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USB作為一種串行通信總線，采用主從式通信方式，從設(shè)備只能被動響應(yīng)來自主設(shè)備的請求，不能主動發(fā)起請求。隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，對交互性操作要求越來越迫切，而采用USB雙向通信可以很好地解決上述問題。本文介紹一種基于S1C33L11芯片利用嵌入式操作系統(tǒng)的同步機制通過對循環(huán)隊列及自定義控制包的操作來實現(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個振蕩電路和2個鎖相環(huán)（PLL），內(nèi)置16kB RAM ，無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個通用通道（Epr（r=a，b，c，d））和一個控制通道（endpoint0），并為每個通道（endpoint）提供1 kB的FIFO。
2.2S1C33L11DMT01開發(fā)板簡介
S1C33L11DMT01開發(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)的運行及多媒體手機、PDA等產(chǎn)品的開發(fā)。？
3USB雙向通信的設(shè)計與實現(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］。在實現(xiàn)雙向通信上，具體通信機制是：嵌入式應(yīng)用程序通過讀寫循環(huán)隊列和信號量狀態(tài)與USB 硬件模塊中的OUT 和IN FIFO相互通信，而USB下位機與上位機（PC）的讀寫通信則通過上位機對控制包的讀寫來實現(xiàn)，最后通過循環(huán)隊列、信號量、控制包3者結(jié)合達到USB雙向通信的目的。
3.1USB雙向通信固件程序的設(shè)計與實現(xiàn)
（1）循環(huán)隊列
采用IN傳輸一個循環(huán)隊列，OUT傳輸一個循環(huán)隊列（以下簡稱隊列），每隊列動態(tài)分配32 kB。OUT隊列做為OUT傳輸時的二級緩沖，即OUT傳輸時的FIFO的數(shù)據(jù)必須先放入OUT隊列才能由嵌入式操作系統(tǒng)讀寫;IN隊列做為IN傳輸時的二級緩沖，即IN傳輸時的FIFO數(shù)據(jù)必須來自IN隊列;嵌入式操作系統(tǒng)只對二級緩沖進行讀寫，操作系統(tǒng)對隊列的管理是采用信號量通知機制來實現(xiàn)。
（2）控制包
為實現(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)。當控制包由上位機發(fā)出時，狀態(tài)字規(guī)定有3種：0x4F：上位機請求OUT傳輸，0x49：上位機請求IN傳輸，0x52：上位機請求讀取下位機狀態(tài);當上位機收到控制包時，狀態(tài)字規(guī)定有5種：0 x00：USB空閑態(tài)，0x01：下位機OUT循環(huán)隊列滿（即OUT超時），0x02：下位機IN循環(huán)隊列空（即IN超時），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USB過程
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USB接口讀取上位機（PC）的數(shù)據(jù)。
參數(shù)說明：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）。
實現(xiàn)過程：首先判斷循環(huán)隊列是否為空，不為空則判斷自身信號量是否可用，若可用，則從隊列中讀取一字節(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)出一個信號量，通知BulkOutGet函數(shù)隊列此時可以向OUT循環(huán)隊列中寫入數(shù)據(jù)，接著重新判斷，依次逐字節(jié)從OUT循環(huán)隊列中讀取數(shù)據(jù)，直到讀完要求數(shù)據(jù)大小為止。當循環(huán)隊列為空時，首先發(fā)一個信號量，通知BulkOutGet函數(shù)應(yīng)向本隊列中寫入數(shù)據(jù)了，然后復(fù)位自身信號量，接著調(diào)用等待信號量的函數(shù)，直到信號量到時才接著讀取。若超時，則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時通知，同時通過向控制包中寫入超時狀態(tài)（0x01）來向上位機（PC）發(fā)出超時信號。
寫函數(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USB接口向上位機（PC）發(fā)送數(shù)據(jù)。
參數(shù)說明：unsigned char * WriteBuffer 存放數(shù)據(jù)的指針，DWORD size為要寫入的數(shù)據(jù)的尺寸（單位：B）。
實現(xiàn)過程：首先判斷循環(huán)隊列是否滿，不為滿則判斷自身信號量是否可用，若可用，則向隊列中寫入一字節(jié)，每寫入一字節(jié)后向USB任務(wù)中的BulkInDataSet（直接寫IN的FIFO函數(shù)）函數(shù)發(fā)出一個信號量通知此函數(shù)此時可以從IN循環(huán)隊列中讀取數(shù)據(jù);然后接著重新判斷依次逐字節(jié)向IN循環(huán)隊列寫入數(shù)據(jù)，直到寫完要求數(shù)據(jù)大小的數(shù)據(jù)為止。當循環(huán)隊列滿時，先發(fā)一個信號量通知BulkInDataSet函數(shù)應(yīng)從隊列中取走數(shù)據(jù)，再復(fù)位自身信號量，接著調(diào)用等待信號量的函數(shù)，直到信號量到時才接著寫入，若超時，則向嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)出超時通知，同時通過向控制包中寫入超時狀態(tài)（0x02）來向上位機（PC）發(fā)出超時信號。
（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傳輸過程，即從IN循環(huán)隊列中讀取數(shù)據(jù)并向IN FIFO中寫入數(shù)據(jù)，再對嵌入式操作系統(tǒng)信號量做相應(yīng)處理。
void BulkOutDataGet（void）其功能是OUT傳輸過程，即從OUT FIFO中讀出數(shù)據(jù)并向OUT循環(huán)隊列中寫入數(shù)據(jù)，再對嵌入式操作系統(tǒng)信號量做相應(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)初始化過程）
void USBInit（void）：USB初始化（包括對循環(huán)隊列分配內(nèi)存等）
void USBThread（void）：USB運行體（USB工作過程對USB中斷進行處理主要包括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)隊列所占內(nèi)存
3.2上位機（PC）部分
USB函數(shù)層（USBD及HCD）由Windows98提供，負責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動程序與USB控制器之間的通信、加載及卸載USB驅(qū)動程序等。具體方法是通過DriverWorks軟件生成上位機（PC）機端USB驅(qū)動程序模板［3］，根據(jù)下位機的情況處理相應(yīng)的讀寫部分，最后通過封裝基本API函數(shù)ReadFile，WriteFile來實現(xiàn)用戶態(tài)應(yīng)用程序與PC機USB驅(qū)動程序的隔離，使PC的應(yīng)用層對USB的使用如同對串口的使用一樣方便，給用戶態(tài)應(yīng) 用程序提供有了3個接口函數(shù)：
unsigned char Read（void *pReadBuffer，DWORD Size）：從下位機中讀取數(shù)據(jù)
參數(shù)說明：void *pBuffer：存放讀取數(shù)據(jù)的緩沖，DWORD Size：需讀取數(shù)據(jù)的大小（字節(jié)數(shù)）
返回值：
0x10：驅(qū)動出錯（指Windows USB 驅(qū)動程序出錯）
0x20：內(nèi)存空間不足？
0x30：請求的數(shù)據(jù)大小為0 B
0x02：下位機發(fā)送軟超時
0x08：讀取成功
unsigned char Write（void *pWriteBuffer，DWORD Size）：發(fā)送數(shù)據(jù)到下位機
參數(shù)說明：void *pBuffer; 存放寫入數(shù)據(jù)的緩沖，DWORD Size; 需寫入數(shù)據(jù)的大小（字節(jié)數(shù)）。
返回值：
0x10：USB驅(qū)動出錯（Windows USB 驅(qū)動程序出錯）
0x20：內(nèi)存空間不足
0x30：請求的數(shù)據(jù)大小為0 B
0x01：下位機讀取數(shù)據(jù)軟超時
0x04：發(fā)送成功
void RequestUSB（void *pRequestBuffer，DWORD Size=5）：讀取下位機返回的操作狀態(tài)。
參數(shù)說明：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/寫發(fā)送。具體處理是： 設(shè)待讀寫的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為X B，當X=5B時，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）;當5 B16 kB時則分割以16kB為單位的數(shù)據(jù)進行發(fā)送，不足16 kB的部分再發(fā)送一次。每次讀/寫發(fā)送分3個階段：發(fā)控制包，讀/寫數(shù)據(jù)，讀控制包狀態(tài)。
4結(jié)語
基于S1C33L11芯片在嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的USB雙向通信嚴格遵循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、嵌入式操作系統(tǒng)中設(shè)備無關(guān)性好的特點。
