

　　0x08：讀取成功

　　unsigned char Write(void *pWriteBuffer,DWORD Size)：發(fā)送數據到下位機

　　參數說(shuō)明：void *pBuffer; 存放寫(xiě)入數據的緩沖，DWORD Size; 需寫(xiě)入數據的大小(字節數)。

　　返回值：

　　0x10：USB驅動(dòng)出錯(Windows USB 驅動(dòng)程序出錯)

　　0x20：內存空間不足

　　0x30：請求的數據大小為0 B

　　0x01：下位機讀取數據軟超時(shí)

　　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)。

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

　　其中每次Read或Write函數的調用被分為若干次讀/寫(xiě)發(fā)送。具體處理是： 設待讀寫(xiě)的數據字節數為X B，當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分開(kāi));當5 B16 kB時(shí)則分割以16kB為單位的數據進(jìn)行發(fā)送，不足16 kB的部分再發(fā)送一次。每次讀/寫(xiě)發(fā)送分3個(gè)階段：發(fā)控制包，讀/寫(xiě)數據，讀控制包狀態(tài)。

　　4結語(yǔ)

　　基于S1C33L11芯片在嵌入式操作系統基礎上實(shí)現的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的作用，具有交互作用強、嵌入式操作系統中設備無(wú)關(guān)性好的特點(diǎn)。