1嵌入式操作系統中USB雙向通信系統整體層次結構

嵌入式操作系統中USB雙向通信系統整體層次結構

2硬件系統

2.1S1C33L11及其USBBLOCK簡介

S1C33L11是EPSON公司的32位高速，低功耗，低電壓MCU。他是以C33STD32位RISCCPU為核心，功能強大，除一般外圍設備外有LCD控制器，Camera接口，JPEG編碼，USB1.1功能控制器，MAC(SPI模式)接口，SmartMedia接口，還包括3個振蕩電路和2個鎖相環(PLL)，內置16kBRAM，無ROM。

S1C33L11內建支持USB1.1協議的全速模式。支持控制、塊、同步和中斷4種傳輸方式，支持4個通用通道（Epr(r=a,b,c,d)）和一個控制通道(endpoint0)，并為每個通道(endpoint)提供1kB的FIFO。

2.2S1C33L11DMT01開發板簡介

S1C33L11DMT01開發板采用S1C33L11F00A1芯片為核心，外接2MBRAM，32MBFLASH，還帶有STNTFT雙屏彩色LCD等，此硬件環境適用于各種嵌入式操作系統的運行及多媒體手機、PDA等產品的開發。

3USB雙向通信的設計與實現

本文USB雙向通信在基本傳輸方式上采用USB塊傳輸［1］。他由USB初始化、USB中斷處理、控制傳輸和塊傳輸幾部分組成［2］。在實現雙向通信上，具體通信機制是：嵌入式應用程序通過讀寫循環隊列和信號量狀態與USB硬件模塊中的OUT和INFIFO相互通信，而USB下位機與上位機（PC）的讀寫通信則通過上位機對控制包的讀寫來實現，最后通過循環隊列、信號量、控制包3者結合達到USB雙向通信的目的。

3.1USB雙向通信固件程序的設計與實現

(1)循環隊列

采用IN傳輸一個循環隊列，OUT傳輸一個循環隊列（以下簡稱隊列），每隊列動態分配32kB。OUT隊列做為OUT傳輸時的二級緩沖，即OUT傳輸時的FIFO的數據必須先放入OUT隊列才能由嵌入式操作系統讀寫；IN隊列做為IN傳輸時的二級緩沖，即IN傳輸時的FIFO數據必須來自IN隊列；嵌入式操作系統只對二級緩沖進行讀寫，操作系統對隊列的管理是采用信號量通知機制來實現。

(2)控制包

為實現雙向通信，規定一種控制包格式，讀控制包是在USB協議之外自定義的。

控制包固定為5字節。從左到右第一字節為狀態字，剩下4字節傳送要收發的數據字節數。當控制包由上位機發出時，狀態字規定有3種：0x4F：上位機請求OUT傳輸，0x49：上位機請求IN傳輸，0x52：上位機請求讀取下位機狀態；當上位機收到控制包時，狀態字規定有5種：0x00：USB空閑態，0x01：下位機OUT循環隊列滿（即OUT超時），0x02：下位機IN循環隊列空（即IN超時），0x04：OUT傳送成功，0x08：IN傳送成功。

(3)嵌入式操作系統端應用程序讀寫USB過程

讀函數：voidReadUSB(unsignedchar*ReadBuffer,DWORDsize)函數：

功能：嵌入式系統應用程序通過USB接口讀取上位機(PC)的數據。

參數說明：unsignedchar*ReadBuffer存放數據的指針，DWORDsize為要讀出的數據的尺寸（單位：B）。

實現過程：首先判斷循環隊列是否為空，不為空則判斷自身信號量是否可用，若可用，則從隊列中讀取一字節，每讀一字節后向USB任務中的BulkOutGet函數（直接讀取OUT的FIFO函數）發出一個信號量，通知BulkOutGet函數隊列此時可以向OUT循環隊列中寫入數據，接著重新判斷，依次逐字節從OUT循環隊列中讀取數據，直到讀完要求數據大小為止。當循環隊列為空時，首先發一個信號量，通知BulkOutGet函數應向本隊列中寫入數據了，然后復位自身信號量，接著調用等待信號量的函數，直到信號量到時才接著讀取。若超時，則向嵌入式操作系統發出超時通知，同時通過向控制包中寫入超時狀態（0x01）來向上位機(PC)發出超時信號。

寫函數：voidWriteUSB(unsignedchar*WriteBuffer,DWORDsize)函數：

功能：嵌入式系統應用程序通過USB接口向上位機（PC）發送數據。

參數說明：unsignedchar*WriteBuffer存放數據的指針，DWORDsize為要寫入的數據的尺寸（單位：B）。

實現過程：首先判斷循環隊列是否滿，不為滿則判斷自身信號量是否可用，若可用，則向隊列中寫入一字節，每寫入一字節后向USB任務中的BulkInDataSet（直接寫IN的FIFO函數）函數發出一個信號量通知此函數此時可以從IN循環隊列中讀取數據；然后接著重新判斷依次逐字節向IN循環隊列寫入數據，直到寫完要求數據大小的數據為止。當循環隊列滿時，先發一個信號量通知BulkInDataSet函數應從隊列中取走數據，再復位自身信號量，接著調用等待信號量的函數，直到信號量到時才接著寫入,若超時，則向嵌入式操作系統發出超時通知，同時通過向控制包中寫入超時狀態（0x02）來向上位機(PC)發出超時信號。

(4)USB塊傳輸函數

USB塊傳輸函數是直接和USB硬件打交道的函數，他們直接讀取IN和OUT傳輸通道的FIFO。voidBulkInDataSet(void)：其功能是IN傳輸過程，即從IN循環隊列中讀取數據并向INFIFO中寫入數據，再對嵌入式操作系統信號量做相應處理。

voidBulkOutDataGet(void)其功能是OUT傳輸過程，即從OUTFIFO中讀出數據并向OUT循環隊列中寫入數據，再對嵌入式操作系統信號量做相應處理。

(5)嵌入式操作系統USB任務調用函數

voidSystemInit(void)：MCU初始化（微處理器各控制寄存器和狀態初始化過程）

voidUSBInit(void)：USB初始化（包括對循環隊列分配內存等）

voidUSBThread(void)：USB運行體（USB工作過程對USB中斷進行處理主要包括USB塊傳輸函數、USB中斷狀態分析處理等）。

voidFreeUSB(void)：關閉USB和釋放由malloc函數分配的循環隊列所占內存

3.2上位機（PC）部分

ＵＳＢ函數層（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供，負責管理ＵＳＢ設備驅動程序與ＵＳＢ控制器之間的通信、加載及卸載ＵＳＢ驅動程序等。具體方法是通過DriverWorks軟件生成上位機(PC)機端USB驅動程序模板［3］，根據下位機的情況處理相應的讀寫部分，最后通過封裝基本API函數ReadFile,WriteFile來實現用戶態應用程序與PC機USB驅動程序的隔離，使PC的應用層對USB的使用如同對串口的使用一樣方便，給用戶態應用程序提供有了3個接口函數：

unsignedcharRead(void*pReadBuffer,DWORDSize)：從下位機中讀取數據

參數說明：void*pBuffer：存放讀取數據的緩沖，DWORDSize：需讀取數據的大小（字節數）

返回值：

0x10：驅動出錯（指WindowsUSB驅動程序出錯）

0x20：內存空間不足

0x30：請求的數據大小為0B

0x02：下位機發送軟超時

0x08：讀取成功

unsignedcharWrite(void*pWriteBuffer,DWORDSize)：發送數據到下位機

參數說明：void*pBuffer;存放寫入數據的緩沖，DWORDSize;需寫入數據的大小（字節數）。

返回值：

0x10：USB驅動出錯(WindowsUSB驅動程序出錯)

0x20：內存空間不足

0x30：請求的數據大小為0B

0x01：下位機讀取數據軟超時

0x04：發送成功

voidRequestUSB(void*pRequestBuffer,DWORDSize=5)：讀取下位機返回的操作狀態。