淺談嵌入式系統(tǒng)中USB-HOST協(xié)議棧設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　在移動(dòng)設(shè)備大力發(fā)展的今天，移動(dòng)設(shè)備間的大量數(shù)據(jù)交流的需求大大刺激了嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，這必然要求嵌入式系統(tǒng)必須提供USB的主機(jī)驅(qū)動(dòng)。而傳統(tǒng)意義上的LISB驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)都是USB外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，主控制器驅(qū)動(dòng)大部分由操作系統(tǒng)來(lái)提供，開(kāi)發(fā)者所要做的就是調(diào)用操作系統(tǒng)提供的驅(qū)動(dòng)程序的接口。兩大主流操作系統(tǒng)中，Windows不公開(kāi)源碼而Linux的代碼卻不方便移植。對(duì)于目前使用μCOS，VxWorks和QNX等OS的嵌入式系統(tǒng)和一些無(wú)OS的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，建立好一整套方便移植的USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序?qū)?huì)有更大的意義。

　　2硬件平臺(tái)

　　硬件平臺(tái)的MCU選擇的是TMS320 DM642，他是TIC6000產(chǎn)品系列中的一款，基于C64x的內(nèi)核，工作頻率為600 MHz，兼容C6000平臺(tái)上的代碼。他有3個(gè)雙通道視頻口，可以支持多達(dá)6路視頻輸入輸出。DM64.2的處理能力較突出，一塊單片的DM642可以同時(shí)解碼4路MPEG2格式的視頻流。

　　USB主控制器選用的是Cypress的一款主/從控制器SL811HS，其既可以工作在主機(jī)(Host)模式又可以工作在從機(jī)(Slave)模式，能與全速(Full-Speed)和低速(Low-Speed)外設(shè)通訊。SL811HS可以與微處理器、微控制器和DSP無(wú)縫連接，并可直接連到諸如ISA，PCMCIA等一些總線上，圖1是SL811HS的結(jié)構(gòu)框圖。SL811HS提供一個(gè)長(zhǎng)度為256 B內(nèi)部RAM空間，該空間的前16 B分配給控制寄存器使用，后面的則作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(最大240 B)。

　　3 USB協(xié)議棧的基本知識(shí)

　　3.1 USB設(shè)備的拓?fù)?/p>

　　USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)像金字塔，位于塔尖的是根集線器(Root Hub)，根集線器是系統(tǒng)中所有USB端口的起點(diǎn)，根集線器提供了一定數(shù)量的USB端口，USB設(shè)備和附加的集線器可以連接到那里。

　　3.2 USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)框架

　　主機(jī)與外設(shè)之間的信息流與互連關(guān)系如圖2所示，主機(jī)與設(shè)備都被劃分成不同的層次。主機(jī)上黑實(shí)的箭頭是實(shí)際的數(shù)據(jù)流向，設(shè)備上對(duì)應(yīng)的接口是基于不同實(shí)現(xiàn)的。在主機(jī)與設(shè)備之間的所有通信最終都是通過(guò)USB的電纜進(jìn)行，然而，在上層的水平層之間是一種邏輯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其最終的通信還必須是通過(guò)黑實(shí)箭頭標(biāo)示的方向。這個(gè)結(jié)構(gòu)與TCP/IP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)類似，因此也可以用USB協(xié)議棧來(lái)形象的描述USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。

　　4 USB協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

　　4.1協(xié)議棧的兼容性

　　為了使協(xié)議棧便于移植，整個(gè)程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，將一些諸如進(jìn)程與互斥操作和數(shù)據(jù)格式的定義等與操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)的相關(guān)部分從協(xié)議棧的核心部分分離開(kāi)來(lái)。在移植到其他操作系統(tǒng)時(shí)盡量維持協(xié)議棧的核心部分不動(dòng)或微小改動(dòng)，只在與操作系統(tǒng)相關(guān)程序中添加相關(guān)代碼即可。

　　4.2 USB-HOST協(xié)議棧的框架

　　基于圖2的USB通信層次圖，以對(duì)大容量存儲(chǔ)設(shè)備的支持為例，USB-HOST協(xié)議棧的設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　文件系統(tǒng)層提供與用戶的交互接口。該層提供對(duì)文件的一些基本操作，諸如創(chuàng)建文件、刪除文件、讀寫(xiě)文件等常用操作。為與Windows兼容，可以在該層實(shí)現(xiàn)FAT32，F(xiàn)ATl6，NTFS等文件系統(tǒng)。

　　HDM為每個(gè)設(shè)備建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口提供給文件系統(tǒng)對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)扇區(qū)操作。鑒于系統(tǒng)中可靜會(huì)同時(shí)存在IDE硬盤(pán)，HDM對(duì)兩種硬盤(pán)進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)文件系統(tǒng)掩蓋硬盤(pán)的細(xì)節(jié)，使得文件系統(tǒng)在對(duì)兩種硬盤(pán)操作時(shí)沒(méi)有什么不同。

　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)層目前只實(shí)現(xiàn)了大容量設(shè)備類驅(qū)動(dòng)對(duì)于其他類型的設(shè)備類諸如音頻設(shè)備類、通信設(shè)備類、顯示設(shè)備類、人機(jī)接口設(shè)備類驅(qū)動(dòng)在本層添加，對(duì)大容量存儲(chǔ)設(shè)備類，USB規(guī)范針對(duì)不同的設(shè)備又選用不同的協(xié)議，如：RBC，SCSH-2，UFI，SFF-8020i，QIC-157等，對(duì)于USB硬盤(pán)，使用SCSI協(xié)議。設(shè)備類驅(qū)動(dòng)的協(xié)議層將來(lái)自USB硬盤(pán)的讀寫(xiě)操作翻譯成SCSI命令，而傳輸層則將命令分解為一個(gè)個(gè)USB事務(wù)發(fā)送到USB總線驅(qū)動(dòng)層。

　　總線驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)USB總線協(xié)議，管理USB設(shè)備和USB事務(wù)管理以及總線枚舉?？偩€驅(qū)動(dòng)層先初始化所有的主控制器，每當(dāng)成功檢測(cè)和初始化一個(gè)主控制器，并給這個(gè)控制器建立一套虛擬根集線器。在初始化主控制器后，注冊(cè)所有已支持的驅(qū)動(dòng)。如果有支持的設(shè)備插入的話，就可以自動(dòng)找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)工作。

　　硬件抽象層對(duì)上層掩蓋硬件細(xì)節(jié)，為了增加軟件可移植性，與USB控制器芯片相關(guān)的部分放在該層的HCD部分中，在移植到其他平臺(tái)上時(shí)，針對(duì)該平臺(tái)使用的控制器芯片改動(dòng)HCD的相關(guān)內(nèi)容即可。此外，數(shù)據(jù)的最終傳輸也將在這里完成。

　　4.3 虛擬根集線器VRH(Virtual Root Hub)

　　一些USB主控制器會(huì)集成一些根集線器，但SI811HS并沒(méi)有集成集線器的功能，為了配合USB的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用軟件模擬一個(gè)根集線器，稱為虛擬根集線器，該集線器只有一個(gè)端口。虛擬集線器并不能替代集線器的所有功能，他只是為了滿足USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)，提供根集線器的接口，方便驅(qū)動(dòng)程序被移植到其他具有根集線器功能的嵌入式系統(tǒng)中去。

　　4.4 USB帶寬

　　USB是以1 ms的時(shí)間片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，在這1 ms的時(shí)間片中能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度就是USB的帶寬，如何保證在1個(gè)時(shí)間片上有最大數(shù)據(jù)的傳輸，則是決定USB傳輸速率的關(guān)鍵。由于USB可能被多種設(shè)備共享，所以在時(shí)間片內(nèi)可能會(huì)有多種類型的USB傳輸，中斷和同步傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，因此他們?cè)趲挼姆峙渖暇哂袃?yōu)先權(quán)，其次是控制傳輸，BULK優(yōu)先權(quán)最低，使用剩下的帶寬。SI811HS的SOF中斷標(biāo)志著一個(gè)時(shí)間片的開(kāi)始。在大容量設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中，主要是控制傳輸和塊(bulk)傳輸，SOF中斷開(kāi)始后，安排數(shù)據(jù)傳輸。此外，在塊傳輸中，數(shù)據(jù)的完整性則相對(duì)重要的多，因此，驅(qū)動(dòng)程序必須提供完善的錯(cuò)誤檢測(cè)和重發(fā)機(jī)制。對(duì)于大容量設(shè)備來(lái)說(shuō)，傳輸數(shù)據(jù)量大，傳輸速度也是一個(gè)很重要的指標(biāo)，USB 1.1支持的最大傳輸速率是1.5 MB/s，但由于協(xié)議的開(kāi)銷，數(shù)據(jù)的傳輸速率卻往往達(dá)不到這個(gè)峰值速率。除了對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化外，充分利用帶寬將是提高速率行之有效的方法。

　　4.5協(xié)議棧的關(guān)鍵進(jìn)程

　　4.5.1 主進(jìn)程

　　主進(jìn)程是USB-HOST協(xié)議棧最開(kāi)始的一個(gè)進(jìn)程，除了初始化外，他的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)設(shè)備。該進(jìn)程平時(shí)處于鎖死狀態(tài)，當(dāng)被激活時(shí)去檢測(cè)虛擬集線器的端口狀態(tài)。有設(shè)備插入時(shí)，中斷處理函數(shù)改變端口狀態(tài)并啟動(dòng)主進(jìn)程，主進(jìn)程對(duì)端口上的設(shè)備進(jìn)行枚舉，并為其分配資源。相反，當(dāng)有設(shè)備拔除時(shí)，主進(jìn)程則將與該設(shè)備相關(guān)的資源釋放。

　　4.5.2 中斷處理函數(shù)

　　中斷處理函數(shù)也可以看成是一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程，SL811HS的幾個(gè)重要的中斷是：插入/拔除中斷(Insered/Removed)檢測(cè)從設(shè)備的插入和拔除操作，SOF定時(shí)器中斷(SOF Timer)啟動(dòng)一個(gè)時(shí)間片，傳輸完成中斷(USB Done Interrupt)標(biāo)志一次傳輸?shù)耐瓿?，中斷處理函?shù)的流程如圖4所示。

　　4.5.3軟件狗進(jìn)程

　　當(dāng)有兩個(gè)中斷同時(shí)到達(dá)時(shí)，處理器可能會(huì)丟失掉一個(gè)中斷沒(méi)有處理，可以設(shè)置一個(gè)軟件狗進(jìn)程，定時(shí)執(zhí)行中斷處理函數(shù)。當(dāng)有丟失的中斷時(shí)，軟件狗會(huì)將這個(gè)中斷處理掉。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　本文主要討論了嵌入式系統(tǒng)中USB-HOST協(xié)議棧的設(shè)計(jì)思路，整個(gè)軟件基于DSPBIOS系統(tǒng)在CCS的編譯環(huán)境下調(diào)試通過(guò)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定。軟件的編寫(xiě)采用移植性好的C語(yǔ)言編寫(xiě)，并將與平臺(tái)相關(guān)的部分代碼與核心代碼分開(kāi)以增加軟件的可移植性。此外，為軟件的功能的升級(jí)也預(yù)留了接口。

　　如今，隨著移動(dòng)電子產(chǎn)品的大量出現(xiàn)，設(shè)備之間直接通信的需求也越來(lái)越大，USB占據(jù)了嵌人式設(shè)備與其他設(shè)備之間通信的主要角色。角色也在不停地變化，在這次傳輸中可能是主機(jī)，下次傳輸就有可能扮演從機(jī)的角色，OTG規(guī)范在這種需求下誕生，符合USB OTG的設(shè)備，既可以作為Host，也可以作為外設(shè)來(lái)與另一個(gè)OTG設(shè)備直接實(shí)現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備的通信?？深A(yù)見(jiàn)的將來(lái)，嵌入式USB系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)將是USB OTG。