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          嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

          作者: 時(shí)間:2011-09-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          作為一種串行總線,采用主從式方式,從設(shè)備只能被動(dòng)響應(yīng)來自主設(shè)備的請求,不能主動(dòng)發(fā)起請求。隨著系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,對交互性操作要求越來越迫切,而采用可以很好地解決上述問題。本文介紹一種基于S1C33L11芯片利用的同步機(jī)制通過對循環(huán)隊(duì)列及自定義控制包的操作來通信的方法。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/155722.htm

            1通信系統(tǒng)整體層次結(jié)構(gòu)

            嵌入式中USB通信系統(tǒng)整體層次結(jié)構(gòu)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(qiáng)大,除一般外圍設(shè)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(nèi)置16kB RAM ,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(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(yùn)行及多媒體手機(jī)、PDA等產(chǎn)品的開發(fā)。?

            3USB雙向通信的

            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]。在雙向通信上,具體通信機(jī)制是:嵌入式應(yīng)用程序通過讀寫循環(huán)隊(duì)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(jī)與上位機(jī)(PC)的讀寫通信則通過上位機(jī)對控制包的讀寫來實(shí)現(xiàn),最后通過循環(huán)隊(duì)列、信號量、控制包3者結(jié)合達(dá)到USB雙向通信的目的。

            3.1USB雙向通信固件程序的與實(shí)現(xiàn)

            (1)循環(huán)隊(duì)列

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

            (2)控制包

            為實(shí)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(dāng)控制包由上位機(jī)發(fā)出時(shí),狀態(tài)字規(guī)定有3種:0x4F:上位機(jī)請求OUT傳輸,0x49:上位機(jī)請求IN傳輸,0x52:上位機(jī)請求讀取下位機(jī)狀態(tài);當(dāng)上位機(jī)收到控制包時(shí),狀態(tài)字規(guī)定有5種:0 x00:USB空閑態(tài),0x01:下位機(jī)OUT循環(huán)隊(duì)列滿(即OUT超時(shí)),0x02:下位機(jī)IN循環(huán)隊(duì)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(tǒng)端應(yīng)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(yīng)用程序通過USB接口讀取上位機(jī)(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(shí)現(xiàn)過程:首先判斷循環(huán)隊(duì)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(duì)列中讀取一字節(jié),每讀一字節(jié)后向USB任務(wù)中的BulkOutGet函數(shù)(直接讀取OUT的FIFO函數(shù))發(fā)出一個(gè)信號量,通知BulkOutGet函數(shù)隊(duì)列此時(shí)可以向OUT循環(huán)隊(duì)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(duì)列中讀取數(shù)據(jù),直到讀完要求數(shù)據(jù)大小為止。當(dāng)循環(huán)隊(duì)列為空時(shí),首先發(fā)一個(gè)信號量,通知BulkOutGet函數(shù)應(yīng)向本隊(duì)列中寫入數(shù)據(jù)了,然后復(fù)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(shí)才接著讀取。若超時(shí),則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時(shí)通知,同時(shí)通過向控制包中寫入超時(shí)狀態(tài)(0x01)來向上位機(jī)(PC)發(fā)出超時(shí)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(yīng)用程序通過USB接口向上位機(jī)(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(shí)現(xiàn)過程:首先判斷循環(huán)隊(duì)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(duì)列中寫入一字節(jié),每寫入一字節(jié)后向USB任務(wù)中的BulkInDataSet(直接寫IN的FIFO函數(shù))函數(shù)發(fā)出一個(gè)信號量通知此函數(shù)此時(shí)可以從IN循環(huán)隊(duì)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(duì)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(dāng)循環(huán)隊(duì)列滿時(shí),先發(fā)一個(gè)信號量通知BulkInDataSet函數(shù)應(yīng)從隊(duì)列中取走數(shù)據(jù),再復(fù)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(shí)才接著寫入,若超時(shí),則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時(shí)通知,同時(shí)通過向控制包中寫入超時(shí)狀態(tài)(0x02)來向上位機(jī)(PC)發(fā)出超時(shí)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(duì)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(yīng)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(duì)列中寫入數(shù)據(jù),再對嵌入式操作系統(tǒng)信號量做相應(yīng)處理。

            (5) 嵌入式操作系統(tǒng)USB 任務(wù)調(diào)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(duì)列分配內(nèi)存等)

            void USBThread(void):USB運(yùn)行體(USB工作過程對USB中斷進(jìn)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(guān)閉USB和釋放由malloc函數(shù)分配的循環(huán)隊(duì)列所占內(nèi)存

            3.2上位機(jī)(PC)部分

            USB函數(shù)層(USBD及HCD)由Windows98提供,負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與USB控制器之間的通信、加載及卸載USB驅(qū)動(dòng)程序等。具體方法是通過DriverWorks軟件生成上位機(jī)(PC)機(jī)端USB驅(qū)動(dòng)程序模板[3],根據(jù)下位機(jī)的情況處理相應(yīng)的讀寫部分,最后通過封裝基本API函數(shù)ReadFile,WriteFile來實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)應(yīng)用程序與PC機(jī)USB驅(qū)動(dòng)程序的隔離,使PC的應(yīng)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(yīng) 用程序提供有了3個(gè)接口函數(shù):

            unsigned char Read(void *pReadBuffer,DWORD Size):從下位機(jī)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(qū)動(dòng)出錯(cuò)(指Windows USB 驅(qū)動(dòng)程序出錯(cuò))

            0x20:內(nèi)存空間不足?

            0x30:請求的數(shù)據(jù)大小為0 B

            0x02:下位機(jī)發(fā)送軟超時(shí)

            0x08:讀取成功

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

            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(qū)動(dòng)出錯(cuò)(Windows USB 驅(qū)動(dòng)程序出錯(cuò))

            0x20:內(nèi)存空間不足

            0x30:請求的數(shù)據(jù)大小為0 B

            0x01:下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)軟超時(shí)

            0x04:發(fā)送成功

            void RequestUSB(void *pRequestBuffer,DWORD Size=5):讀取下位機(jī)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(diào)用被分為若干次讀/寫發(fā)送。具體處理是: 設(shè)待讀寫的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為X B,當(dāng)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(qū)分開);當(dāng)5 B16 kB時(shí)則分割以16kB為單位的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)階段:發(fā)控制包,讀/寫數(shù)據(jù),讀控制包狀態(tài)。

            4結(jié)語

            基于S1C33L11芯片在嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的USB雙向通信嚴(yán)格遵循USB1.1協(xié)議,充分利用了S1C33L11芯片的內(nèi)置功能和嵌入式操作系統(tǒng)的作用,具有交互作用強(qiáng)、嵌入式操作系統(tǒng)中設(shè)備無關(guān)性好的特點(diǎn)。

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