RTEMS管理機制與USB驅(qū)動程序設計

引 言
    在航空航天和工業(yè)控制等一些嵌入式應用領域，要求控制系統(tǒng)具有嚴格的實時性，能夠為任務提供一個可預見的響應時間。一些實時操作系統(tǒng)的引入可以有效地滿足任務的實時性要求，如RTEMS和VxWorks。在這樣的系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)通信模塊的通信速度不高，或者通信質(zhì)量不可靠，就會影響整個系統(tǒng)的實時性能。通用串行總線(USB)由于其高帶寬、高可靠性的特點，必將越來越多地應用到這類系統(tǒng)中。然而由于多數(shù)實時操作系統(tǒng)目前并未提供USB主機和設備的驅(qū)動，而且USB協(xié)議相對于其他串行通信協(xié)議(RS232、SPI等)復雜度較高，使得USB驅(qū)動程序的開發(fā)難度較大。

1 RTEMS及其設備管理機制
1．1 RTEMS簡介
    RTEMS(Real—Time Executive for MultiprocessorSystem)是一個為嵌入式應用系統(tǒng)提供高性能支持環(huán)境的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，早期用于美國軍方的導彈系統(tǒng)。RTEMS的實時性能高于RTLinux，與VxWorks相比也毫不遜色。
    RTEMS具有如下特點：支持多任務；支持同構或異構多處理器系統(tǒng)；支持事件驅(qū)動、基于優(yōu)先級、占先的調(diào)度算法，具有單調(diào)速率調(diào)度算法；支持任務間的通信和同步；支持優(yōu)先級繼承算法，快速響應的中斷管理；支持動態(tài)存儲器分配，具有用戶配置的能力。
    RTEMS是微內(nèi)核搶占式的實時操作系統(tǒng)，具有實時性能好、運行速度快和可靠性高等優(yōu)點，在通信、航空航天、工業(yè)控制等領域有著非常廣泛的應用。
1．2 設備管理機制
    操作系統(tǒng)的一個重要功能就是為應用程序提供一個統(tǒng)一的I／O設備的虛擬接口，使用戶程序能夠按照相同的模式對設備進行操作，無需關心每個設備的具體特性。
    RTEMS系統(tǒng)提出了一種設備抽象模型，使用這種模型，應用程序通過相同的I／O系統(tǒng)調(diào)用塒沒備進行操作，而不必關心實現(xiàn)細節(jié)。RTEMS的I／O管理器提供的系統(tǒng)調(diào)用包括：
    ◆rIems_io_initialize，初始化一個設備驅(qū)動程序；
    ◆rtems_io_register_name，注冊一個設備名；
    ◆rIems_io_lookup_name，根據(jù)設備名查找主／副設備號；
    ◆rterns_io_open，打開一個設備；
    ◆rteros_io_close，關閉一個設備；
    ◆rtems_io_read，從一個設備中執(zhí)行讀操作；
    ◆rtems_io_write，向一個設備中執(zhí)行寫操作；
    ◆rteros_io_control，特殊的設備服務。
    RTEMS系統(tǒng)使用設備驅(qū)動程序地址表來提供這種抽象，在這個表中提供了每個標準I／O請求處理函數(shù)的入口地址。RTEMS使用設備的主設備號和副設備號來定位它的驅(qū)動程序。主設備號是設備驅(qū)動程序地址表中相應設備表項的索引，用于選擇某個設備驅(qū)動程序；副設備號的用途則依賴于具體的設備驅(qū)動程序，通常用于在相同設備驅(qū)動程序所控制的若干設備中指定特定的設備。在RTEMS系統(tǒng)中，每個特定的設備都有與之相關聯(lián)的設備名稱。RTEMS系統(tǒng)內(nèi)核中包含了一個“設備驅(qū)動程序文件名表”。這個表將設備文件名與設備的主、副設備號聯(lián)系起來，應用程序可以使用注冊設備名查找與一個設備相關聯(lián)的主設備號／副設備號，進而通過標準I／0系統(tǒng)調(diào)用和主設備號／副設備號在設備驅(qū)動程序地址表中找到該設備的驅(qū)動程序的入口函數(shù)地址，對設備進行操作。
    RTEMS系統(tǒng)在初始化時，會調(diào)用各個設備驅(qū)動程序的初始化函數(shù)，初始化所有的設備驅(qū)動程序。當應用程序需要對設備進行操作時，會執(zhí)行有關設備管理的I／O系統(tǒng)調(diào)用，RTEMS會根據(jù)該系統(tǒng)調(diào)用判斷應該選擇的設備驅(qū)動程序的入口函數(shù)。由應用程序傳遞給RTEMS的信息，將被傳遞給適當?shù)脑O備驅(qū)動程序入口函數(shù)。

2 USB通信協(xié)議簡介
    USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是一種在主機和設備之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。USB接口由于速度快、可靠性高、功耗低等優(yōu)點，已成為當前微機的必備接口，同時也被廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)設計中心。USB的物理拓撲為分層的星型結構，由3部分組成——USB主機、USB集線器和USB設備，如圖l所示。

    USB主機是USB系統(tǒng)的主控組件，控制總線上所有USB設備和USB集線器的數(shù)據(jù)通信過程，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由USB主機端發(fā)起的。
    USB主機控制器的復雜度要遠遠高于USB設備，典型的USB主機控制器大約需要10 000個門電路，而設備端的USB接口大約需要1 500個門電路。正是由于這種設計復雜度的不平等，使得USB設備得以在短時間內(nèi)得到廣泛應用。

3 RTEMS下USB設備驅(qū)動程序的設計
3．1 概 述
    嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境千差萬別，各類USB設備的類規(guī)范也各不相同。為了確保程序的可移植性和可擴展性，將程序設計為二層結構：硬件抽象層和USB設備類驅(qū)動層，如圖2所示。

    硬件抽象層封裝對底層USB設備控制器的操作和對中斷的處理，通過一些標準方法，為上層提供一個底層的硬件抽象，便于移植。USB設備類驅(qū)動層包含對標準命令和對特定設備類命令的處理。
3．2 硬件抽象層
    硬件抽象層對USB設備控制器進行操作，實現(xiàn)以下功能：設備狀態(tài)管理、端點狀態(tài)管理和中斷管理。
3．2．1 設備狀態(tài)管理
    每一個USB設備在正常工作前必須完成主機對它的配置過程，即總線枚舉。USB設備在總線上共有6種狀態(tài)：接入態(tài)、加電態(tài)、默認態(tài)、地址態(tài)、配置態(tài)和掛起態(tài)。
    硬件抽象層提供USB_Init、USB_Attach、USB_Disat—tach、USB_Connect、USB_Disconnect、USB_SetAddress、USB_ResetAddress、USB_SetConfiguration和USB_ResetConfiguration九個函數(shù)對設備的狀態(tài)進行管理。一般來說，設備在總線上的狀態(tài)變化都會由中斷通知設備，中斷服務程序根據(jù)中斷類型和當前狀態(tài)通過提供的功能接口對沒備進行相應的操作，確保設備能夠完成枚舉過程÷順利進入配置態(tài)。設備在硬件抽象層函數(shù)控制下的在總線上的狀態(tài)機如圖3所示。由于掛起與恢復無需軟件干預，因此沒有在狀態(tài)機中描述這一狀態(tài)。

3．2．2 端點狀態(tài)管理
    USB設備與主機的通信可以通過對USB端點狀態(tài)的控制來完成。USB設備端點可以定義3個不同狀態(tài)：空閑(Idle)狀態(tài)、停止(Halt)狀態(tài)和讀／寫(W／R)狀態(tài)。USB硬件抽象層提供USB_ConfigureEndpoint、USB_Write、USB_Read、USB_EndOfTransfer、USB_Stall、USB_HaIt和USB_ClearHalt七個功能函數(shù)對設備的狀態(tài)進行管理，端點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。[!--empirenews.page--]

    USB_ConfiguIreEndpoint負責配置端點的最大包長度和傳輸方向，并將端點狀態(tài)設置為空閑狀態(tài)。端點進入空閑狀態(tài)，如果上層調(diào)用USB_Write進行數(shù)據(jù)發(fā)送，將發(fā)送緩沖區(qū)指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)，設置端點狀態(tài)為寫狀態(tài)，等待USB主機接收數(shù)據(jù)(真正的數(shù)據(jù)傳輸在中斷服務程序中進行)。寫完成后，端點回到空閑狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收與發(fā)送類似。如果設備出現(xiàn)某種錯誤，主機會向設備發(fā)送Set_Feature命令，設備接收到Set_Feature命令，執(zhí)行USB_Halt進入停止狀態(tài)。端點處于停止狀態(tài)時，如果接收到Clear_Feature，則執(zhí)行USB—ClearHalt清除Halt標志，進入Idle狀態(tài)；如果USB設備由于某種原因無法對當前命令進行處理(如不能識別命令，或者沒有準備好進行數(shù)據(jù)傳輸)，則執(zhí)行USB_Stall通知主機發(fā)生錯誤，但端點的狀態(tài)不變。
3．2．3 中斷管理
    在USB設備端，存在以下幾類中斷：幀起始中斷、設備恢復中斷、設備掛起中斷和端點中斷。硬件抽象層的中斷服務例程對各類中斷進行響應，判斷中斷類型。如果是與設備狀態(tài)相關的中斷，則需要調(diào)整設備到相應的狀態(tài)，同時調(diào)用上層提供的相應回調(diào)函數(shù)；如果是端點中斷，則按照圖5的流程處理。

3．3 USB設備類驅(qū)動
    USB設備類驅(qū)動包含兩個功能：對標準命令的處理和對基于設備類的命令的處理。USB類驅(qū)動根據(jù)硬件抽象層提供的接口，與中斷服務程序協(xié)同管理USB設備和端點的狀態(tài)。通過為硬件抽象層的中斷服務程序提供相應的回調(diào)函數(shù)，完成特定設備類要求的操作；同時根據(jù)RTEMS系統(tǒng)的設備管理機制，為應用程序提供設備驅(qū)動的入口點。
3．3．1 標準命令處理
    為了更好地協(xié)調(diào)USB主機與設備之間的數(shù)據(jù)通信，USB規(guī)范定義了一套命令，用于完成主機對總線上的USB設備的控制。USB設備必須對來自于主機的控制命令做出響應。一般來說，命令都是通過設備的默認管道傳遞到設備的。USB協(xié)議定義了11個標準命令，用于配置設備、獲得設備的信息等操作。USB設備必須支持這些標準命令。
3．3．2 基于設備類的命令處理
    除了標準命令以外，USB每種設備類的協(xié)議又定義了自己的類命令。設備廠商為了使設備實現(xiàn)某種特殊的功能，還可以定義廠商專有的命令。
     所有的命令雖然有不同的內(nèi)容和使用目的，但也有一些共同的特點：所有命令的結構是一樣的；USB命令是在控制傳輸?shù)脑O置階段從USB主機發(fā)往設備的；如果除命令本身外，主機還打算向設備發(fā)送與命令相關的信息，那么這些信息將由緊跟在設置階段的數(shù)據(jù)階段發(fā)出；如果命令要求設備返回信息，這些信息會在控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)階段從設備端發(fā)出；當命令完成時，設備會在握手階段返回ACK；設備可以返回Stall，表明不支持當前命令或無法完成命令要求的操作。
3．3．3 命令的處理流程
    當設備接收到新的命令時，硬件抽象層的中斷處理函數(shù)會調(diào)用USB設備類驅(qū)動層提供的回調(diào)函數(shù)；在回調(diào)函數(shù)中，判斷命令的類型，如果是標準命令，則交給標準命令處理函數(shù)處理；否則，交給基于設備類的命令處理函數(shù)處理。因此，要實現(xiàn)對某種標準USB設備類型或非標準USB設備類型的命令的支持，只需要在USB設備類驅(qū)動層添加對該標準設備類型命令或者自定義命令的處理函數(shù)，這樣使得程序易于擴展。
3．3．4 USB設備驅(qū)動程序入口函數(shù)
    RTEMS系統(tǒng)的設備驅(qū)動程序應該包含下列入口函數(shù)：設備初始化例程、設備打開例程、設備關閉例程、從設備中讀出數(shù)據(jù)的例程、向設備中寫人數(shù)據(jù)的例程和特定于具體設備的設備操作例程。如果一個設備驅(qū)動程序不支持某個特定的入口函數(shù)，在設備驅(qū)動程序地址表中這個入口函數(shù)的地址值應該設置為空。以下6個函數(shù)是驅(qū)動程序為標準I／O請求提供的入口函數(shù)。
    ①初始化：rtems_device_driver usb_initialize(rtems_device_major_number maior，rtems_device_minor_numberminor，vold*arg)。在RTEMS系統(tǒng)中注冊USB設備的設備名，調(diào)用USB_Init實現(xiàn)設備的功能和狀態(tài)初始化，注冊中斷。
    ②打開：rtems_device_driver usb_open(rtems_device_major_number major，rtems_device_minor_number mi—nor，void*arg)。如果設備已經(jīng)被成功枚舉(處于配置態(tài))并且未被其他任務打開，則標記設備已被打開標志，成功返回；否則，打開失敗。
    ③關閉：rtems_device_driver usb_close(rtems_device_major_number major，rtems_device_minor_number mi—nor，void*arg)。清除設備打開標志。
    ④讀操作：rtems_device_driver usb_read(rtems_de—vice_major_number major，rtems_device_minor_numberminor，void*arg)。調(diào)用USB_Read()，設置端點為讀狀態(tài)，等待主機端發(fā)來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)到達后，中斷服務程序會把端點設置為空閑狀態(tài)，函數(shù)將數(shù)據(jù)返回給應用程序。
    ⑤寫操作：rtems_device_driver usb_write(rtems_de—vice_major_number major，rtems_device_minor_numberminor，void*arg)。調(diào)用USB_Write()，設置端點為寫狀態(tài)，并等待主機接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，中斷服務程序會將端點設置為空閑狀態(tài)，函數(shù)返回。
    ⑥控制操作：rtems_device_driver usb_control(rtems_device_major_number major，rtems_device_minor_num—ber minor，void*arg)。具體操作根據(jù)需要定義。將設備驅(qū)動程序的入口函數(shù)地址添加到設備驅(qū)動程序地址表后，就可以通過RTEMS提供的I／0系統(tǒng)調(diào)用對設備進行操作。

結 語
    在RTEMS系統(tǒng)的移植和應用開發(fā)過程中，設備驅(qū)動程序的編寫是十分重要的一環(huán)。USB由于其協(xié)議的復雜性，成為驅(qū)動開發(fā)中的難點之一。本文對RTEMS系統(tǒng)下USB設備驅(qū)動程序的設計與實現(xiàn)進行了詳細論述，相應程序在AT91RM9200開發(fā)板上得以實現(xiàn)和驗證。本設計著眼于程序的可移植性和可擴展性，采用層次結構，實現(xiàn)了硬件平臺與USB具體設備類驅(qū)動的分離，使其能夠方便地移植到其他硬件平臺上并實現(xiàn)對特定USB設備類型的支持。同時，由于與操作系統(tǒng)的耦合度較小，驅(qū)動程序還可以方便地移植到其他的操作系統(tǒng)上。