基于VxW0rks操作系統的USB 2．0驅動(dòng)分析

　　引 言

　　通用串行總線(xiàn)(universal setial bus)是一種計算機外圍串行通信接口，具有高速數據傳輸、熱插拔、即插即用(PnP)、成本低等特點(diǎn)。隨著(zhù)USB規范的日趨完善和成熟，測量?jì)x器中也已經(jīng)開(kāi)始使用LISB作為其標準的外圍接口。VxWorks操作系統以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性在儀器儀表領(lǐng)域得到了廣泛應用，本文針對Vx-works操作系統下最新的USB 2.O驅動(dòng)程序進(jìn)行了分析，為基于VxWorks的儀器儀表使用USB 2.0總線(xiàn)提供了技術(shù)參考，并結合作者開(kāi)發(fā)某儀器過(guò)程中遇到的問(wèn)題，給出了使用注意事項。

　　1 USB 2.0驅動(dòng)程序模型結構

　　USB體系結構是基于主從結構的，USB的驅動(dòng)程序設計指的是主機端的驅動(dòng)程序。圖1給出了VxWorks操作系統下USB主驅動(dòng)棧各模塊之間的功能關(guān)系。

　　在棧最底層的是硬件：USB主控制器(USB host con-troller)，USB主控制器在嵌入式主機系統中控制USB，實(shí)現USB主機功能。目前，USB控制器主要有3類(lèi)：

　　(1)(UHCI，universal host controlle interface)通用的主控制器，由Intel最先設計并制定相應規范;

　　(2)(OHCI，open host controller interface)開(kāi)放的主控制器，由Microsoft，C2ompaq和National Semicondtlctor最先設計并制定相應規范;

　　(3)(EHCI，enhanced host controller interface)增強的主控制器，該控制器支持USB2.O。

　　每一主控制器在其上都有相對應的主控制器驅動(dòng)程序(HCD)，這些設備驅動(dòng)程序與底層的硬件相關(guān)，為上層提供統一的功能接口。

　　USB主機驅動(dòng)(USBD)與底層硬件無(wú)關(guān)，通過(guò)HCD與底層控制器通信。USBD管理連接到主機上的每一個(gè)USB連接，并提供高層與USB設備通信的通道。除此之外，USB[)還自動(dòng)對USB設備進(jìn)行電源管理和分配帶寬。在USB系統中，集線(xiàn)器(HUB)對USB系統的正常操作起到關(guān)鍵性作用，因此USBD直接對集線(xiàn)器進(jìn)行控制。這就意味著(zhù)USBD還具有控制USB設備和集線(xiàn)器動(dòng)態(tài)插拔的能力。

　　在主機棧的最頂層是USB設備驅動(dòng)程序。設備驅動(dòng)程序依賴(lài)USBD提供的通信通道，驅動(dòng)連接到USB系統中的USB設備。

　　OSAL為L(cháng)JSB主機棧提供了與VxWorks操作系統相關(guān)的操作，包括任務(wù)管理、互斥及信號燈、內存分配以及系統時(shí)鐘。

　　通過(guò)圖1的結構，可以看出USB主機棧的設計關(guān)鍵是USB主機驅動(dòng)(USBD)的設計，USBD為USB設備驅動(dòng)程序提供標準的USBD API;為主機控制器驅動(dòng)提供HCDAPI。

　　2 USB主機棧啟動(dòng)過(guò)程

　　USB主機棧的啟動(dòng)分為3步：

　　(1)初始化LJSB主機驅動(dòng)(USBD);

　　(2)加載USB主控制器驅動(dòng)(HCD);

　　(3)加載USB設備驅動(dòng)程序。

　　集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)下可以通過(guò)工具進(jìn)行配置，其步驟如下所述：

　　(1)包含USB主機棧USB Host Stack組件，通過(guò)在工程中包含USB主機棧完成對USBD的支持。在系統啟動(dòng)時(shí)對USB主機驅動(dòng)進(jìn)行初始化需要包含USBHostStack Init組件;

　　(2)包含主機控制器(HC)，根據具體設計選用相應的控制器。一般在嵌入式模塊的手冊中都有其模塊控制器的類(lèi)別。在系統啟動(dòng)時(shí)對主機控制器進(jìn)行初始化需要包含相應控制器的初始化組件;

　　(3)包含設備驅動(dòng)，根據設計的需求選擇相應的設備驅動(dòng)。

　　通過(guò)上述配置生成的VxWorks系統中帶有USB主機棧，可以完成USB2.0主機功能。3 USB主機驅動(dòng)(USBD)分析

　　在使用USBD提供的接口之前，首先需要對USBD進(jìn)行初始化，USBD的初始化分為3步，其步驟如下：

　　(1)調用USBD的入口函數lasbdInit()，usbdInit初始化USBD用到的數據結構;

　　(2)調用13SB集線(xiàn)器(HUB)的初始化函數lasbHu-blnit()，初始化集線(xiàn)器驅動(dòng)的數據結構;

　　(3)使用函數usbHCDlnit()掛接相應的主機驅動(dòng)器。

　　對于每一個(gè)掛接到USBD上的主機驅動(dòng)程序，集線(xiàn)器驅動(dòng)程序都會(huì )為其創(chuàng )建一個(gè)優(yōu)先級為100的任務(wù)來(lái)監視USB總線(xiàn)上的事件。這個(gè)任務(wù)一直處于睡眠狀態(tài)，一旦集線(xiàn)器上的某一個(gè)端口狀態(tài)發(fā)生改變，該任務(wù)立即被激活。由于該任務(wù)的優(yōu)先級為100，可以立刻獲得資源變?yōu)檫\行狀態(tài)將總線(xiàn)狀態(tài)告知USBD。

　　USB設備類(lèi)驅動(dòng)需要首先在USBD中注冊，USBD為每一個(gè)設備類(lèi)維護著(zhù)一個(gè)設備類(lèi)結構，它的定義如下：

　　當USB設備插入或拔出USB系統時(shí)，集線(xiàn)器驅動(dòng)程序將USB設備插入或拔出的信息通知USBD，USBD)根據得到設備信息(例如：設備類(lèi)號，子類(lèi)號，協(xié)議號等)查找設備驅動(dòng)程序列表，查找到該設備的驅動(dòng)程序后，調用USB設備的相應函數，進(jìn)行設備的相應操作。 當一個(gè)設備類(lèi)不在系統中使用時(shí)，通過(guò)撤銷(xiāo)函數來(lái)撤銷(xiāo)注冊，該操作的實(shí)質(zhì)是刪除相應設備類(lèi)的設備類(lèi)結構。

　　4結束語(yǔ)

　　本文介紹的VxWorks操作系統下USB2.0驅動(dòng)程序已經(jīng)成功在國內某高性能頻譜分析儀中使用，在使用過(guò)程中有以下幾點(diǎn)注意事項：

　　(1)通過(guò)分析USB主機棧啟動(dòng)過(guò)程，可以對USB主機棧原理進(jìn)行研究;

　　(2)為考慮USB系統的可移植性，VxWorks提供的源程序并沒(méi)有基于平臺做處理。當使用X86平臺時(shí)，需要修改相應的PCI設置以適應X86平臺下的PCI機制。具體方法：修改usbPciStub.c定義：

　　(3)在使用EHC時(shí)，一定要注意系統中使用的USBI.1的控制器是什么類(lèi)型，并將相應的驅動(dòng)程序組件加到VxWorks的Image中。