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基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式USB控制软件的实现

2011年10月18日14:27:38 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
关键字:应用 通信 电源 

摘要:在此以杭州中天32位RISC CPU CK510为内核的HMl521_B芯片上,基于μC/OS-Ⅱ操作系统,实现对USB设备的读写控制。系统采用嵌入式USB主机控制软件的分层结构,着重阐述FAT32文件系统、USB设备枚举和BULK-ONLY传输的具体实现过程。为了节省硬件资源,放弃了USB协议中的繁文缛节,抓住协议核心,设计了精简高效的驱动程序。考虑到各种U盘的不同特性,增强了驱动兼容性方面的设计。整个阶段都由逻辑分析仪给出实测数据抓包截图。
关键词:嵌入式USB控制;FAT32文件系统;USB设备枚举;Bulk-only传输

0 引言
    2010年USB 3.0的正式推出象征USB传输极速时代的到来,但是嵌入式领域由于考虑成本等各方面因素很多仍采用USB 1.1协议。同时USB协议的主体框架并没有改变,因此研究USB 1.1协议在嵌入式系统上的实现对于USB 3.0协议的应用也是很好的铺垫。本文在以杭州中天32位RISC CPU CK510为内核的摩托罗拉HM1521_B芯片上,基于μC/OS-Ⅱ操作系统,实现对USB设备的读写控制。由于HM1521_B芯片只支持USB 1.1协议,所以本文实现的只是USB 1.1协议。USB是一种主从结构:主机Host和从机Device。所有的数据传输都由Host主动发起,而Device只是被动的负责应答。在USB OTG中,一个设备可以在Device和Host之间切换,用以实现设备与设备之间的连接,大大增加了USB的使用范围。但USBOTG依然没有脱离主从关系,设备之间必然有一个作为Host,另一个作为Device。标准的USB使用4根线,分别是5 V电源、差分数据线负(D-)、差分数据线正(D+)、地(GND)。USB的低速和全速模式采用电压传输,高速模式则采用电流传输。

1 USB控制软件的分层结构
    按照USB协议规范,USB运行首先是USB Host通过D+数据线上的电平变化检测USB Device的插入和拔出,Host和Device依据协议规定的顺序执行一系列信息交换,这称为枚举部分,也是所有USB主机都必须支持的功能。Host根据获得的Device信息判断该Device属于哪一类USB设备,并确定下一步选用哪个特定的程序加以支持。
    USB协议规定了HID(人机接口设备)类、Mass Storage(大容量存储设备,如U盘)类、音频类等各种设备类型。在嵌入式系统中,由于受系统性能和存储空间的限制,一般只能支持某几个类型。本文只支持Mass Storage类。

b.jpg


    图1是本文实现的USB Host控制软件的分层结构:应用层调用FAT32文件系统层的函数;文件系统层通过MassStorage UFI命令与存储设备建立联系,实现U盘上文件的建立和读写等一系列操作;较底层的是Mass Storage驱动模块,实现对U盘数据的读写功能。其主要函数包括:
a.jpg
    本文软件用C语言编程,并依赖μC/OS-Ⅱ操作系统提供的中断函数来调度各个函数的运行。

2 FAT32文件系统的实现
    文件系统的作用是对文件在介质上的存储进行管理,并为操作系统提供操作函数。若把U盘看成是以扇区为单位的逻辑盘(1扇区=512 B),当一个U盘被格式化成FAT32格式的分区后,它的结构形式图如图2所示。

c.jpg


    引导扇区(DOS Boot Record,DBR)存储了本分区的BPB(Bios Parameter Block)信息。主引导记录MBR(Master Boot Record)是物理上第一个扇区,绝对扇区号是0,它独立于任何一个分区。MBR的前446B是系统引导程序,接着的64个字节是分区表DPT(Disk Partition Table),较后两字节是扇区有效标志55 AA。初始化一个U盘的文件系统,很重要的一步就是填写引导扇区的过程。对有些关键字节进行分析如下所示:

e.jpg
    FAT32文件系统中,FAT表是一个数据表,以簇(cluster)的形式链式存放。当一个文件大于一簇(4个扇区)时,每簇中存放的数据便是文件存放的下一簇地址。直到遇到簇中的数据为“FF FF”时,才表示此文件已至尾簇。数据内容不连续地存放于数据区内。文件系统使用设备驱动提供的4个函数获取设备的状态信息以及实现对设备的读写。
    f.jpg

3 USB设备枚举的实现
    枚举就是从Deveice读取信息,通过设备描述符设备告诉Host是什么设备、如何进行通信,Host根据这些信息来加载合适的驱动程序。
3.1 枚举过程及实现
    USB是一种主从的结构,所有传输由Host来发起。当Host发起一次传输时,通常包括3个包(Packets)的传输。Host首先是发送一个Token Packet,包含本次传输的命令类型(Type)、方向(Direction)、设备的地址(Device Address)以及端点号(Endpoint);紧接着发送数据包(Da-ta Packet),包含要求Device返回描述符的命令数据;较后由Device返回握手信号包(handshake packet),正确返回(ACK)命令。
    USB Host检测到有Device插入后,进行总线复位。然后Host使用默认地址0读取设备描述符。获取设备描述符的USB设备请求命令结构体为:
    g.jpg
    h.jpg
    第1次读取设备描述符时,Host首先发送setup包;之后进入主机读取数据阶段,Host发送in包,Device返回一个18 B的设备描述符,可以用一个结构体将其读回。较后Host发送0 B的数据包作为状态相应,设备返回ACK作为应答。用逻辑分析仪抓包,3个包如图3所示。

m.jpg


    第1次读取设备描述符后,Host依次进行地址分配、第2次读取设备描述符、读取配置描述符、读取描述符集、设置配置、读取配置状态和读取接口状态,方法和第1次读取设备描述符的方法一样。
i.jpg
3.2 U盘兼容性
    在设备枚举阶段将会碰到很多关于U盘兼容性的问题。
    (1)总线复位时间。不同型号的U盘对于总线复位时间的要求是不同的,比如金士顿1 GB的U盘需要的复位时间至少280 ms。在实现中为保险起见,给予400 ms的复位时间。
    (2)有些U盘的端点0是8 B payload的,大多数是64 B。对于8 B payload的U盘,要严格从第1次获取设备描述符时返回的第8字节获取payload,否则尽管枚举过程仍然能通过,但是后面在分析32字节的配置描述符时候会出现问题,没有收到完整的配置描述符是分析不出端点1和端点2的地址以及端点payload的。
    (3)在枚举阶段获取字符串描述符的时候,要进行判断。因为有些U盘不支持返回字符串描述符,用if语句判断,如果获取不到字符串描述符就跳过,不要返回失败。

4 Bulk-only传输的实现
    枚举结束后是对块设备的读写。Bulk-Only传输规范是USB组织针对大容量存储设备制定的一种块存储类协议,它仅仅使用Bulk端点来传送数据/命令/状态。

l.jpg


    图4是数据/命令/状态在USB总线上的传输流程图。根据此图Bulk-only传输的状态可以定义为:空闲、CBW处理、数据输出(从Host向Device传输数据)、数据输入(从Device向Host传输数据)、CSW处理、管道阻塞等6种状态。在空闲状态下,接收到的数据包为CBW包;在数据输出状态下,接收到的数据包为Host期待写入Device的数据;在数据输入状态下,Host请求从Device读取数据,Device将向Host发送这些数据包;在CSW状态下,Device封装并发送CSW包以向Host返回状态信息。因此,任何Bulk-Only事务均是以Host向Device发送CBW包并试图建立相应的数据传输开始的;而Device接收到CBW包,进行检查并解释,试图满足Host的要求,并通过CSW向主机返回状态信息。以读一个逻辑块为例,填写一个CBW包的程序如下所示:

k.jpg
    逻辑分析仪抓包结果如图5所示。从抓包结果可以清晰的看出CBW包由31个字节组成。

n.jpg


    CBW包和CSW包正确收发后,Bulk-only传输就能顺利实现。完成对扇区的读写,文件系统的挂载。上层应用程序使用文件系统提供的API,操作底层设备,实现对文件的建立、读写、删除等操作。经测试本系统支持长文件名和超过2 GB容量的USB设备。本设计较终实现了在不同型号U盘上完成对长文件名文件的新建、读写以及删除操作。

5 结语
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