引言
通用串行總線（USB）是一種串行接口，具有自動(dòng)配置能力和良好的兼容性，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)與外設(shè)的連接，被計(jì)算機(jī)外設(shè)硬件制造商廣泛采納。USB總線標(biāo)準(zhǔn)由1.1版升級(jí)到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了480Mbps，更適宜于高速數(shù)據(jù)傳輸。USB設(shè)備支持打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)時(shí)，由于這些外設(shè)與主機(jī)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，要求驅(qū)動(dòng)程序采用Bulk模式進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的整體結(jié)構(gòu)
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的整體結(jié)構(gòu)包括如下五個(gè)主要部分：USB應(yīng)用程序接口、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)、USB中斷服務(wù)程序、USB回調(diào)接口程序、USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序。
 圖1 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的整體結(jié)構(gòu) |
USB應(yīng)用程序接口
USB應(yīng)用程序接口主要功能是對(duì)USB驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行軟硬件初始化、打開(kāi)端口、關(guān)閉端口、讀端口、寫(xiě)端口和端口控制操作。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器裝入系統(tǒng)設(shè)備表時(shí)，I/O系統(tǒng)就調(diào)用該應(yīng)用程序接口。
USB應(yīng)用程序接口的一個(gè)例程所包含的函數(shù)：
·USB_init( ) -- USB端口驅(qū)動(dòng)函數(shù)的安裝和初始化、硬件配置。
·USB_open( ) -- 打開(kāi)USB端口。
·USB_close( ) -- 關(guān)閉USB端口。
·USB_read( ) -- 對(duì)USB端口進(jìn)行讀操作。
·USB_write( ) -- 對(duì)USB端口進(jìn)行寫(xiě)操作。
·USB_ioctl( ) -- 對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行I/O控制操作。
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)
1、USB_init（）-- 初始化USB端口
USB_init函數(shù)初始化特定USB端口驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行軟硬件配置。
初始化步驟如下：
（1） 將USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)器安裝到I/O系統(tǒng)設(shè)備表中。
（2） 獲取USB控制器使用的中斷號(hào)。
（3） 獲取各端口所需的系統(tǒng)資源，包括內(nèi)存、信號(hào)量和消息隊(duì)列。
（4） 初始化USB驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與USB端口狀態(tài)寄存器。
（5） 啟動(dòng)USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序。
（6） 啟用控制端口0和USB中斷最小支持集。
2、USB_open（）-- 打開(kāi)USB端口
USB_open函數(shù)允許應(yīng)用程序打開(kāi)一個(gè)USB端口，選擇DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。
執(zhí)行打開(kāi)調(diào)用的典型步驟如下：
（1） 如果不是默認(rèn)的控制端口0，要檢查端口狀態(tài)是否為"CONFIGURED"。
（2） 如果不允許多次打開(kāi)，要確認(rèn)端口還沒(méi)有打開(kāi)。
（3） 確認(rèn)端口對(duì)當(dāng)前選擇的接口有效。
（4） 選擇DMA傳輸，設(shè)置DMA控制器使用該端口的FIFO作為目的地址。
（5） 設(shè)置端口為打開(kāi)狀態(tài)。
3、USB_close（）-- 關(guān)閉USB端口
USB_close函數(shù)允許USB應(yīng)用程序關(guān)閉一個(gè)端口，并關(guān)閉DMA通道。
執(zhí)行關(guān)閉調(diào)用的典型步驟為：
（1） 關(guān)閉DMA通道，放棄端口對(duì)DMA控制器的使用。
（2） 設(shè)置端口為關(guān)閉狀態(tài)。
4、USB_read（）-- 對(duì)USB端口進(jìn)行讀操作
USB_read函數(shù)允許USB應(yīng)用程序從輸出端口或控制端口讀取數(shù)據(jù)。
調(diào)用讀函數(shù)的典型步驟為：
（1） 設(shè)置端口號(hào)、類(lèi)型和方向。
（2） 確認(rèn)端口處于打開(kāi)狀態(tài)。
（3） 設(shè)置端口信號(hào)量，避免多次調(diào)用。
（4） 調(diào)用readDMA( ) 進(jìn)行DMA寫(xiě)操作。函數(shù)內(nèi)執(zhí)行步驟為：
(a) 啟動(dòng)DMA從端口接收FIFO的讀操作，將數(shù)據(jù)從端口傳送到內(nèi)存。
(b) 等待DMA完成中斷。（DMA中斷向端口消息隊(duì)列發(fā)送一條消息表示數(shù)據(jù)傳輸完成。）
(c) 重復(fù)進(jìn)行（a）～（c）步驟直至接收到全部數(shù)據(jù)或USB主機(jī)結(jié)束傳輸。如果USB控制器檢測(cè)到短包中斷或零字節(jié)包，或者出現(xiàn)等待超時(shí)，則停止DMA傳送，并轉(zhuǎn)（d）步驟執(zhí)行。
(d) 向USB主機(jī)發(fā)送一個(gè)零字節(jié)包，完成控制狀態(tài)步驟。
（5） 釋放端口信號(hào)量。
（6） 返回接收到的字節(jié)數(shù)或錯(cuò)誤信息。
5、USB_write（）-- 對(duì)USB端口進(jìn)行寫(xiě)操作
USB_write函數(shù)允許USB應(yīng)用程序?qū)憯?shù)據(jù)到輸入端口或控制端口。
執(zhí)行寫(xiě)調(diào)用的典型步驟為：
（1） 確認(rèn)端口號(hào)、類(lèi)型和方向。
（2） 確認(rèn)端口處于打開(kāi)狀態(tài)。
（3） 獲取端口信號(hào)量，避免多次調(diào)用。
（4） 調(diào)用writeDMA( )進(jìn)行DMA寫(xiě)操作。函數(shù)內(nèi)執(zhí)行步驟為：
(a) DMA將內(nèi)存數(shù)據(jù)傳送到目標(biāo)端口的FIFO，并等待DMA完成中斷。
(b) 若從接收FIFO接收到USB主機(jī)的一個(gè)零字節(jié)包，或者出現(xiàn)等待超時(shí)，則退出并返回傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。
(c) 重復(fù)執(zhí)行（a）～（c）步驟直至全部數(shù)據(jù)傳輸完畢時(shí)，轉(zhuǎn)（d）步驟執(zhí)行。
(d) 強(qiáng)制向USB主機(jī)發(fā)送最后的零字節(jié)包或短包用來(lái)結(jié)束傳輸過(guò)程。
（5） 如果是控制端口，等待來(lái)自USB主機(jī)的零字節(jié)包，完成控制狀態(tài)步驟。
（6） 釋放端口信號(hào)量。
（7） 返回傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)或錯(cuò)誤信息。
6、USB_ioctl（）-- 對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行I/O控制操作
USB_ioctl函數(shù)設(shè)置端口狀態(tài)寄存器并執(zhí)行I/O端口控制功能。
USB應(yīng)用程序根據(jù)控制對(duì)象不同分別調(diào)用提供應(yīng)用程序控制USB接口的能力的controlIoctl()和epIoctl()函數(shù)。controlIoctl()函數(shù)執(zhí)行USB控制器整體I/O出控制功能。epIoctl()函數(shù)執(zhí)行個(gè)別USB端口的I/O控制功能。。
1) controlIoctl( ) -- 控制器控制函數(shù)
controlIoctl()函數(shù)對(duì)USB控制器進(jìn)行控制操作。執(zhí)行I/O功能之前獲取USB控制器信號(hào)量，避免多次調(diào)用影響正在傳輸數(shù)據(jù)的端口。完成I/O操作后釋放信號(hào)量。
USB控制器應(yīng)支持的控制功能包括：
·支持遠(yuǎn)程喚醒功能。
·設(shè)置USB端口進(jìn)入/退出掛起狀態(tài)。
·復(fù)位USB端口。
·設(shè)置USB控制器消息隊(duì)列等待超時(shí)。
·為DMA選擇端口FIFO。
·允許/禁止可選中斷。
·讀取幀時(shí)間戳起始位。
·進(jìn)行枚舉測(cè)試。
·返回接口、備用接口和當(dāng)前USB端口配置狀態(tài)。
2) epIoctl() -- 端口控制函數(shù)
epIoctl()函數(shù)對(duì)端口進(jìn)行控制操作。執(zhí)行I/O功能之前獲取USB控制器信號(hào)量，避免多次調(diào)用影響正在傳輸數(shù)據(jù)的端口。完成I/O操作后釋放信號(hào)量。
端口應(yīng)支持的控制功能包括：
（1） 獲得USB端口狀態(tài)。
（2） 設(shè)置USB端口進(jìn)入/退出阻塞狀態(tài)。
（3） 設(shè)置USB端口消息隊(duì)列等待超時(shí)。
USB中斷服務(wù)程序
USB控制器產(chǎn)生單一中斷，多個(gè)端口共享。每個(gè)端口產(chǎn)生ACK、NACK/ERROR中斷。輸出端口產(chǎn)生接收零字節(jié)包或短包中斷。控制端口0接收設(shè)置包時(shí)產(chǎn)生中斷。USB控制器產(chǎn)生USB事件中斷，如幀起始（SOF）、掛起、恢復(fù)和復(fù)位。
USB中斷服務(wù)程序執(zhí)行下列步驟：
（1） 識(shí)別發(fā)生了USB中斷的類(lèi)型。
（2） 清除中斷產(chǎn)生的條件。
（3） 讀USB狀態(tài)寄存器，獲取當(dāng)前配置、接口或幀起始時(shí)間戳狀態(tài)信息。
（4） 向USB控制器消息隊(duì)列或回調(diào)函數(shù)的接收消息隊(duì)列發(fā)送一條消息。
USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序
USB驅(qū)動(dòng)器初始化后，啟動(dòng)USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序負(fù)責(zé)處理枚舉過(guò)程和異步USB事件。
事件處理程序使用控制端口0，直到完成枚舉過(guò)程。當(dāng)USB應(yīng)用程序處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，除控制端口0以外端口均不可訪問(wèn)。事件處理程序在端口0上執(zhí)行控制操作，響應(yīng)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，并負(fù)責(zé)通知USB應(yīng)用程序枚舉完成和接口活動(dòng)狀態(tài)，USB事件通過(guò)回調(diào)接口傳遞到USB外設(shè)應(yīng)用程序。當(dāng)對(duì)USB端口枚舉操作完成，USB應(yīng)用程序就可打開(kāi)并使用USB端口。
處理一個(gè)USB任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程為：
（1） 讀取USB控制器消息隊(duì)列。
（2） 如果接收到設(shè)置包，則調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理函數(shù)。
（3） 如果接收到事件，則調(diào)用USB事件處理函數(shù)。
（4） 確定當(dāng)前狀態(tài)和有效配置/接口。
（5） 更新USB控制器和端口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
（6） 重復(fù)（1）～（5）步驟。
USB回調(diào)接口程序
回調(diào)應(yīng)用程序接口是向應(yīng)用程序提供反饋信息的一種接口，包括向應(yīng)用程序通知USB事件的消息，如復(fù)位、配置改變、接口改變、掛起、恢復(fù)和幀起始。使用USB的應(yīng)用程序要以下列方式回應(yīng)這些消息：
（1） 復(fù)位 關(guān)閉端口，等待枚舉測(cè)試。
（2） 配置改變 關(guān)閉端口，按新配置打開(kāi)端口。
（3） 接口改變 關(guān)閉端口，從新接口打開(kāi)端口。
（4） 掛起 進(jìn)入低功耗模式。
（5） 恢復(fù) 退出低功耗模式。
（6） 幀起始 執(zhí)行應(yīng)用程序規(guī)定的處理。
總結(jié)
本文提供了進(jìn)行USB端口Bulk模式驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)在USB接口設(shè)備與Host主機(jī)之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于嵌入式環(huán)境以及windows多線程環(huán)境下的USB設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸同樣適用。