RTEMS管理機制與USB驅(qū)動程序設(shè)計

1 RTEMS及其設(shè)備管理機制
1．1 RTEMS簡介
RTEMS(Real―Time Executive for MultiprocessorSystem)是一個為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供高性能支持環(huán)境的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，早期用于美國軍方的導(dǎo)彈系統(tǒng)。RTEMS的實時性能高于RTLinux，與VxWorks相比也毫不遜色。
RTEMS具有如下特點：支持多任務(wù)；支持同構(gòu)或異構(gòu)多處理器系統(tǒng)；支持事件驅(qū)動、基于優(yōu)先級、占先的調(diào)度算法，具有單調(diào)速率調(diào)度算法；支持任務(wù)間的通信和同步；支持優(yōu)先級繼承算法，快速響應(yīng)的中斷管理；支持動態(tài)存儲器分配，具有用戶配置的能力。
RTEMS是微內(nèi)核搶占式的實時操作系統(tǒng)，具有實時性能好、運行速度快和可靠性高等優(yōu)點，在通信、航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。
1．2 設(shè)備管理機制
操作系統(tǒng)的一個重要功能就是為應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的I／O設(shè)備的虛擬接口，使用戶程序能夠按照相同的模式對設(shè)備進行操作，無需關(guān)心每個設(shè)備的具體特性。
RTEMS系統(tǒng)提出了一種設(shè)備抽象模型，使用這種模型，應(yīng)用程序通過相同的I／O系統(tǒng)調(diào)用塒沒備進行操作，而不必關(guān)心實現(xiàn)細節(jié)。RTEMS的I／O管理器提供的系統(tǒng)調(diào)用包括：
◆rIems_io_initialize，初始化一個設(shè)備驅(qū)動程序；
◆rtems_io_register_name，注冊一個設(shè)備名；
◆rIems_io_lookup_name，根據(jù)設(shè)備名查找主／副設(shè)備號；
◆rterns_io_open，打開一個設(shè)備；
◆rteros_io_close，關(guān)閉一個設(shè)備；
◆rtems_io_read，從一個設(shè)備中執(zhí)行讀操作；
◆rtems_io_write，向一個設(shè)備中執(zhí)行寫操作；
◆rteros_io_control，特殊的設(shè)備服務(wù)。
RTEMS系統(tǒng)使用設(shè)備驅(qū)動程序地址表來提供這種抽象，在這個表中提供了每個標準I／O請求處理函數(shù)的入口地址。RTEMS使用設(shè)備的主設(shè)備號和副設(shè)備號來定位它的驅(qū)動程序。主設(shè)備號是設(shè)備驅(qū)動程序地址表中相應(yīng)設(shè)備表項的索引，用于選擇某個設(shè)備驅(qū)動程序；副設(shè)備號的用途則依賴于具體的設(shè)備驅(qū)動程序，通常用于在相同設(shè)備驅(qū)動程序所控制的若干設(shè)備中指定特定的設(shè)備。在RTEMS系統(tǒng)中，每個特定的設(shè)備都有與之相關(guān)聯(lián)的設(shè)備名稱。RTEMS系統(tǒng)內(nèi)核中包含了一個“設(shè)備驅(qū)動程序文件名表”。這個表將設(shè)備文件名與設(shè)備的主、副設(shè)備號聯(lián)系起來，應(yīng)用程序可以使用注冊設(shè)備名查找與一個設(shè)備相關(guān)聯(lián)的主設(shè)備號／副設(shè)備號，進而通過標準I／0系統(tǒng)調(diào)用和主設(shè)備號／副設(shè)備號在設(shè)備驅(qū)動程序地址表中找到該設(shè)備的驅(qū)動程序的入口函數(shù)地址，對設(shè)備進行操作。
RTEMS系統(tǒng)在初始化時，會調(diào)用各個設(shè)備驅(qū)動程序的初始化函數(shù)，初始化所有的設(shè)備驅(qū)動程序。當應(yīng)用程序需要對設(shè)備進行操作時，會執(zhí)行有關(guān)設(shè)備管理的I／O系統(tǒng)調(diào)用，RTEMS會根據(jù)該系統(tǒng)調(diào)用判斷應(yīng)該選擇的設(shè)備驅(qū)動程序的入口函數(shù)。由應(yīng)用程序傳遞給RTEMS的信息，將被傳遞給適當?shù)脑O(shè)備驅(qū)動程序入口函數(shù)。

2 USB通信協(xié)議簡介
USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是一種在主機和設(shè)備之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。USB接口由于速度快、可靠性高、功耗低等優(yōu)點，已成為當前微機的必備接口，同時也被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中心。USB的物理拓撲為分層的星型結(jié)構(gòu)，由3部分組成――USB主機、USB集線器和USB設(shè)備，如圖l所示。

USB主機是USB系統(tǒng)的主控組件，控制總線上所有USB設(shè)備和USB集線器的數(shù)據(jù)通信過程，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由USB主機端發(fā)起的。
USB主機控制器的復(fù)雜度要遠遠高于USB設(shè)備，典型的USB主機控制器大約需要10 000個門電路，而設(shè)備端的USB接口大約需要1 500個門電路。正是由于這種設(shè)計復(fù)雜度的不平等，使得USB設(shè)備得以在短時間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

3 RTEMS下USB設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計
3．1 概 述
嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境千差萬別，各類USB設(shè)備的類規(guī)范也各不相同。為了確保程序的可移植性和可擴展性，將程序設(shè)計為二層結(jié)構(gòu)：硬件抽象層和USB設(shè)備類驅(qū)動層，如圖2所示。

硬件抽象層封裝對底層USB設(shè)備控制器的操作和對中斷的處理，通過一些標準方法，為上層提供一個底層的硬件抽象，便于移植。USB設(shè)備類驅(qū)動層包含對標準命令和對特定設(shè)備類命令的處理。
3．2 硬件抽象層
硬件抽象層對USB設(shè)備控制器進行操作，實現(xiàn)以下功能：設(shè)備狀態(tài)管理、端點狀態(tài)管理和中斷管理。
3．2．1 設(shè)備狀態(tài)管理
每一個USB設(shè)備在正常工作前必須完成主機對它的配置過程，即總線枚舉。USB設(shè)備在總線上共有6種狀態(tài)：接入態(tài)、加電態(tài)、默認態(tài)、地址態(tài)、配置態(tài)和掛起態(tài)。
硬件抽象層提供USB_Init、USB_Attach、USB_Disat―tach、USB_Connect、USB_Disconnect、USB_SetAddress、USB_ResetAddress、USB_SetConfiguration和USB_ResetConfiguration九個函數(shù)對設(shè)備的狀態(tài)進行管理。一般來說，設(shè)備在總線上的狀態(tài)變化都會由中斷通知設(shè)備，中斷服務(wù)程序根據(jù)中斷類型和當前狀態(tài)通過提供的功能接口對沒備進行相應(yīng)的操作，確保設(shè)備能夠完成枚舉過程÷順利進入配置態(tài)。設(shè)備在硬件抽象層函數(shù)控制下的在總線上的狀態(tài)機如圖3所示。由于掛起與恢復(fù)無需軟件干預(yù)，因此沒有在狀態(tài)機中描述這一狀態(tài)。

3．2．2 端點狀態(tài)管理
USB設(shè)備與主機的通信可以通過對USB端點狀態(tài)的控制來完成。USB設(shè)備端點可以定義3個不同狀態(tài)：空閑(Idle)狀態(tài)、停止(Halt)狀態(tài)和讀／寫(W／R)狀態(tài)。USB硬件抽象層提供USB_ConfigureEndpoint、USB_Write、USB_Read、USB_EndOfTransfer、USB_Stall、USB_HaIt和USB_ClearHalt七個功能函數(shù)對設(shè)備的狀態(tài)進行管理，端點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。