嵌入式操作系统中USB双向通信的设计与实现

摘　要：介绍了基于S1C33L11芯片利用嵌入式操作系统的同步机制通过对循环队列及自定义控制包的操作来实现USB双向通信的USB设备固件程序、驱动程序、应用程序的设计与具体实现。
　　关键词：USB双向通信；S1C33L11；嵌入式操作系统；循环队列

　　USB作为一种串行通信总线，在嵌入式系统与PC机通信中有着广泛的应用。由于USB 总线是主从式结构，通常采用主从式通信方式。这种方式的缺点在于从设备只能被动响应来自主设备的请求，不能主动发起请求，因而在交互性上受到了限制。但随着嵌入式系统技术的发展，对交互性操作要求越来越迫切，而采用USB双向通信可以很好地解决上述问题。本文介绍一种基于S1C33L11芯片利用嵌入式操作系统的同步机制通过对循环队列及自定义控制包的操作来实现双向通信的方法。

1嵌入式操作系统中USB双向通信系统整体层次结构
　　嵌入式操作系统中USB双向通信系统整体层次结构如图1所示。

2硬件系统
2.1S1C33L11及其USB BLOCK简介
　　S1C33L11是EPSON公司的32位高速，低功耗，低电压MCU。他是以C33 STD 32位RISC CPU为核心，功能强大，除一般外围设备外有LCD控制器，Camera接口，JPEG编码，USB1.1功能控制器，MAC(SPI模式)接口，SmartMedia接口，还包括3个振荡电路和2个锁相环(PLL)，内置16kB RAM ，无ROM。
　　S1C33L11内建支持USB1.1协议的全速模式。支持控制、块、同步和中断4种传输方式，支持 4个通用通道（Epr(r=a,b,c,d)）和一个控制通道(endpoint0)，并为每个通道(endpoint)提供1 kB的FIFO。
2.2S1C33L11DMT01开发板简介
　　S1C33L11DMT01开发板采用S1C33L11F00A1芯片为核心，外接2 MB RAM，32 MB FLASH，还带有STN TFT 双屏彩色LCD等，此硬件环境适用于各种嵌入式操作系统的运行及多媒体手机、PDA等产品的开发。

3USB双向通信的设计与实现
　　本文USB双向通信在基本传输方式上采用USB块传输［1］。他由USB初始化、USB中断处理、控制传输和块传输几部分组成［2］。在实现双向通信上，具体通信机制是：嵌入式应用程序通过读写循环队列和信号量状态与USB 硬件模块中的OUT 和IN FIFO相互通信，而USB下位机与上位机（PC）的读写通信则通过上位机对控制包的读写来实现，最后通过循环队列、信号量、控制包3者结合达到USB双向通信的目的。
3.1USB双向通信固件程序的设计与实现
　　(1)循环队列
　　采用IN传输一个循环队列，OUT传输一个循环队列（以下简称队列），每队列动态分配32 kB。OUT队列做为OUT传输时的二级缓冲，即OUT传输时的FIFO的数据必须先放入OUT队列才能由嵌入式操作系统读写；IN队列做为IN传输时的二级缓冲，即IN传输时的FIFO数据必须来自IN队列；嵌入式操作系统只对二级缓冲进行读写，操作系统对队列的管理是采用信号量通知机制来实现。
　　(2)控制包
　　为实现双向通信，规定一种控制包格式，读控制包是在USB协议之外自定义的。

　　控制包固定为5字节。从左到右第一字节为状态字，剩下4字节传送要收发的数据字节数。当控制包由上位机发出时，状态字规定有3种：0x4F：上位机请求OUT传输，0x49：上位机请求IN传输，0x52：上位机请求读取下位机状态；当上位机收到控制包时，状态字规定有5种：0 x00：USB空闲态，0x01：下位机OUT循环队列满（即OUT超时），0x02：下位机IN循环队列空（即IN超时），0x04：OUT传送成功，0x08：IN传送成功。
　　(3)嵌入式操作系统端应用程序读写USB过程
　　读函数：void ReadUSB(unsigned char * ReadBuffer, DWORD size)函数：
　　功能：嵌入式系统应用程序通过USB接口读取上位机(PC)的数据。
　　参数说明：unsigned char*ReadBuffer存放数据的指针，DWORD size为要读出的数据的尺寸（单位：B）。
　　实现过程：首先判断循环队列是否为空，不为空则判断自身信号量是否可用，若可用，则从队列中读取一字节，每读一字节后向USB任务中的BulkOutGet函数（直接读取OUT的FIFO函数）发出一个信号量，通知BulkOutGet函数队列此时可以向OUT循环队列中写入数据，接着重新判断，依次逐字节从OUT循环队列中读取数据，直到读完要求数据大小为止。当循环队列为空时，首先发一个信号量，通知BulkOutGet函数应向本队列中写入数据了，然后复位自身信号量，接着调用等待信号量的函数，直到信号量到时才接着读取。若超时，则向嵌入式操作系统发出超时通知，同时通过向控制包中写入超时状态（0x01）来向上位机(PC)发出超时信号。
　　写函数：void WriteUSB(unsigned char*Write Buffer,DWORD size)函数：
　　功能：嵌入式系统应用程序通过USB接口向上位机（PC）发送数据。
　　参数说明：unsigned char * WriteBuffer 存放数据的指针，DWORD size为要写入的数据的尺寸（单位：B）。
　　实现过程：首先判断循环队列是否满，不为满则判断自身信号量是否可用，若可用，则向队列中写入一字节，每写入一字节后向USB任务中的BulkInDataSet（直接写IN的FIFO函数）函数发出一个信号量通知此函数此时可以从IN循环队列中读取数据；然后接着重新判断依次逐字节向IN循环队列写入数据，直到写完要求数据大小的数据为止。当循环队列满时，先发一个信号量通知BulkInDataSet函数应从队列中取走数据，再复位自身信号量，接着调用等待信号量的函数，直到信号量到时才接着写入,若超时，则向嵌入式操作系统发出超时通知，同时通过向控制包中写入超时状态（0x02）来向上位机(PC)发出超时信号。
　　(4) USB块传输函数
　　USB块传输函数是直接和USB硬件打交道的函数，他们直接读取IN和OUT传输通道的FIFO。voi d BulkInDataSet(void)：其功能是IN传输过程，即从IN循环队列中读取数据并向IN FIFO中写入数据，再对嵌入式操作系统信号量做相应处理。
　　void BulkOutDataGet(void)其功能是OUT传输过程，即从OUT FIFO中读出数据并向OUT循环队列中写入数据，再对嵌入式操作系统信号量做相应处理。
　　(5) 嵌入式操作系统USB 任务调用函数
　　void SystemInit(void)：MCU初始化（微处理器各控制寄存器和状态初始化过程）
　　void USBInit(void)：USB初始化（包括对循环队列分配内存等）
　　void USBThread(void)：USB运行体（USB工作过程对USB中断进行处理主要包括USB块传输函数、USB中断状态分析处理等）。
　　void FreeUSB(void)：关闭USB和释放由malloc函数分配的循环队列所占内存
3.2上位机（PC）部分
　　ＵＳＢ函数层（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供，负责管理ＵＳＢ设备驱动程序与ＵＳＢ控制器之间的通信、加载及卸载ＵＳＢ驱动程序等。具体方法是通过DriverWorks软件生成上位机(PC)机端USB驱动程序模板［3］，根据下位机的情况处理相应的读写部分，最后通过封装基本API函数ReadFile,WriteFile来实现用户态应用程序与PC机USB驱动程序的隔离，使PC的应用层对USB的使用如同对串口的使用一样方便，给用户态应用程序提供有了3个接口函数：
　　unsigned char Read(void *pReadBuffer,DWORD Size)：从下位机中读取数据
　　参数说明：void *pBuffer：存放读取数据的缓冲，DWORD Size：需读取数据的大小（字节数）
　　返回值：
　　0x10：驱动出错（指Windows USB 驱动程序出错）
　　0x20：内存空间不足
　　0x30：请求的数据大小为0 B
　　0x02：下位机发送软超时
　　0x08：读取成功
　　unsigned char Write(void *pWriteBuffer,DWORD Size)：发送数据到下位机
　　参数说明：void *pBuffer; 存放写入数据的缓冲，DWORD Size; 需写入数据的大小（字节数）。
　　返回值：
　　0x10：USB驱动出错(Windows USB 驱动程序出错)
　　0x20：内存空间不足
　　0x30：请求的数据大小为0 B
　　0x01：下位机读取数据软超时
　　0x04：发送成功
　　void RequestUSB(void *pRequestBuffer,DWORD Size=5)：读取下位机返回的操作状态。
　　参数说明：void *pRequestBuffer：5 B控制包缓冲
　　其中每次Read或Write函数的调用被分为若干次读/写发送。具体处理是：设待读写的数据字节数为X B，当X=5B时，分割为X1=4 B和X2=1 B两次发送(由于自定义包是5 B，为了与自定义控制包区分开)；当5 B<X<16kB时以X字节一次发送；当X>16 kB时则分割以16kB为单位的数据进行发送，不足16 kB的部分再发送一次。每次读/写发送分3个阶段：发控制包，读/写数据，读控制包状态。

4结语
　　基于S1C33L11芯片在嵌入式操作系统基础上实现的USB双向通信严格遵循ＵＳＢ1.1协议，充分利用了S1C33L11芯片的内置功能和嵌入式操作系统的作用，具有交互作用强、嵌入式操作系统中设备无关性好的特点。

参考文献

［1］Universal Serial Bus Specification Revision 1.1［S］1998，23：15-206.
［2］［美］. Jan Axclson.USB开发大全［M］.陈逸译.北京：中国电力出版社，2001.
［3］武安河，邰铭，于洪涛.Win2000/XP WDM设备驱动程序开发［M］.北京：电子工业出版社，2003.

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