USB作為一種串行通信總線，采用主從式通信方式，從設(shè)備只能被動(dòng)響應(yīng)來(lái)自主設(shè)備的請(qǐng)求，不能主動(dòng)發(fā)起請(qǐng)求。隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)交互性操作要求越來(lái)越迫切，而采用USB雙向通信可以很好地解決上述問(wèn)題。本文介紹一種基于S1C33L11芯片利用嵌入式操作系統(tǒng)的同步機(jī)制通過(guò)對(duì)循環(huán)隊(duì)列及自定義控制包的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向通信的方法。

1嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信系統(tǒng)整體層次結(jié)構(gòu)

嵌入式操作系統(tǒng)中USB雙向通信系統(tǒng)整體層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2硬件系統(tǒng)

2.1S1C33L11及其USB BLOCK簡(jiǎn)介

S1C33L11是EPSON公司的32位高速，低功耗，低電壓MCU。他是以C33 STD 32位RISC CPU為核心，功能強(qiáng)大，除一般外圍設(shè)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(gè)振蕩電路和2個(gè)鎖相環(huán)（PLL），內(nèi)置16kB RAM ，無(wú)ROM。

S1C33L11內(nèi)建支持USB1.1協(xié)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(gè)通用通道（Epr（r=a，b，c，d））和一個(gè)控制通道（endpoint0），并為每個(gè)通道（endpoint）提供1 kB的FIFO。

2.2S1C33L11DMT01開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介

S1C33L11DMT01開(kāi)發(fā)板采用S1C33L11F00A1芯片為核心，外接2 MB RAM，32 MB FLASH，還帶有STN TFT 雙屏彩色LCD等，此硬件環(huán)境適用于各種嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行及多媒體手機(jī)、PDA等產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。？

3USB雙向通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shí)現(xiàn)雙向通信上，具體通信機(jī)制是：嵌入式應(yīng)用程序通過(guò)讀寫(xiě)循環(huán)隊(duì)列和信號(hào)量狀態(tài)與USB 硬件模塊中的OUT 和IN FIFO相互通信，而USB下位機(jī)與上位機(jī)（PC）的讀寫(xiě)通信則通過(guò)上位機(jī)對(duì)控制包的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)循環(huán)隊(duì)列、信號(hào)量、控制包3者結(jié)合達(dá)到USB雙向通信的目的。

3.1USB雙向通信固件程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）循環(huán)隊(duì)列

采用IN傳輸一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，OUT傳輸一個(gè)循環(huán)隊(duì)列（以下簡(jiǎn)稱(chēng)隊(duì)列），每隊(duì)列動(dòng)態(tài)分配32 kB。OUT隊(duì)列做為OUT傳輸時(shí)的二級(jí)緩沖，即OUT傳輸時(shí)的FIFO的數(shù)據(jù)必須先放入OUT隊(duì)列才能由嵌入式操作系統(tǒng)讀寫(xiě);IN隊(duì)列做為IN傳輸時(shí)的二級(jí)緩沖，即IN傳輸時(shí)的FIFO數(shù)據(jù)必須來(lái)自IN隊(duì)列;嵌入式操作系統(tǒng)只對(duì)二級(jí)緩沖進(jìn)行讀寫(xiě)，操作系統(tǒng)對(duì)隊(duì)列的管理是采用信號(hào)量通知機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）控制包

為實(shí)現(xiàn)雙向通信，規(guī)定一種控制包格式，讀控制包是在USB協(xié)議之外自定義的。

控制包固定為5字節(jié)。從左到右第一字節(jié)為狀態(tài)字，剩下4字節(jié)傳送要收發(fā)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。當(dāng)控制包由上位機(jī)發(fā)出時(shí)，狀態(tài)字規(guī)定有3種：0x4F：上位機(jī)請(qǐng)求OUT傳輸，0x49：上位機(jī)請(qǐng)求IN傳輸，0x52：上位機(jī)請(qǐng)求讀取下位機(jī)狀態(tài);當(dāng)上位機(jī)收到控制包時(shí)，狀態(tài)字規(guī)定有5種：0 x00：USB空閑態(tài)，0x01：下位機(jī)OUT循環(huán)隊(duì)列滿（即OUT超時(shí)），0x02：下位機(jī)IN循環(huán)隊(duì)列空（即IN超時(shí)），0x04：OUT傳送成功，0x08：IN傳送成功。

（3）嵌入式操作系統(tǒng)端應(yīng)用程序讀寫(xiě)USB過(guò)程

讀函數(shù)：void ReadUSB（unsigned char * ReadBuffer， DWORD size）函數(shù)：

功能：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序通過(guò)USB接口讀取上位機(jī)（PC）的數(shù)據(jù)。

參數(shù)說(shuō)明：unsigned char*ReadBuffer存放數(shù)據(jù)的指針，DWORD size為要讀出的數(shù)據(jù)的尺寸（單位：B）。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先判斷循環(huán)隊(duì)列是否為空，不為空則判斷自身信號(hào)量是否可用，若可用，則從隊(duì)列中讀取一字節(jié)，每讀一字節(jié)后向USB任務(wù)中的BulkOutGet函數(shù)（直接讀取OUT的FIFO函數(shù)）發(fā)出一個(gè)信號(hào)量，通知BulkOutGet函數(shù)隊(duì)列此時(shí)可以向OUT循環(huán)隊(duì)列中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，接著重新判斷，依次逐字節(jié)從OUT循環(huán)隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，直到讀完要求數(shù)據(jù)大小為止。當(dāng)循環(huán)隊(duì)列為空時(shí)，首先發(fā)一個(gè)信號(hào)量，通知BulkOutGet函數(shù)應(yīng)向本隊(duì)列中寫(xiě)入數(shù)據(jù)了，然后復(fù)位自身信號(hào)量，接著調(diào)用等待信號(hào)量的函數(shù)，直到信號(hào)量到時(shí)才接著讀取。若超時(shí)，則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時(shí)通知，同時(shí)通過(guò)向控制包中寫(xiě)入超時(shí)狀態(tài)（0x01）來(lái)向上位機(jī)（PC）發(fā)出超時(shí)信號(hào)。

寫(xiě)函數(shù)：void WriteUSB（unsigned char*Write Buffer，DWORD size）函數(shù)：

功能：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序通過(guò)USB接口向上位機(jī)（PC）發(fā)送數(shù)據(jù)。

參數(shù)說(shuō)明：unsigned char * WriteBuffer 存放數(shù)據(jù)的指針，DWORD size為要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)的尺寸（單位：B）。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先判斷循環(huán)隊(duì)列是否滿，不為滿則判斷自身信號(hào)量是否可用，若可用，則向隊(duì)列中寫(xiě)入一字節(jié)，每寫(xiě)入一字節(jié)后向USB任務(wù)中的BulkInDataSet（直接寫(xiě)IN的FIFO函數(shù)）函數(shù)發(fā)出一個(gè)信號(hào)量通知此函數(shù)此時(shí)可以從IN循環(huán)隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù);然后接著重新判斷依次逐字節(jié)向IN循環(huán)隊(duì)列寫(xiě)入數(shù)據(jù)，直到寫(xiě)完要求數(shù)據(jù)大小的數(shù)據(jù)為止。當(dāng)循環(huán)隊(duì)列滿時(shí)，先發(fā)一個(gè)信號(hào)量通知BulkInDataSet函數(shù)應(yīng)從隊(duì)列中取走數(shù)據(jù)，再?gòu)?fù)位自身信號(hào)量，接著調(diào)用等待信號(hào)量的函數(shù)，直到信號(hào)量到時(shí)才接著寫(xiě)入，若超時(shí)，則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時(shí)通知，同時(shí)通過(guò)向控制包中寫(xiě)入超時(shí)狀態(tài)（0x02）來(lái)向上位機(jī)（PC）發(fā)出超時(shí)信號(hào)。

（4） USB塊傳輸函數(shù)

USB塊傳輸函數(shù)是直接和USB硬件打交道的函數(shù)，他們直接讀取IN和OUT傳輸通道的FIFO。voi d BulkInDataSet（void）：其功能是IN傳輸過(guò)程，即從IN循環(huán)隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)并向IN FIFO中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，再對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)信號(hào)量做相應(yīng)處理。

void BulkOutDataGet（void）其功能是OUT傳輸過(guò)程，即從OUT FIFO中讀出數(shù)據(jù)并向OUT循環(huán)隊(duì)列中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，再對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)信號(hào)量做相應(yīng)處理。

（5） 嵌入式操作系統(tǒng)USB 任務(wù)調(diào)用函數(shù)

void SystemInit（void）：MCU初始化（微處理器各控制寄存器和狀態(tài)初始化過(guò)程）

void USBInit（void）：USB初始化（包括對(duì)循環(huán)隊(duì)列分配內(nèi)存等）

void USBThread（void）：USB運(yùn)行體（USB工作過(guò)程對(duì)USB中斷進(jìn)行處理主要包括USB塊傳輸函 數(shù)、USB中斷狀態(tài)分析處理等）。

void FreeUSB（void）：關(guān)閉USB和釋放由malloc函數(shù)分配的循環(huán)隊(duì)列所占內(nèi)存

3.2上位機(jī)（PC）部分

USB函數(shù)層（USBD及HCD）由Windows98提供，負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與USB控制器之間的通信、加載及卸載USB驅(qū)動(dòng)程序等。具體方法是通過(guò)DriverWorks軟件生成上位機(jī)（PC）機(jī)端USB驅(qū)動(dòng)程序模板［3］，根據(jù)下位機(jī)的情況處理相應(yīng)的讀寫(xiě)部分，最后通過(guò)封裝基本API函數(shù)ReadFile，WriteFile來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)態(tài)應(yīng)用程序與PC機(jī)USB驅(qū)動(dòng)程序的隔離，使PC的應(yīng)用層對(duì)USB的使用如同對(duì)串口的使用一樣方便，給用戶(hù)態(tài)應(yīng) 用程序提供有了3個(gè)接口函數(shù)：

unsigned char Read（void *pReadBuffer，DWORD Size）：從下位機(jī)中讀取數(shù)據(jù)

參數(shù)說(shuō)明：void *pBuffer：存放讀取數(shù)據(jù)的緩沖，DWORD Size：需讀取數(shù)據(jù)的大?。ㄗ止?jié)數(shù)）

返回值：

0x10：驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)（指Windows USB 驅(qū)動(dòng)程序出錯(cuò)）

0x20：內(nèi)存空間不足？

0x30：請(qǐng)求的數(shù)據(jù)大小為0 B

0x02：下位機(jī)發(fā)送軟超時(shí)

0x08：讀取成功

unsigned char Write（void *pWriteBuffer，DWORD Size）：發(fā)送數(shù)據(jù)到下位機(jī)

參數(shù)說(shuō)明：void *pBuffer; 存放寫(xiě)入數(shù)據(jù)的緩沖，DWORD Size; 需寫(xiě)入數(shù)據(jù)的大?。ㄗ止?jié)數(shù)）。

返回值：

0x10：USB驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)（Windows USB 驅(qū)動(dòng)程序出錯(cuò)）

0x20：內(nèi)存空間不足

0x30：請(qǐng)求的數(shù)據(jù)大小為0 B

0x01：下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)軟超時(shí)

0x04：發(fā)送成功

void RequestUSB（void *pRequestBuffer，DWORD Size=5）：讀取下位機(jī)返回的操作狀態(tài)。

參數(shù)說(shuō)明：void *pRequestBuffer：5 B控制包緩沖

其中每次Read或Write函數(shù)的調(diào)用被分為若干次讀/寫(xiě)發(fā)送。具體處理是： 設(shè)待讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為X B，當(dāng)X=5B時(shí)，分割為X1=4 B和X2=1 B兩次發(fā)送（由于自定義包是5 B，為了與自定義控制包區(qū)分開(kāi)）;當(dāng)5 B16 kB時(shí)則分割以16kB為單位的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，不足16 kB的部分再發(fā)送一次。每次讀/寫(xiě)發(fā)送分3個(gè)階段：發(fā)控制包，讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀控制包狀態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)

基于S1C33L11芯片在嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的USB雙向通信嚴(yán)格遵循USB1.1協(xié)議，充分利用了S1C33L11芯片的內(nèi)置功能和嵌入式操作系統(tǒng)的作用，具有交互作用強(qiáng)、嵌入式操作系統(tǒng)中設(shè)備無(wú)關(guān)性好的特點(diǎn)。