基于μC／OS-Ⅱ的嵌入式USB控制軟件的實(shí)現(xiàn)

摘要：在此以杭州中天32位RISC CPU CK510為內(nèi)核的HMl521_B芯片上，基于μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備的讀寫控制。系統(tǒng)采用嵌入式USB主機(jī)控制軟件的分層結(jié)構(gòu)，著重闡述FAT32文件系統(tǒng)、USB設(shè)備枚舉和BULK-ONLY傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)過(guò)程。為了節(jié)省硬件資源，放棄了USB協(xié)議中的繁文縟節(jié)，抓住協(xié)議核心，設(shè)計(jì)了精簡(jiǎn)高效的驅(qū)動(dòng)程序?？紤]到各種U盤的不同特性，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)兼容性方面的設(shè)計(jì)。整個(gè)階段都由邏輯分析儀給出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)抓包截圖。
關(guān)鍵詞：嵌入式USB控制；FAT32文件系統(tǒng)；USB設(shè)備枚舉；Bulk-only傳輸

0 引言
    2010年USB 3．0的正式推出象征USB傳輸極速時(shí)代的到來(lái)，但是嵌入式領(lǐng)域由于考慮成本等各方面因素很多仍采用USB 1．1協(xié)議。同時(shí)USB協(xié)議的主體框架并沒(méi)有改變，因此研究USB 1．1協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)對(duì)于USB 3．0協(xié)議的應(yīng)用也是很好的鋪墊。本文在以杭州中天32位RISC CPU CK510為內(nèi)核的摩托羅拉HM1521_B芯片上，基于μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備的讀寫控制。由于HM1521_B芯片只支持USB 1．1協(xié)議，所以本文實(shí)現(xiàn)的只是USB 1．1協(xié)議。USB是一種主從結(jié)構(gòu)：主機(jī)Host和從機(jī)Device。所有的數(shù)據(jù)傳輸都由Host主動(dòng)發(fā)起，而Device只是被動(dòng)的負(fù)責(zé)應(yīng)答。在USB OTG中，一個(gè)設(shè)備可以在Device和Host之間切換，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的連接，大大增加了USB的使用范圍。但USBOTG依然沒(méi)有脫離主從關(guān)系，設(shè)備之間必然有一個(gè)作為Host，另一個(gè)作為Device。標(biāo)準(zhǔn)的USB使用4根線，分別是5 V電源、差分?jǐn)?shù)據(jù)線負(fù)(D-)、差分?jǐn)?shù)據(jù)線正(D+)、地(GND)。USB的低速和全速模式采用電壓傳輸，高速模式則采用電流傳輸。

1 USB控制軟件的分層結(jié)構(gòu)
    按照USB協(xié)議規(guī)范，USB運(yùn)行首先是USB Host通過(guò)D+數(shù)據(jù)線上的電平變化檢測(cè)USB Device的插入和拔出，Host和Device依據(jù)協(xié)議規(guī)定的順序執(zhí)行一系列信息交換，這稱為枚舉部分，也是所有USB主機(jī)都必須支持的功能。Host根據(jù)獲得的Device信息判斷該Device屬于哪一類USB設(shè)備，并確定下一步選用哪個(gè)特定的程序加以支持。
    USB協(xié)議規(guī)定了HID(人機(jī)接口設(shè)備)類、Mass Storage(大容量存儲(chǔ)設(shè)備，如U盤)類、音頻類等各種設(shè)備類型。在嵌入式系統(tǒng)中，由于受系統(tǒng)性能和存儲(chǔ)空間的限制，一般只能支持某幾個(gè)類型。本文只支持Mass Storage類。

    圖1是本文實(shí)現(xiàn)的USB Host控制軟件的分層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層調(diào)用FAT32文件系統(tǒng)層的函數(shù)；文件系統(tǒng)層通過(guò)MassStorage UFI命令與存儲(chǔ)設(shè)備建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)U盤上文件的建立和讀寫等一系列操作；最底層的是Mass Storage驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)U盤數(shù)據(jù)的讀寫功能。其主要函數(shù)包括：

    本文軟件用C語(yǔ)言編程，并依賴μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)提供的中斷函數(shù)來(lái)調(diào)度各個(gè)函數(shù)的運(yùn)行。
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2 FAT32文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    文件系統(tǒng)的作用是對(duì)文件在介質(zhì)上的存儲(chǔ)進(jìn)行管理，并為操作系統(tǒng)提供操作函數(shù)。若把U盤看成是以扇區(qū)為單位的邏輯盤(1扇區(qū)=512 B)，當(dāng)一個(gè)U盤被格式化成FAT32格式的分區(qū)后，它的結(jié)構(gòu)形式圖如圖2所示。

    引導(dǎo)扇區(qū)(DOS Boot Record，DBR)存儲(chǔ)了本分區(qū)的BPB(Bios Parameter Block)信息。主引導(dǎo)記錄MBR(Master Boot Record)是物理上第一個(gè)扇區(qū)，絕對(duì)扇區(qū)號(hào)是0，它獨(dú)立于任何一個(gè)分區(qū)。MBR的前446B是系統(tǒng)引導(dǎo)程序，接著的64個(gè)字節(jié)是分區(qū)表DPT(Disk Partition Table)，最后兩字節(jié)是扇區(qū)有效標(biāo)志55 AA。初始化一個(gè)U盤的文件系統(tǒng)，很重要的一步就是填寫引導(dǎo)扇區(qū)的過(guò)程。對(duì)有些關(guān)鍵字節(jié)進(jìn)行分析如下所示：


    FAT32文件系統(tǒng)中，F(xiàn)AT表是一個(gè)數(shù)據(jù)表，以簇(cluster)的形式鏈?zhǔn)酱娣?。?dāng)一個(gè)文件大于一簇(4個(gè)扇區(qū))時(shí)，每簇中存放的數(shù)據(jù)便是文件存放的下一簇地址。直到遇到簇中的數(shù)據(jù)為“FF FF”時(shí)，才表示此文件已至尾簇。數(shù)據(jù)內(nèi)容不連續(xù)地存放于數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。文件系統(tǒng)使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供的4個(gè)函數(shù)獲取設(shè)備的狀態(tài)信息以及實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的讀寫。
   

3 USB設(shè)備枚舉的實(shí)現(xiàn)
    枚舉就是從Deveice讀取信息，通過(guò)設(shè)備描述符設(shè)備告訴Host是什么設(shè)備、如何進(jìn)行通信，Host根據(jù)這些信息來(lái)加載合適的驅(qū)動(dòng)程序。
3．1 枚舉過(guò)程及實(shí)現(xiàn)
    USB是一種主從的結(jié)構(gòu)，所有傳輸由Host來(lái)發(fā)起。當(dāng)Host發(fā)起一次傳輸時(shí)，通常包括3個(gè)包(Packets)的傳輸。Host首先是發(fā)送一個(gè)Token Packet，包含本次傳輸?shù)拿铑愋?Type)、方向(Direction)、設(shè)備的地址(Device Address)以及端點(diǎn)號(hào)(Endpoint)；緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)包(Da-ta Packet)，包含要求Device返回描述符的命令數(shù)據(jù)；最后由Device返回握手信號(hào)包(handshake packet)，正確返回(ACK)命令。[!--empirenews.page--]
    USB Host檢測(cè)到有Device插入后，進(jìn)行總線復(fù)位。然后Host使用默認(rèn)地址0讀取設(shè)備描述符。獲取設(shè)備描述符的USB設(shè)備請(qǐng)求命令結(jié)構(gòu)體為：
   
   
    第1次讀取設(shè)備描述符時(shí)，Host首先發(fā)送setup包；之后進(jìn)入主機(jī)讀取數(shù)據(jù)階段，Host發(fā)送in包，Device返回一個(gè)18 B的設(shè)備描述符，可以用一個(gè)結(jié)構(gòu)體將其讀回。最后Host發(fā)送0 B的數(shù)據(jù)包作為狀態(tài)相應(yīng)，設(shè)備返回ACK作為應(yīng)答。用邏輯分析儀抓包，3個(gè)包如圖3所示。

    第1次讀取設(shè)備描述符后，Host依次進(jìn)行地址分配、第2次讀取設(shè)備描述符、讀取配置描述符、讀取描述符集、設(shè)置配置、讀取配置狀態(tài)和讀取接口狀態(tài)，方法和第1次讀取設(shè)備描述符的方法一樣。

3．2 U盤兼容性
    在設(shè)備枚舉階段將會(huì)碰到很多關(guān)于U盤兼容性的問(wèn)題。
    (1)總線復(fù)位時(shí)間。不同型號(hào)的U盤對(duì)于總線復(fù)位時(shí)間的要求是不同的，比如金士頓1 GB的U盤需要的復(fù)位時(shí)間至少280 ms。在實(shí)現(xiàn)中為保險(xiǎn)起見(jiàn)，給予400 ms的復(fù)位時(shí)間。
    (2)有些U盤的端點(diǎn)0是8 B payload的，大多數(shù)是64 B。對(duì)于8 B payload的U盤，要嚴(yán)格從第1次獲取設(shè)備描述符時(shí)返回的第8字節(jié)獲取payload，否則盡管枚舉過(guò)程仍然能通過(guò)，但是后面在分析32字節(jié)的配置描述符時(shí)候會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，沒(méi)有收到完整的配置描述符是分析不出端點(diǎn)1和端點(diǎn)2的地址以及端點(diǎn)payload的。
    (3)在枚舉階段獲取字符串描述符的時(shí)候，要進(jìn)行判斷。因?yàn)橛行︰盤不支持返回字符串描述符，用if語(yǔ)句判斷，如果獲取不到字符串描述符就跳過(guò)，不要返回失敗。
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4 Bulk-only傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
    枚舉結(jié)束后是對(duì)塊設(shè)備的讀寫。Bulk-Only傳輸規(guī)范是USB組織針對(duì)大容量存儲(chǔ)設(shè)備制定的一種塊存儲(chǔ)類協(xié)議，它僅僅使用Bulk端點(diǎn)來(lái)傳送數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)。

    圖4是數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)在USB總線上的傳輸流程圖。根據(jù)此圖Bulk-only傳輸?shù)臓顟B(tài)可以定義為：空閑、CBW處理、數(shù)據(jù)輸出(從Host向Device傳輸數(shù)據(jù))、數(shù)據(jù)輸入(從Device向Host傳輸數(shù)據(jù))、CSW處理、管道阻塞等6種狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，接收到的數(shù)據(jù)包為CBW包；在數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)下，接收到的數(shù)據(jù)包為Host期待寫入Device的數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)下，Host請(qǐng)求從Device讀取數(shù)據(jù)，Device將向Host發(fā)送這些數(shù)據(jù)包；在CSW狀態(tài)下，Device封裝并發(fā)送CSW包以向Host返回狀態(tài)信息。因此，任何Bulk-Only事務(wù)均是以Host向Device發(fā)送CBW包并試圖建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸開始的；而Device接收到CBW包，進(jìn)行檢查并解釋，試圖滿足Host的要求，并通過(guò)CSW向主機(jī)返回狀態(tài)信息。以讀一個(gè)邏輯塊為例，填寫一個(gè)CBW包的程序如下所示：


    邏輯分析儀抓包結(jié)果如圖5所示。從抓包結(jié)果可以清晰的看出CBW包由31個(gè)字節(jié)組成。

    CBW包和CSW包正確收發(fā)后，Bulk-only傳輸就能順利實(shí)現(xiàn)。完成對(duì)扇區(qū)的讀寫，文件系統(tǒng)的掛載。上層應(yīng)用程序使用文件系統(tǒng)提供的API，操作底層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的建立、讀寫、刪除等操作。經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)支持長(zhǎng)文件名和超過(guò)2 GB容量的USB設(shè)備。本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了在不同型號(hào)U盤上完成對(duì)長(zhǎng)文件名文件的新建、讀寫以及刪除操作。

5 結(jié)語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)在以CK510為內(nèi)核的HM1521_B芯片上，通過(guò)文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)USB設(shè)備的讀寫操作。程序代碼放棄了USB協(xié)議中的繁文縟節(jié)，抓住協(xié)議核心以達(dá)到精簡(jiǎn)高效之目的。在大容量USB存儲(chǔ)設(shè)備的兼容性方面也進(jìn)行了探討。經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)支持長(zhǎng)文件名和超過(guò)2 GB容量的USB設(shè)備。最終實(shí)現(xiàn)了在不同型號(hào)U盤上完成對(duì)長(zhǎng)文件名文件的新建、讀寫以及刪除操作。
    本系統(tǒng)尚需改進(jìn)的地方主要是讀寫過(guò)程中的出錯(cuò)應(yīng)對(duì)能力。如何應(yīng)對(duì)USB設(shè)備在讀寫過(guò)程中的突然拔插，以及如何提高數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)時(shí)的校驗(yàn)?zāi)芰Χ际潜菊n題進(jìn)一步研究的方向。