基于μCOS-II 的USB主機(jī)系統(tǒng)

摘 要：USB（Universal Serial Bus）是目前應(yīng)用非常廣泛的一種總線形式。其即插即用、熱插拔、接口體積小巧等優(yōu)點(diǎn)給計(jì)算機(jī)外設(shè)連接技術(shù)帶來重大變革。μCOS-II 是一個源碼公開、完整的、可移植、可固化、可裁剪的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，可以方便地移植到多種微處理器上。以在新太科技實(shí)際工作中的LPC2378 讀卡器為例，詳細(xì)介紹μCOS-II 中USB 主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　μC/OS-II 是美國學(xué)者Lacrosse 設(shè)計(jì)的一個優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，其代碼絕大部分用ANSIC 語言編寫，可用于8 位、16 位、32 位、甚至64 位微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器等，具有操作系統(tǒng)最基本最核心的功能，非常適于在小型系統(tǒng)和片上系統(tǒng)（SOC）中使用。USB 為個人電腦與嵌入式設(shè)備之間的連接提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化、單一化的接口，其高效性和可靠性使得它已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)的首選接口。此LPC2378 讀卡器具有卡票檢測、消費(fèi)扣錢、系統(tǒng)升級、下發(fā)黑名單、在線充值、余額查詢等功能，但這些功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于上位機(jī)的請求，業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊只有在獲得相應(yīng)的請求后才能進(jìn)行相應(yīng)的處理并將處理結(jié)果返回給上位機(jī)。而USB 主機(jī)系統(tǒng)就是起銜接上位機(jī)和業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊的功能，接收上位機(jī)請求以及將業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊的結(jié)果返回給上位機(jī)。

　　1 構(gòu)建μC/OS-II系統(tǒng)環(huán)境

　　1.1 移植μC/OS-II 到LPC2378 開發(fā)板

　　嵌入式操作系統(tǒng)作為大多數(shù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的軟件平臺，它管理著系統(tǒng)的資源，為應(yīng)用軟件提供各種必要的服務(wù)。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中使用嵌入式系統(tǒng)，可以提升嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率，但是在得到嵌入式操作系統(tǒng)提供服務(wù)之前，關(guān)鍵是要將嵌入式操作系統(tǒng)移植到目標(biāo)板上。

　　移植條件：

　　移植μC/OS-II 之前需要注意，目標(biāo)處理器必須滿足以下五點(diǎn)要求：

　　1. 處理器的C 編譯器能產(chǎn)生可重入型代碼；2. 處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷（通常為10-100Hz）；3. 用C 語言可以開/關(guān)中斷；4. 處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲硬件堆棧（可能是幾KB）；5. 處理器有將堆棧指針以及其他CPU 寄存器的內(nèi)容讀出并保存到堆棧或內(nèi)存中去的指令。

　　LPC2378 系列ARM7 微控制器可以滿第2、4 和5 點(diǎn)要求，使用ADS 的C 編譯器可以滿足1 和3 點(diǎn)要求。

　　移植步驟：

　　OS_CPU.H 的移植：

　　在OS_CPU.H 文件中定義與處理器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型，例如BOOLEAN,INT8U 和INT8S 等。根據(jù)ADS1.2編譯器的特性定義。在OS_CPU.H 文件中定義與處理器相關(guān)的宏， 主要是進(jìn)出臨界區(qū)代碼OS_ENTRER_CRITICAL（）、OS_EXIT_CRITICAL（）。

　　將OS_ENTRER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）定義為軟件中斷函數(shù)，所以還要編寫相應(yīng)的軟件中斷處理代碼（可以在OS_CPU_C.C 文件中編寫）實(shí)現(xiàn)開/關(guān)中斷。同樣定義OS_TASK_SW（）為軟件中斷函數(shù)，并編寫相應(yīng)的軟件中斷處理代碼（調(diào)用OS_IntCtxSw 函數(shù)）實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。

　　OS_CPU_C.C 的移植：

　　在OS_CPU_C.C 中需要編寫10 個相關(guān)的函數(shù)，為：OSTaskStkInit（）；OSTaskDellHook（）；OSTaskIdleHook （）；OSTaskTickHook（）等函數(shù)。其中9 個系統(tǒng)Hook函數(shù)可以為空函數(shù)，也可以根據(jù)用戶自己的需要編寫相應(yīng)的操作代碼。任務(wù)棧結(jié)構(gòu)初始化函數(shù)OSTaskStkInit（）必須根據(jù)移植時統(tǒng)一定義的任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化。

　　OS_CUP_A.ASM 的移植。

　　μC/OS-II 移植要求編寫的匯編語言函數(shù)為：

　　OSStartHightRdy（）；OSCtxSw（）；OSIntCtxSw（）；OS_TickISR（）。當(dāng)然這些程序不一定非得用匯編，也可以用嵌入式C 語言來完成。

　　至此，完成μC/OS-II 在ARM7 處理器LPC2378上代碼的移植，其大部分代碼與μC/OS-II 在其他ARM7 處理器上的移植是通用的。

　　1.2 USB 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

　　μC/OS-II 提供了多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)的內(nèi)核。在應(yīng)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(wù)。為了使軟件可移植性強(qiáng)，易維護(hù)，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(jìn)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(wù)是對USB 模塊的相關(guān)硬件進(jìn)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(wù)：初始化USB 設(shè)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(shè)備控制器中斷，此系統(tǒng)禁止了同步傳輸幀中斷，使端點(diǎn)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(dú)立于操作系統(tǒng)之外的，也是協(xié)議層和驅(qū)動層實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。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(yīng)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(chǔ)上描述此讀卡器的USB 模塊，分別為：設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符。這些描述符也是上位機(jī)枚舉、識別讀卡器USB 模塊的媒介。而Chap_9.c 就是上位機(jī)枚舉讀卡器USB 模塊時USB 模塊回饋上位機(jī)的具體實(shí)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(chǔ)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(yīng)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(jī)枚舉過程發(fā)送的SETUP 包等函數(shù)的接口。其中USB 端點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了接收上位機(jī)的請求和將處理結(jié)果返回給上位機(jī)。

　　以讀函數(shù)為例描述USB 接收上位機(jī)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(shí)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(diǎn)對應(yīng)信號量，若獲取失敗則此端點(diǎn)無數(shù)據(jù)可讀。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到相應(yīng)的端點(diǎn)時會產(chǎn)生中斷，中斷處理程序會判斷哪個端點(diǎn)產(chǎn)生了中斷，然后發(fā)送此端點(diǎn)所對應(yīng)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(diǎn)緩沖區(qū)的長度的話則一次只能讀取端點(diǎn)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(diǎn)函數(shù)發(fā)送過程和讀端點(diǎn)函數(shù)接收過程實(shí)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(jī)不同，接收過程是在數(shù)據(jù)到達(dá)相應(yīng)端點(diǎn)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(yīng)端點(diǎn)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(yīng)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(shè)計(jì)

　　USB 的系統(tǒng)軟件是與μC/OS-II 操作系統(tǒng)和業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊緊密關(guān)聯(lián)的。在μC/OS-Ⅱ?qū)SB 進(jìn)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(jìn)行初始化，比如：設(shè)置中斷處理函數(shù)，以及單獨(dú)創(chuàng)建一個TaskSetup 任務(wù)以完成上位機(jī)對USB 系統(tǒng)主機(jī)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(shè)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(yīng)的中斷處理函數(shù)中發(fā)送對應(yīng)端點(diǎn)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(wù)，只有在TaskSetup 任務(wù)中USB 主機(jī)系統(tǒng)被成功枚舉后才能進(jìn)行通信。枚舉過程主要是通過0 號端點(diǎn)的控制傳輸方式進(jìn)行的，在此過程中USB 主機(jī)系統(tǒng)接收上位機(jī)發(fā)送的Setup 包，然后根據(jù)Setup 包的不同請求進(jìn)行相應(yīng)的處理再通過控制端點(diǎn)將結(jié)果返回給上位機(jī)。在USB 中0 號端點(diǎn)為控制端點(diǎn)一共有2 個分別為輸入和輸出端點(diǎn)。設(shè)備枚舉其實(shí)就是一個上位機(jī)識別USB 主機(jī)系統(tǒng)的過程，標(biāo)準(zhǔn)USB 枚舉過程如下：獲取設(shè)備描述符、復(fù)位、設(shè)置地址、再次獲取設(shè)備描述符、獲取配置描述符、獲取接口和端點(diǎn)描述符、獲取字符串描述符、選擇設(shè)備配置。枚舉成功之后USB 主機(jī)系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)并且配置所有的接口與端點(diǎn)。

　　在USB 體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的交互是以端點(diǎn)為基本單位的，端點(diǎn)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(diǎn)0 只用于控制傳輸?shù)?，其余端點(diǎn)用于數(shù)據(jù)傳輸。本USB 主機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式為端點(diǎn)1 采用中斷傳輸，端點(diǎn)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(shè)計(jì)的：使中斷時間盡量的短，將一些對時間要求不是那么嚴(yán)格的事務(wù)延遲在中斷之外進(jìn)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(yán)格時限的工作例如對接收到的中斷進(jìn)行應(yīng)答或硬件復(fù)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(luò)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(shè)和數(shù)碼產(chǎn)品的不斷發(fā)展，各種設(shè)備之間的互連成為當(dāng)前需要解決的難題。USB 是現(xiàn)今PC領(lǐng)域廣泛運(yùn)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(fù)雜。本文詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)一個USB 主機(jī)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(hù)，移植型強(qiáng)。