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

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。

    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：

    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。

    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：

    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。


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：


    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。

    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。

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。

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：

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。

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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