引 言

通用串行總線(universal setial bus)是一種計(jì)算機(jī)外圍串行通信接口，具有高速數(shù)據(jù)傳輸、熱插拔、即插即用(PnP)、成本低等特點(diǎn)。隨著USB規(guī)范的日趨完善和成熟，測(cè)量?jī)x器中也已經(jīng)開始使用LISB作為其標(biāo)準(zhǔn)的外圍接口。VxWorks操作系統(tǒng)以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性在儀器儀表領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文針對(duì)Vx-works操作系統(tǒng)下最新的USB 2.O驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了分析，為基于VxWorks的儀器儀表使用USB 2.0總線提供了技術(shù)參考，并結(jié)合作者開發(fā)某儀器過程中遇到的問題，給出了使用注意事項(xiàng)。

1 USB 2.0驅(qū)動(dòng)程序模型結(jié)構(gòu)

USB體系結(jié)構(gòu)是基于主從結(jié)構(gòu)的，USB的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)指的是主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)程序。圖1給出了VxWorks操作系統(tǒng)下USB主驅(qū)動(dòng)棧各模塊之間的功能關(guān)系。

在棧最底層的是硬件：USB主控制器(USB host con-troller)，USB主控制器在嵌入式主機(jī)系統(tǒng)中控制USB，實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能。目前，USB控制器主要有3類：

(1)(UHCI，universal host controlle interface)通用的主控制器，由Intel最先設(shè)計(jì)并制定相應(yīng)規(guī)范;

(2)(OHCI，open host controller interface)開放的主控制器，由Microsoft，C2ompaq和National Semicondtlctor最先設(shè)計(jì)并制定相應(yīng)規(guī)范;

(3)(EHCI，enhanced host controller interface)增強(qiáng)的主控制器，該控制器支持USB2.O。

每一主控制器在其上都有相對(duì)應(yīng)的主控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)，這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與底層的硬件相關(guān)，為上層提供統(tǒng)一的功能接口。

USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)(USBD)與底層硬件無關(guān)，通過HCD與底層控制器通信。USBD管理連接到主機(jī)上的每一個(gè)USB連接，并提供高層與USB設(shè)備通信的通道。除此之外，USB[)還自動(dòng)對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行電源管理和分配帶寬。在USB系統(tǒng)中，集線器(HUB)對(duì)USB系統(tǒng)的正常操作起到關(guān)鍵性作用，因此USBD直接對(duì)集線器進(jìn)行控制。這就意味著USBD還具有控制USB設(shè)備和集線器動(dòng)態(tài)插拔的能力。

在主機(jī)棧的最頂層是USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序依賴USBD提供的通信通道，驅(qū)動(dòng)連接到USB系統(tǒng)中的USB設(shè)備。

OSAL為L(zhǎng)JSB主機(jī)棧提供了與VxWorks操作系統(tǒng)相關(guān)的操作，包括任務(wù)管理、互斥及信號(hào)燈、內(nèi)存分配以及系統(tǒng)時(shí)鐘。

通過圖1的結(jié)構(gòu)，可以看出USB主機(jī)棧的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)(USBD)的設(shè)計(jì)，USBD為USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供標(biāo)準(zhǔn)的USBD API;為主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)提供HCDAPI。

2 USB主機(jī)棧啟動(dòng)過程

USB主機(jī)棧的啟動(dòng)分為3步：

(1)初始化LJSB主機(jī)驅(qū)動(dòng)(USBD);

(2)加載USB主控制器驅(qū)動(dòng)(HCD);

(3)加載USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

集成開發(fā)環(huán)境(IDE)下可以通過工具進(jìn)行配置，其步驟如下所述：

(1)包含USB主機(jī)棧USB Host Stack組件，通過在工程中包含USB主機(jī)棧完成對(duì)USBD的支持。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行初始化需要包含USBHostStack Init組件;

(2)包含主機(jī)控制器(HC)，根據(jù)具體設(shè)計(jì)選用相應(yīng)的控制器。一般在嵌入式模塊的手冊(cè)中都有其模塊控制器的類別。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)主機(jī)控制器進(jìn)行初始化需要包含相應(yīng)控制器的初始化組件;

(3)包含設(shè)備驅(qū)動(dòng)，根據(jù)設(shè)計(jì)的需求選擇相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

通過上述配置生成的VxWorks系統(tǒng)中帶有USB主機(jī)棧，可以完成USB2.0主機(jī)功能。3 USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)(USBD)分析

在使用USBD提供的接口之前，首先需要對(duì)USBD進(jìn)行初始化，USBD的初始化分為3步，其步驟如下：

(1)調(diào)用USBD的入口函數(shù)lasbdInit()，usbdInit初始化USBD用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);

(2)調(diào)用13SB集線器(HUB)的初始化函數(shù)lasbHu-blnit()，初始化集線器驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);

(3)使用函數(shù)usbHCDlnit()掛接相應(yīng)的主機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

對(duì)于每一個(gè)掛接到USBD上的主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，集線器驅(qū)動(dòng)程序都會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)先級(jí)為100的任務(wù)來監(jiān)視USB總線上的事件。這個(gè)任務(wù)一直處于睡眠狀態(tài)，一旦集線器上的某一個(gè)端口狀態(tài)發(fā)生改變，該任務(wù)立即被激活。由于該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為100，可以立刻獲得資源變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)將總線狀態(tài)告知USBD。

USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)需要首先在USBD中注冊(cè)，USBD為每一個(gè)設(shè)備類維護(hù)著一個(gè)設(shè)備類結(jié)構(gòu)，它的定義如下：

當(dāng)USB設(shè)備插入或拔出USB系統(tǒng)時(shí)，集線器驅(qū)動(dòng)程序?qū)SB設(shè)備插入或拔出的信息通知USBD，USBD)根據(jù)得到設(shè)備信息(例如：設(shè)備類號(hào)，子類號(hào)，協(xié)議號(hào)等)查找設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序列表，查找到該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序后，調(diào)用USB設(shè)備的相應(yīng)函數(shù)，進(jìn)行設(shè)備的相應(yīng)操作。 當(dāng)一個(gè)設(shè)備類不在系統(tǒng)中使用時(shí)，通過撤銷函數(shù)來撤銷注冊(cè)，該操作的實(shí)質(zhì)是刪除相應(yīng)設(shè)備類的設(shè)備類結(jié)構(gòu)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的VxWorks操作系統(tǒng)下USB2.0驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)成功在國(guó)內(nèi)某高性能頻譜分析儀中使用，在使用過程中有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

(1)通過分析USB主機(jī)棧啟動(dòng)過程，可以對(duì)USB主機(jī)棧原理進(jìn)行研究;

(2)為考慮USB系統(tǒng)的可移植性，VxWorks提供的源程序并沒有基于平臺(tái)做處理。當(dāng)使用X86平臺(tái)時(shí)，需要修改相應(yīng)的PCI設(shè)置以適應(yīng)X86平臺(tái)下的PCI機(jī)制。具體方法：修改usbPciStub.c定義：

(3)在使用EHC時(shí)，一定要注意系統(tǒng)中使用的USBI.1的控制器是什么類型，并將相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序組件加到VxWorks的Image中。