嵌入式操作系统中USB双向通信的设计与实现

　　嵌入式操作系统中USB双向通信系统整体层次结构如图1所示。

　　2硬件系统

　　2.1S1C33L11及其USB BLOCK简介

　　S1C33L11是EPSON公司的32位高速，低功耗，低电压MCU。他是以C33 STD 32位RISC CPU为核心，功能强大，除一般外围设备外有LCD控制器，Camera接口，JPEG编码，USB1.1功能控制器，MAC(SPI模式)接口，SmartMedia接口，还包括3个振荡电路和2个锁相环(PLL)，内置16kB RAM ，无ROM。

　　S1C33L11内建支持USB1.1协议的全速模式。支持控制、块、同步和中断4种传输方式，支持 4个通用通道(Epr(r=a,b,c,d))和一个控制通道(endpoint0)，并为每个通道(endpoint)提供1 kB的FIFO。

　　2.2S1C33L11DMT01开发板简介

　　S1C33L11DMT01开发板采用S1C33L11F00A1芯片为核心，外接2 MB RAM，32 MB FLASH，还带有STN TFT 双屏彩色LCD等，此硬件环境适用于各种嵌入式操作系统的运行及多媒体手机、PDA等产品的开发。?

　　3USB双向通信的设计与实现

　　本文USB双向通信在基本传输方式上采用USB块传输[1]。他由USB初始化、USB中断处理、控制传输和块传输几部分组成[2]。在实现双向通信上，具体通信机制是：嵌入式应用程序通过读写循环队列和信号量状态与USB 硬件模块中的OUT 和IN FIFO相互通信，而USB下位机与上位机(PC)的读写通信则通过上位机对控制包的读写来实现，最后通过循环队列、信号量、控制包3者结合达到USB双向通信的目的。

　　3.1USB双向通信固件程序的设计与实现

　　(1)循环队列

　　采用IN传输一个循环队列，OUT传输一个循环队列(以下简称队列)，每队列动态分配32 kB。OUT队列做为OUT传输时的二级缓冲，即OUT传输时的FIFO的数据必须先放入OUT队列才能由嵌入式操作系统读写;IN队列做为IN传输时的二级缓冲，即IN传输时的FIFO数据必须来自IN队列;嵌入式操作系统只对二级缓冲进行读写，操作系统对队列的管理是采用信号量通知机制来实现。

　　(2)控制包

　　为实现双向通信，规定一种控制包格式，读控制包是在USB协议之外自定义的。

　　控制包固定为5字节。从左到右第一字节为状态字，剩下4字节传送要收发的数据字节数。当控制包由上位机发出时，状态字规定有3种：0x4F：上位机请求OUT传输，0x49：上位机请求IN传输，0x52：上位机请求读取下位机状态;当上位机收到控制包时，状态字规定有5种：0 x00：USB空闲态，0x01：下位机OUT循环队列满(即OUT超时)，0x02：下位机IN循环队列空(即IN超时)，0x04：OUT传送成功，0x08：IN传送成功。

　　(3)嵌入式操作系统端应用程序读写USB过程

　　读函数：void ReadUSB(unsigned char * ReadBuffer, DWORD size)函数：

　　功能：嵌入式系统应用程序通过USB接口读取上位机(PC)的数据。

　　参数说明：unsigned char*ReadBuffer存放数据的指针，DWORD size为要读出的数据的尺寸(单位：B)。

　　实现过程：首先判断循环队列是否为空，不为空则判断自身信号量是否可用，若可用，则从队列中读取一字节，每读一字节后向USB任务中的BulkOutGet函数(直接读取OUT的FIFO函数)发出一个信号量，通知BulkOutGet函数队列此时可以向OUT循环队列中写入数据，接着重新判断，依次逐字节从OUT循环队列中读取数据，直到读完要求数据大小为止。当循环队列为空时，首先发一个信号量，通知BulkOutGet函数应向本队列中写入数据了，然后复位自身信号量，接着调用等待信号量的函数，直到信号量到时才接着读取。若超时，则向嵌入式操作系统发出超时通知，同时通过向控制包中写入超时状态(0x01)来向上位机(PC)发出超时信号。

　　写函数：void WriteUSB(unsigned char*Write Buffer,DWORD size)函数：

　　功能：嵌入式系统应用程序通过USB接口向上位机(PC)发送数据。

　　参数说明：unsigned char * WriteBuffer 存放数据的指针，DWORD size为要写入的数据的尺寸(单位：B)。

　　实现过程：首先判断循环队列是否满，不为满则判断自身信号量是否可用，若可用，则向队列中写入一字节，每写入一字节后向USB任务中的BulkInDataSet(直接写IN的FIFO函数)函数发出一个信号量通知此函数此时可以从IN循环队列中读取数据;然后接着重新判断依次逐字节向IN循环队列写入数据，直到写完要求数据大小的数据为止。当循环队列满时，先发一个信号量通知BulkInDataSet函数应从队列中取走数据，再复位自身信号量，接着调用等待信号量的函数，直到信号量到时才接着写入,若超时，则向嵌入式操作系统发出超时通知，同时通过向控制包中写入超时状态(0x02)来向上位机(PC)发出超时信号。

　　(4) USB块传输函数

　　USB块传输函数是直接和USB硬件打交道的函数，他们直接读取IN和OUT传输通道的FIFO。voi d BulkInDataSet(void)：其功能是IN传输过程，即从IN循环队列中读取数据并向IN FIFO中写入数据，再对嵌入式操作系统信号量做相应处理。

　　void BulkOutDataGet(void)其功能是OUT传输过程，即从OUT FIFO中读出数据并向OUT循环队列中写入数据，再对嵌入式操作系统信号量做相应处理。

　　(5) 嵌入式操作系统USB 任务调用函数

　　void SystemInit(void)：MCU初始化(微处理器各控制寄存器和状态初始化过程)

　　void USBInit(void)：USB初始化(包括对循环队列分配内存等)

　　void USBThread(void)：USB运行体(USB工作过程对USB中断进行处理主要包括USB块传输函 数、USB中断状态分析处理等)。

　　void FreeUSB(void)：关闭USB和释放由malloc函数分配的循环队列所占内存

　　3.2上位机(PC)部分

　　USB函数层(USBD及HCD)由Windows98提供，负责管理USB设备驱动程序与USB控制器之间的通信、加载及卸载USB驱动程序等。具体方法是通过DriverWorks软件生成上位机(PC)机端USB驱动程序模板[3]，根据下位机的情况处理相应的读写部分，最后通过封装基本API函数ReadFile,WriteFile来实现用户态应用程序与PC机USB驱动程序的隔离，使PC的应用层对USB的使用如同对串口的使用一样方便，给用户态应 用程序提供有了3个接口函数：

　　unsigned char Read(void *pReadBuffer,DWORD Size)：从下位机中读取数据

　　参数说明：void *pBuffer：存放读取数据的缓冲，DWORD Size：需读取数据的大小(字节数)

　　返回值：

　　0x10：驱动出错(指Windows USB 驱动程序出错)

　　0x20：内存空间不足?

　　0x30：请求的数据大小为0 B

　　0x02：下位机发送软超时

　　0x08：读取成功

　　unsigned char Write(void *pWriteBuffer,DWORD Size)：发送数据到下位机

　　参数说明：void *pBuffer; 存放写入数据的缓冲，DWORD Size; 需写入数据的大小(字节数)。

　　返回值：

　　0x10：USB驱动出错(Windows USB 驱动程序出错)

　　0x20：内存空间不足

　　0x30：请求的数据大小为0 B

　　0x01：下位机读取数据软超时

　　0x04：发送成功

　　void RequestUSB(void *pRequestBuffer,DWORD Size=5)：读取下位机返回的操作状态。

　　参数说明：void *pRequestBuffer：5 B控制包缓冲

　　其中每次Read或Write函数的调用被分为若干次读/写发送。具体处理是： 设待读写的数据字节数为X B，当X=5B时，分割为X1=4 B和X2=1 B两次发送(由于自定义包是5 B，为了与自定义控制包区分开);当5 B16 kB时则分割以16kB为单位的数据进行发送，不足16 kB的部分再发送一次。每次读/写发送分3个阶段：发控制包，读/写数据，读控制包状态。

　　4结语

　　基于S1C33L11芯片在嵌入式操作系统基础上实现的USB双向通信严格遵循USB1.1协议，充分利用了S1C33L11芯片的内置功能和嵌入式操作系统的作用，具有交互作用强、嵌入式操作系统中设备无关性好的特点。