引言
通用串行總線（USB）是一種串行接口，具有自動配置能力和良好的兼容性，從而簡化了計算機與外設的連接，被計算機外設硬件制造商廣泛采納。USB總線標準由1.1版升級到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了480Mbps，更適宜于高速數據傳輸。USB設備支持打印機、掃描儀、數碼相機等外設時，由于這些外設與主機間傳輸的數據量大，要求驅動程序采用Bulk模式進行高速數據傳輸。
USB設備驅動的整體結構
USB設備驅動的整體結構包括如下五個主要部分：USB應用程序接口、USB設備驅動函數、USB中斷服務程序、USB回調接口程序、USB標準事件處理程序。
 圖1 USB設備驅動程序的整體結構 |
USB應用程序接口
USB應用程序接口主要功能是對USB驅動器進行軟硬件初始化、打開端口、關閉端口、讀端口、寫端口和端口控制操作。當設備驅動器裝入系統設備表時，I/O系統就調用該應用程序接口。
USB應用程序接口的一個例程所包含的函數：
·USB_init( ) -- USB端口驅動函數的安裝和初始化、硬件配置。
·USB_open( ) -- 打開USB端口。
·USB_close( ) -- 關閉USB端口。
·USB_read( ) -- 對USB端口進行讀操作。
·USB_write( ) -- 對USB端口進行寫操作。
·USB_ioctl( ) -- 對USB設備進行I/O控制操作。
USB設備驅動函數
1、USB_init（）-- 初始化USB端口
USB_init函數初始化特定USB端口驅動器，進行軟硬件配置。
初始化步驟如下：
（1） 將USB設備驅動器安裝到I/O系統設備表中。
（2） 獲取USB控制器使用的中斷號。
（3） 獲取各端口所需的系統資源，包括內存、信號量和消息隊列。
（4） 初始化USB驅動器數據結構與USB端口狀態寄存器。
（5） 啟動USB標準事件處理程序。
（6） 啟用控制端口0和USB中斷最小支持集。
2、USB_open（）-- 打開USB端口
USB_open函數允許應用程序打開一個USB端口，選擇DMA數據傳輸方式。
執行打開調用的典型步驟如下：
（1） 如果不是默認的控制端口0，要檢查端口狀態是否為"CONFIGURED"。
（2） 如果不允許多次打開，要確認端口還沒有打開。
（3） 確認端口對當前選擇的接口有效。
（4） 選擇DMA傳輸，設置DMA控制器使用該端口的FIFO作為目的地址。
（5） 設置端口為打開狀態。
3、USB_close（）-- 關閉USB端口
USB_close函數允許USB應用程序關閉一個端口，并關閉DMA通道。
執行關閉調用的典型步驟為：
（1） 關閉DMA通道，放棄端口對DMA控制器的使用。
（2） 設置端口為關閉狀態。
4、USB_read（）-- 對USB端口進行讀操作
USB_read函數允許USB應用程序從輸出端口或控制端口讀取數據。
調用讀函數的典型步驟為：
（1） 設置端口號、類型和方向。
（2） 確認端口處于打開狀態。
（3） 設置端口信號量，避免多次調用。
（4） 調用readDMA( ) 進行DMA寫操作。函數內執行步驟為：
(a) 啟動DMA從端口接收FIFO的讀操作，將數據從端口傳送到內存。
(b) 等待DMA完成中斷。（DMA中斷向端口消息隊列發送一條消息表示數據傳輸完成。）
(c) 重復進行（a）～（c）步驟直至接收到全部數據或USB主機結束傳輸。如果USB控制器檢測到短包中斷或零字節包，或者出現等待超時，則停止DMA傳送，并轉（d）步驟執行。
(d) 向USB主機發送一個零字節包，完成控制狀態步驟。
（5） 釋放端口信號量。
（6） 返回接收到的字節數或錯誤信息。
5、USB_write（）-- 對USB端口進行寫操作
USB_write函數允許USB應用程序寫數據到輸入端口或控制端口。
執行寫調用的典型步驟為：
（1） 確認端口號、類型和方向。
（2） 確認端口處于打開狀態。
（3） 獲取端口信號量，避免多次調用。
（4） 調用writeDMA( )進行DMA寫操作。函數內執行步驟為：
(a) DMA將內存數據傳送到目標端口的FIFO，并等待DMA完成中斷。
(b) 若從接收FIFO接收到USB主機的一個零字節包，或者出現等待超時，則退出并返回傳輸的字節數。
(c) 重復執行（a）～（c）步驟直至全部數據傳輸完畢時，轉（d）步驟執行。
(d) 強制向USB主機發送最后的零字節包或短包用來結束傳輸過程。
（5） 如果是控制端口，等待來自USB主機的零字節包，完成控制狀態步驟。
（6） 釋放端口信號量。
（7） 返回傳輸的字節數或錯誤信息。
6、USB_ioctl（）-- 對USB設備進行I/O控制操作
USB_ioctl函數設置端口狀態寄存器并執行I/O端口控制功能。
USB應用程序根據控制對象不同分別調用提供應用程序控制USB接口的能力的controlIoctl()和epIoctl()函數。controlIoctl()函數執行USB控制器整體I/O出控制功能。epIoctl()函數執行個別USB端口的I/O控制功能。。
1) controlIoctl( ) -- 控制器控制函數
controlIoctl()函數對USB控制器進行控制操作。執行I/O功能之前獲取USB控制器信號量，避免多次調用影響正在傳輸數據的端口。完成I/O操作后釋放信號量。
USB控制器應支持的控制功能包括：
·支持遠程喚醒功能。
·設置USB端口進入/退出掛起狀態。
·復位USB端口。
·設置USB控制器消息隊列等待超時。
·為DMA選擇端口FIFO。
·允許/禁止可選中斷。
·讀取幀時間戳起始位。
·進行枚舉測試。
·返回接口、備用接口和當前USB端口配置狀態。
2) epIoctl() -- 端口控制函數
epIoctl()函數對端口進行控制操作。執行I/O功能之前獲取USB控制器信號量，避免多次調用影響正在傳輸數據的端口。完成I/O操作后釋放信號量。
端口應支持的控制功能包括：
（1） 獲得USB端口狀態。
（2） 設置USB端口進入/退出阻塞狀態。
（3） 設置USB端口消息隊列等待超時。
USB中斷服務程序
USB控制器產生單一中斷，多個端口共享。每個端口產生ACK、NACK/ERROR中斷。輸出端口產生接收零字節包或短包中斷。控制端口0接收設置包時產生中斷。USB控制器產生USB事件中斷，如幀起始（SOF）、掛起、恢復和復位。
USB中斷服務程序執行下列步驟：
（1） 識別發生了USB中斷的類型。
（2） 清除中斷產生的條件。
（3） 讀USB狀態寄存器，獲取當前配置、接口或幀起始時間戳狀態信息。
（4） 向USB控制器消息隊列或回調函數的接收消息隊列發送一條消息。
USB標準事件處理程序
USB驅動器初始化后，啟動USB標準事件處理程序負責處理枚舉過程和異步USB事件。
事件處理程序使用控制端口0，直到完成枚舉過程。當USB應用程序處于非活動狀態時，除控制端口0以外端口均不可訪問。事件處理程序在端口0上執行控制操作，響應USB標準請求，并負責通知USB應用程序枚舉完成和接口活動狀態，USB事件通過回調接口傳遞到USB外設應用程序。當對USB端口枚舉操作完成，USB應用程序就可打開并使用USB端口。
處理一個USB任務的執行過程為：
（1） 讀取USB控制器消息隊列。
（2） 如果接收到設置包，則調用標準請求處理函數。
（3） 如果接收到事件，則調用USB事件處理函數。
（4） 確定當前狀態和有效配置/接口。
（5） 更新USB控制器和端口數據結構。
（6） 重復（1）～（5）步驟。
USB回調接口程序
回調應用程序接口是向應用程序提供反饋信息的一種接口，包括向應用程序通知USB事件的消息，如復位、配置改變、接口改變、掛起、恢復和幀起始。使用USB的應用程序要以下列方式回應這些消息：
（1） 復位 關閉端口，等待枚舉測試。
（2） 配置改變 關閉端口，按新配置打開端口。
（3） 接口改變 關閉端口，從新接口打開端口。
（4） 掛起 進入低功耗模式。
（5） 恢復 退出低功耗模式。
（6） 幀起始 執行應用程序規定的處理。
總結
本文提供了進行USB端口Bulk模式驅動程序設計的過程，實現在USB接口設備與Host主機之間進行高速數據傳輸，對于嵌入式環境以及windows多線程環境下的USB設備的高速數據傳輸同樣適用。