1嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信系統(tǒng)整體層次結(jié)構(gòu)

嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信系統(tǒng)整體層次結(jié)構(gòu)

2硬件系統(tǒng)

2.1S1C33L11及其USBBLOCK簡介

S1C33L11是EPSON公司的32位高速，低功耗，低電壓MCU。他是以C33STD32位RISCCPU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(nèi)置16kBRAM，無ROM。

S1C33L11內(nèi)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1kB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2MBRAM，32MBFLASH，還帶有STNTFT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INFIFO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(jié)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32kB。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：0x00：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)：voidReadUSB(unsignedchar*ReadBuffer,DWORDsize)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：unsignedchar*ReadBuffer存放數(shù)據(jù)的指針，DWORDsize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(diào)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)：voidWriteUSB(unsignedchar*WriteBuffer,DWORDsize)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：unsignedchar*WriteBuffer存放數(shù)據(jù)的指針，DWORDsize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(diào)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。voidBulkInDataSet(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INFIFO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。

voidBulkOutDataGet(void)其功能是OUT傳輸過程，即從OUTFIFO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(diào)用函數(shù)

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

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

voidUSBThread(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）。

voidFreeUSB(void)：關閉USB和釋放由malloc函數(shù)分配的循環(huán)隊列所占內(nèi)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(qū)動程序與ＵＳＢ控制器之間的通信、加載及卸載ＵＳＢ驅(qū)動程序等。具體方法是通過DriverWorks軟件生成上位機(PC)機端USB驅(qū)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(qū)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)：

unsignedcharRead(void*pReadBuffer,DWORDSize)：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，DWORDSize：需讀取數(shù)據(jù)的大�。ㄗ止�(jié)數(shù)）

返回值：

0x10：驅(qū)動出錯（指WindowsUSB驅(qū)動程序出錯）

0x20：內(nèi)存空間不足

0x30：請求的數(shù)據(jù)大小為0B

0x02：下位機發(fā)送軟超時

0x08：讀取成功

unsignedcharWrite(void*pWriteBuffer,DWORDSize)：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，DWORDSize;需寫入數(shù)據(jù)的大�。ㄗ止�(jié)數(shù)）。

返回值：

0x10：USB驅(qū)動出錯(WindowsUSB驅(qū)動程序出錯)

0x20：內(nèi)存空間不足

0x30：請求的數(shù)據(jù)大小為0B

0x01：下位機讀取數(shù)據(jù)軟超時

0x04：發(fā)送成功

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