USB设备的Bulk模式驱动程序设计

USB设备的Bulk模式驱动程序设计

　　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。

图1 USB设备驱动程序的整体结构

　　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