1.2 USB 驅(qū)動程序設計

　　μC/OS-II 提供了多任務實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核。在應用這個操作系統(tǒng)時候，用戶通常需要自己編寫基于μC/OS-II 的外圍器件驅(qū)動程序，以使外圍器件能在操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下更好的為用戶服務。為了使軟件可移植性強，易維護，采用分層的方法編寫USB 的驅(qū)動程序。綜合考慮USB 協(xié)議、USB 硬件接線、μC/OS-II的結(jié)構(gòu)來進行分層，下表所列為USB 驅(qū)動程序分層結(jié)構(gòu)。

　　1.2.1 USB 硬件抽象層。

　　USB 硬件抽象層的主要任務是對USB 模塊的相關(guān)硬件進行配置，是USB 驅(qū)動程序的最底層與具體硬件相關(guān)的一層。主要完成的任務：初始化USB 設備控制器為系統(tǒng)配置USB 時鐘控制器，選擇信號映射端口（在LPC 系列中只有LPC2378 有此功能），配置電源；配置USB 設備控制器中斷，此系統(tǒng)禁止了同步傳輸幀中斷，使端點處于低優(yōu)先級中斷；以及配置軟件控制接連、斷開和重新連接USB 功能的相關(guān)寄存器。

　　1.2.2 USB 命令接口層。

　　USB 命令接口層是在USB 硬件的角度來描述USB 的具體功能是獨立于操作系統(tǒng)之外的，也是協(xié)議層和驅(qū)動層實現(xiàn)的基礎。USB 命令接口層函數(shù)基本是和具體的USB 寄存器相關(guān)的，通過操作寄存器完成相應的功能。

　　1.2.3 USB 協(xié)議層。

　　USB 協(xié)議層主要由 Descriptor.c 和Chap_9.c 文件組成。在Descriptor.c 定義了各描述符，是在USB 硬件的基礎上描述此讀卡器的USB 模塊，分別為：設備描述符、配置描述符、接口描述符和端點描述符。這些描述符也是上位機枚舉、識別讀卡器USB 模塊的媒介。而Chap_9.c 就是上位機枚舉讀卡器USB 模塊時USB 模塊回饋上位機的具體實現(xiàn)，其中大部分函數(shù)都是依賴于USB 命令接口層。

　　1.2.4 USB 驅(qū)動層。

　　USB 驅(qū)動層是屬于USB 驅(qū)動程序中最上層的是與μC/OS-II 系統(tǒng)聯(lián)系最緊密的一層。在其他各層的基礎上從系統(tǒng)的角度描述了USB 通信功能，是與操作系統(tǒng)和應用程序直接聯(lián)系的一層。包括系統(tǒng)啟動時初始化USB 硬件的接口以及等待接收主機枚舉過程發(fā)送的SETUP 包等函數(shù)的接口。其中USB 端點的讀寫函數(shù)USB_ReadPort（INT8U endp， INT32U eppsize，INT8U buffnums， CTRL_USB *pUsb， INT32U len，INT8U *recbuff， INT16U timeout） 和USB_WritePort（INT8U endp， INT32U eppsize， INT8Ubuffnums， CTRL_USB *pUsb， INT8U *sendbuff，INT32U len， INT16U timeout）實現(xiàn)了接收上位機的請求和將處理結(jié)果返回給上位機。

　　以讀函數(shù)為例描述USB 接收上位機請求的過程，由函數(shù)原型的最后一個參數(shù)timeout 可知，讀過程是一種阻塞性的操作，在此系統(tǒng)中是以信號量的方式來實現(xiàn)阻塞型的讀操作的。在參數(shù)檢測無誤時調(diào)用USB_WaitEpReady（pUsb， timeout）以獲取該端點對應信號量，若獲取失敗則此端點無數(shù)據(jù)可讀。當上位機發(fā)送數(shù)據(jù)到相應的端點時會產(chǎn)生中斷，中斷處理程序會判斷哪個端點產(chǎn)生了中斷，然后發(fā)送此端點所對應的信號量，這樣USB_WaitEpReady（pUsb， timeout）就可以獲得信號量完成讀操作，否則程序會等待timeout時間，如果在timeout 時間內(nèi)依然獲取信號量失敗那程序就出錯返回。若讀取長度大于端點緩沖區(qū)的長度的話則一次只能讀取端點緩沖區(qū)長度數(shù)，分多次讀取，直到讀取規(guī)定長度為止。寫端點函數(shù)發(fā)送過程和讀端點函數(shù)接收過程實現(xiàn)流程大體相似，其中最大的區(qū)別就是中斷產(chǎn)生的時機不同，接收過程是在數(shù)據(jù)到達相應端點緩沖區(qū)時產(chǎn)生中斷，而發(fā)送過程是將數(shù)據(jù)寫到相應端點緩沖區(qū)之后才產(chǎn)生中斷。這樣在將數(shù)據(jù)發(fā)往相應緩沖區(qū)后再調(diào)用USB_WaitEpReady（pUsb，timeout），若在此函數(shù)中成功獲得信號量則說明發(fā)生成功。

　　2 USB系統(tǒng)軟件設計

　　USB 的系統(tǒng)軟件是與μC/OS-II 操作系統(tǒng)和業(yè)務應用模塊緊密關(guān)聯(lián)的。在μC/OS-Ⅱ?qū)SB 進行初始化時，不但要對USB 硬件接口初始化，還需要對其相關(guān)軟件進行初始化，比如：設置中斷處理函數(shù)，以及單獨創(chuàng)建一個TaskSetup 任務以完成上位機對USB 系統(tǒng)主機的枚舉。中斷處理過程采用的是非向量中斷的方式，首先由中斷狀態(tài)寄存器的值判斷中斷產(chǎn)生的原因，然后由不同的原因設置不同的中斷處理函數(shù)。如果是數(shù)據(jù)中斷話則在相應的中斷處理函數(shù)中發(fā)送對應端點的信號量，這樣USB 驅(qū)動程序中讀寫接口才能成功被調(diào)用。TaskSetup 是系統(tǒng)的第一個任務，只有在TaskSetup 任務中USB 主機系統(tǒng)被成功枚舉后才能進行通信。枚舉過程主要是通過0 號端點的控制傳輸方式進行的，在此過程中USB 主機系統(tǒng)接收上位機發(fā)送的Setup 包，然后根據(jù)Setup 包的不同請求進行相應的處理再通過控制端點將結(jié)果返回給上位機。在USB 中0 號端點為控制端點一共有2 個分別為輸入和輸出端點。設備枚舉其實就是一個上位機識別USB 主機系統(tǒng)的過程，標準USB 枚舉過程如下：獲取設備描述符、復位、設置地址、再次獲取設備描述符、獲取配置描述符、獲取接口和端點描述符、獲取字符串描述符、選擇設備配置。枚舉成功之后USB 主機系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)并且配置所有的接口與端點。

　　在USB 體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的交互是以端點為基本單位的，端點的集合表現(xiàn)為接口，在USB 協(xié)議中一個接口表現(xiàn)為一個功能。USB 協(xié)議中規(guī)定端點0 只用于控制傳輸?shù)模溆喽它c用于數(shù)據(jù)傳輸。本USB 主機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式為端點1 采用中斷傳輸，端點2 采用批量傳輸。不論哪種傳輸方式都是以中斷的方式和系統(tǒng)交互的，但在中斷處理程序中所做的工作非常少只是發(fā)送信號量，真正與數(shù)據(jù)相關(guān)的操作并沒有在中斷處理程序中。這種中斷理念是根據(jù)Linux 操作系統(tǒng)的中斷上下文思想而設計的：使中斷時間盡量的短，將一些對時間要求不是那么嚴格的事務延遲在中斷之外進行。在Linux 中把中斷處理分為上下兩部分，中斷處理程序是上部分，收到一個中斷后它會立即執(zhí)行，但只做有嚴格時限的工作例如對接收到的中斷進行應答或硬件復位，能夠被允許稍后完成的工作推遲到下半部去。比如網(wǎng)卡：數(shù)據(jù)包的接收是至關(guān)重要的以提高網(wǎng)絡吞吐量和傳輸周期以及避免超時，處理和操作數(shù)據(jù)包的其他工作被推遲到下半部執(zhí)行。

　　3 結(jié)語

　　隨著電腦外設和數(shù)碼產(chǎn)品的不斷發(fā)展，各種設備之間的互連成為當前需要解決的難題。USB 是現(xiàn)今PC領域廣泛運用的總線接口技術(shù)，在一些嵌入式系統(tǒng)中，人們希望有USB 的出現(xiàn)，然而和系統(tǒng)其他模塊相比，USB 模塊顯得更加的復雜。本文詳細闡述了設計一個USB 主機系統(tǒng)的過程，綜合考慮USB 協(xié)議，USB 硬件連接和μC/OS-II 系統(tǒng)使軟件易于維護，移植型強。