USB设备的Bulk模式驱动程序设计

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USB设备的Bulk模式驱动程序设计摘要本文介绍了USB设备Bulk模式驱动程序的设计。该设计使用FIFO消息队列、信号量机制和定时器中断机制，可在不同的操作系统中实现。文中所用到的程序体系结构对于实现不同USB设备进行Bulk模式通讯是通用的。　　关键词USB；Bulk模式；驱动设计　　引言　　通用串行总线（USB）是一种串行接口，具有自动配置能力和良好的兼容性，从而简化了计算机与外设的连接，被计算机外设硬件制造商广泛采纳。USB总线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了480Mbps，更适宜于高速数据传输。USB设备支持打印机、扫描仪、数码相机等外设时，由于这些外设与主机间传输的数据量大，要求驱动程序采用Bulk模式进行高速数据传输。　　USB设备驱动的整体结构　　USB设备驱动的整体结构包括如下五个主要部分：USB应用程序接口、USB设备驱动函数、USB中断服务程序、USB回调接口程序、USB标准事件处理程序。 USB应用程序接口　　USB应用程序接口主要功能是对USB驱动器进行软硬件初始化、打开端口、关闭端口、读端口、写端口和端口控制操作。当设备驱动器装入系统设备表时，I/O系统就调用该应用程序接口。　　USB应用程序接口的一个例程所包含的函数：　　·USB_init()--USB端口驱动函数的安装和初始化、硬件配置。 　　·USB_open()--打开USB端口。　　·USB_close()--关闭USB端口。　　·USB_read()--对USB端口进行读操作。　　·USB_write()--对USB端口进行写操作。　　·USB_ioctl()--对USB设备进行I/O控制操作。　　USB设备驱动函数　　1、USB_init（）--初始化USB端口　　USB_init函数初始化特定USB端口驱动器，进行软硬件配置。　　初始化步骤如下：　　（1）将USB设备驱动器安装到I/O系统设备表中。　　（2）获取USB控制器使用的中断号。　　（3）获取各端口所需的系统资源，包括内存、信号量和消息队列。　　（4）初始化USB驱动器数据结构与USB端口状态寄存器。　　（5）启动USB标准事件处理程序。　　（6）启用控制端口0和USB中断最小支持集。　　2、USB_open（）--打开USB端口　　USB_open函数允许应用程序打开一个USB端口，选择DMA数据传输方式。　　执行打开调用的典型步骤如下：　　（1）如果不是默认的控制端口0，要检查端口状态是否为"CONFIGURED"。　　（2）如果不允许多次打开，要确认端口还没有打开。　　（3）确认端口对当前选择的接口有效。 　　（4）选择DMA传输，设置DMA控制器使用该端口的FIFO作为目的地址。　　（5）设置端口为打开状态。　　3、USB_close（）--关闭USB端口　　USB_close函数允许USB应用程序关闭一个端口，并关闭DMA通道。　　执行关闭调用的典型步骤为：　　（1）关闭DMA通道，放弃端口对DMA控制器的使用。　　（2）设置端口为关闭状态。　　4、USB_read（）--对USB端口进行读操作　　USB_read函数允许USB应用程序从输出端口或控制端口读取数据。　　调用读函数的典型步骤为：　　（1）设置端口号、类型和方向。　　（2）确认端口处于打开状态。　　（3）设置端口信号量，避免多次调用。　　（4）调用readDMA()进行DMA写操作。函数内执行步骤为：　　　(a)启动DMA从端口接收FIFO的读操作，将数据从端口传送到内存。　　　(b)等待DMA完成中断。（DMA中断向端口消息队列发送一条消息表示数据传输完成。）　　　(c)重复进行（a）～（c）步骤直至接收到全部数据或USB主机结束传输。如果USB控制器检测到短包中断或零字节包，或者出现等待超时，则停止DMA传送，并转（d）步骤执行。　　　(d)向USB主机发送一个零字节包，完成控制状态步骤。　　（5）释放端口信号量。　　（6）返回接收到的字节数或错误信息。 　　5、USB_write（）--对USB端口进行写操作　　USB_write函数允许USB应用程序写数据到输入端口或控制端口。　　执行写调用的典型步骤为：　　（1）确认端口号、类型和方向。　　　（2）确认端口处于打开状态。　　（3）获取端口信号量，避免多次调用。　　（4）调用writeDMA()进行DMA写操作。函数内执行步骤为：　　　(a)DMA将内存数据传送到目标端口的FIFO，并等待DMA完成中断。　　　(b)若从接收FIFO接收到USB主机的一个零字节包，或者出现等待超时，则退出并返回传输的字节数。　　　(c)重复执行（a）～（c）步骤直至全部数据传输完毕时，转（d）步骤执行。　　　(d)强制向USB主机发送最后的零字节包或短包用来结束传输过程。　　（5）如果是控制端口，等待来自USB主机的零字节包，完成控制状态步骤。　　（6）释放端口信号量。　　（7）返回传输的字节数或错误信息。　　6、USB_ioctl（）--对USB设备进行I/O控制操作　　USB_ioctl函数设置端口状态寄存器并执行I/O端口控制功能。　　USB应用程序根据控制对象不同分别调用提供应用程序控制USB接口的能力的controlIoctl()和epIoctl()函数。controlIoctl()函数执行USB控制器整体I/O出控制功能。epIoctl()函数执行个别USB端口的I/O控制功能。。　　1)controlIoctl()--控制器控制函数　　controlIoctl()函数对USB控制器进行控制操作。执行I/O功能之前获取USB控制器信号量，避免多次调用影响正在传输数据的端口。完成I/O操作后释放信号量。 　　USB控制器应支持的控制功能包括：　　·支持远程唤醒功能。　　·设置USB端口进入/退出挂起状态。　　·复位USB端口。　　·设置USB控制器消息队列等待超时。　　·为DMA选择端口FIFO。　　·允许/禁止可选中断。　　·读取帧时间戳起始位。　　·进行枚举测试。　　·返回接口、备用接口和当前USB端口配置状态。　　2)epIoctl()--端口控制函数　　epIoctl()函数对端口进行控制操作。执行I/O功能之前获取USB控制器信号量，避免多次调用影响正在传输数据的端口。完成I/O操作后释放信号量。　　端口应支持的控制功能包括：　　（1）获得USB端口状态。　　（2）设置USB端口进入/退出阻塞状态。　　（3）设置USB端口消息队列等待超时。USB中断服务程序　　USB控制器产生单一中断，多个端口共享。每个端口产生ACK、NACK/ERROR中断。输出端口产生接收零字节包或短包中断。控制端口0接收设置包时产生中断。USB控制器产生USB事件中断，如帧起始（SOF）、挂起、恢复和复位。　　USB中断服务程序执行下列步骤：　　（1）识别发生了USB中断的类型。 　　（2）清除中断产生的条件。　　（3）读USB状态寄存器，获取当前配置、接口或帧起始时间戳状态信息。　　（4）向USB控制器消息队列或回调函数的接收消息队列发送一条消息。　　USB标准事件处理程序　　USB驱动器初始化后，启动USB标准事件处理程序负责处理枚举过程和异步USB事件。　　事件处理程序使用控制端口0，直到完成枚举过程。当USB应用程序处于非活动状态时，除控制端口0以外端口均不可访问。事件处理程序在端口0上执行控制操作，响应USB标准请求，并负责通知USB应用程序枚举完成和接口活动状态，USB事件通过回调接口传递到USB外设应用程序。当对USB端口枚举操作完成，USB应用程序就可打开并使用USB端口。　　处理一个USB任务的执行过程为：　　（1）读取USB控制器消息队列。　　（2）如果接收到设置包，则调用标准请求处理函数。　　（3）如果接收到事件，则调用USB事件处理函数。　　（4）确定当前状态和有效配置/接口。　　（5）更新USB控制器和端口数据结构。　　（6）重复（1）～（5）步骤。　　USB回调接口程序　　回调应用程序接口是向应用程序提供反馈信息的一种接口，包括向应用程序通知USB事件的消息，如复位、配置改变、接口改变、挂起、恢复和帧起始。使用USB的应用程序要以下列方式回应这些消息：　　（1）复位关闭端口，等待枚举测试。　　（2）配置改变关闭端口，按新配置打开端口。　　（3）接口改变关闭端口，从新接口打开端口。 　　（4）挂起进入低功耗模式。　　（5）恢复退出低功耗模式。　　（6）帧起始执行应用程序规定的处理。　　总结　　本文提供了进行USB端口Bulk模式驱动程序设计的过程，实现在USB接口设备与Host主机之间进行高速数据传输，对于嵌入式环境以及windows多线程环境下的USB设备的高速数据传输同样适用。