基于RTEMS的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

引 言

在航空航天和工業(yè)控制等一些嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，要求控制系統(tǒng)具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性，能夠?yàn)槿蝿?wù)提供一個(gè)可預(yù)見(jiàn)的響應(yīng)時(shí)間。一些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的引入可以有效地滿(mǎn)足任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，如RTEMS和 VxWorks。在這樣的系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)通信模塊的通信速度不高，或者通信質(zhì)量不可靠，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。通用串行總線(USB)由于其高帶寬、高可靠性的特點(diǎn)，必將越來(lái)越多地應(yīng)用到這類(lèi)系統(tǒng)中。然而由于多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)目前并未提供USB主機(jī)和設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，而且USB協(xié)議相對(duì)于其他串行通信協(xié)議(RS232、SPI等)復(fù)雜度較高，使得USB驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)難度較大。

1 RTEMS及其設(shè)備管理機(jī)制

1.1 RTEMS簡(jiǎn)介

RTEMS(Real—Time Executive for MultiprocessorSystem)是一個(gè)為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供高性能支持環(huán)境的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，早期用于美國(guó)軍方的導(dǎo)彈系統(tǒng)。RTEMS的實(shí)時(shí)性能高于RTLinux，與VxWorks相比也毫不遜色。

RTEMS具有如下特點(diǎn)：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(dòng)、基于優(yōu)先級(jí)、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(jí)繼承算法，快速響應(yīng)的中斷管理;支持動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配，具有用戶(hù)配置的能力。

RTEMS是微內(nèi)核搶占式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性能好、運(yùn)行速度快和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)制

操作系統(tǒng)的一個(gè)重要功能就是為應(yīng)用程序提供一個(gè)統(tǒng)一的I/O設(shè)備的虛擬接口，使用戶(hù)程序能夠按照相同的模式對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，無(wú)需關(guān)心每個(gè)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(guò)相同的I/O系統(tǒng)調(diào)用塒沒(méi)備進(jìn)行操作，而不必關(guān)心實(shí)現(xiàn)細(xì)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(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;

◆rtems_io_register_name，注冊(cè)一個(gè)設(shè)備名;

◆rIems_io_lookup_name，根據(jù)設(shè)備名查找主/副設(shè)備號(hào);

◆rterns_io_open，打開(kāi)一個(gè)設(shè)備;

◆rteros_io_close，關(guān)閉一個(gè)設(shè)備;

◆rtems_io_read，從一個(gè)設(shè)備中執(zhí)行讀操作;

◆rtems_io_write，向一個(gè)設(shè)備中執(zhí)行寫(xiě)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(dòng)程序地址表來(lái)提供這種抽象，在這個(gè)表中提供了每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O請(qǐng)求處理函數(shù)的入口地址。RTEMS使用設(shè)備的主設(shè)備號(hào)和副設(shè)備號(hào)來(lái)定位它的驅(qū)動(dòng)程序。主設(shè)備號(hào)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序地址表中相應(yīng)設(shè)備表項(xiàng)的索引，用于選擇某個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;副設(shè)備號(hào)的用途則依賴(lài)于具體的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，通常用于在相同設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(gè)特定的設(shè)備都有與之相關(guān)聯(lián)的設(shè)備名稱(chēng)。RTEMS系統(tǒng)內(nèi)核中包含了一個(gè) “設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序文件名表”。這個(gè)表將設(shè)備文件名與設(shè)備的主、副設(shè)備號(hào)聯(lián)系起來(lái)，應(yīng)用程序可以使用注冊(cè)設(shè)備名查找與一個(gè)設(shè)備相關(guān)聯(lián)的主設(shè)備號(hào)/副設(shè)備號(hào)，進(jìn)而通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I/0系統(tǒng)調(diào)用和主設(shè)備號(hào)/副設(shè)備號(hào)在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序地址表中找到該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)地址，對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。

RTEMS系統(tǒng)在初始化時(shí)，會(huì)調(diào)用各個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)，初始化所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)應(yīng)用程序需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，會(huì)執(zhí)行有關(guān)設(shè)備管理的 I/O系統(tǒng)調(diào)用，RTEMS會(huì)根據(jù)該系統(tǒng)調(diào)用判斷應(yīng)該選擇的設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序入口函數(shù)。

2 USB通信協(xié)議簡(jiǎn)介

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是一種在主機(jī)和設(shè)備之間進(jìn)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(diǎn)，已成為當(dāng)前微機(jī)的必備接口，同時(shí)也被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中心。USB的物理拓?fù)錇榉謱拥男切徒Y(jié)構(gòu)，由3部分組成——USB主機(jī)、USB集線器和USB設(shè)備，如圖l所示。

USB主機(jī)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(guò)程，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由USB主機(jī)端發(fā)起的。

USB主機(jī)控制器的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于USB設(shè)備，典型的USB主機(jī)控制器大約需要10 000個(gè)門(mén)電路，而設(shè)備端的USB接口大約需要1 500個(gè)門(mén)電路。正是由于這種設(shè)計(jì)復(fù)雜度的不平等，使得USB設(shè)備得以在短時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

3 RTEMS下USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

3.1 概 述

嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境千差萬(wàn)別，各類(lèi)USB設(shè)備的類(lèi)規(guī)范也各不相同。為了確保程序的可移植性和可擴(kuò)展性，將程序設(shè)計(jì)為二層結(jié)構(gòu)：硬件抽象層和USB設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)層，如圖2所示。

硬件抽象層封裝對(duì)底層USB設(shè)備控制器的操作和對(duì)中斷的處理，通過(guò)一些標(biāo)準(zhǔn)方法，為上層提供一個(gè)底層的硬件抽象，便于移植。USB設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)層包含對(duì)標(biāo)準(zhǔn)命令和對(duì)特定設(shè)備類(lèi)命令的處理。

3.2 硬件抽象層

硬件抽象層對(duì)USB設(shè)備控制器進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)以下功能：設(shè)備狀態(tài)管理、端點(diǎn)狀態(tài)管理和中斷管理。

3.2.1 設(shè)備狀態(tài)管理

每一個(gè)USB設(shè)備在正常工作前必須完成主機(jī)對(duì)它的配置過(guò)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(rèn)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(gè)函數(shù)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行管理。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備在總線上的狀態(tài)變化都會(huì)由中斷通知設(shè)備，中斷服務(wù)程序根據(jù)中斷類(lèi)型和當(dāng)前狀態(tài)通過(guò)提供的功能接口對(duì)沒(méi)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，確保設(shè)備能夠完成枚舉過(guò)程÷順利進(jìn)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(jī)如圖3所示。由于掛起與恢復(fù)無(wú)需軟件干預(yù)，因此沒(méi)有在狀態(tài)機(jī)中描述這一狀態(tài)。