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(jì)算機(jī)與外設(shè)的連接，被計(jì)算機(jī)外設(shè)硬件制造商廣泛采納。USB總線標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)傳輸。USB設(shè)備支持打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)時(shí)，由于這些外設(shè)與主機(jī)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，要求驅(qū)動程序采用Bulk模式進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　USB設(shè)備驅(qū)動的整體結(jié)構(gòu)

　　USB設(shè)備驅(qū)動的整體結(jié)構(gòu)包括如下五個(gè)主要部分：USB應(yīng)用程序接口、USB設(shè)備驅(qū)動函數(shù)、USB中斷服務(wù)程序、USB回調(diào)接口程序、USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序。

　　USB應(yīng)用程序接口

　　USB應(yīng)用程序接口主要功能是對USB驅(qū)動器進(jìn)行軟硬件初始化、打開端口、關(guān)閉端口、讀端口、寫端口和端口控制操作。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動器裝入系統(tǒng)設(shè)備表時(shí)，I/O系統(tǒng)就調(diào)用該應(yīng)用程序接口。

　　USB應(yīng)用程序接口的一個(gè)例程所包含的函數(shù)：
　　·USB_init( ) -- USB端口驅(qū)動函數(shù)的安裝和初始化、硬件配置。
　　·USB_open( ) -- 打開USB端口。
　　·USB_close( ) -- 關(guān)閉USB端口。
　　·USB_read( ) -- 對USB端口進(jìn)行讀操作。
　　·USB_write( ) -- 對USB端口進(jìn)行寫操作。
　　·USB_ioctl( ) -- 對USB設(shè)備進(jìn)行I/O控制操作。
　　USB設(shè)備驅(qū)動函數(shù)
　　1、USB_init（）-- 初始化USB端口
　　USB_init函數(shù)初始化特定USB端口驅(qū)動器，進(jìn)行軟硬件配置。
　　初始化步驟如下：
　　（1） 將USB設(shè)備驅(qū)動器安裝到I/O系統(tǒng)設(shè)備表中。
　?。?/SPAN>2） 獲取USB控制器使用的中斷號。
　?。?/SPAN>3） 獲取各端口所需的系統(tǒng)資源，包括內(nèi)存、信號量和消息隊(duì)列。
　?。?/SPAN>4） 初始化USB驅(qū)動器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與USB端口狀態(tài)寄存器。
　?。?/SPAN>5） 啟動USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序。
　?。?/SPAN>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(shù)允許應(yīng)用程序打開一個(gè)USB端口，選擇DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。

　　執(zhí)行打開調(diào)用的典型步驟如下：

　?。?/SPAN>1） 如果不是默認(rèn)的控制端口0，要檢查端口狀態(tài)是否為"CONFIGURED"。

　　（2） 如果不允許多次打開，要確認(rèn)端口還沒有打開。

　?。?/SPAN>3） 確認(rèn)端口對當(dāng)前選擇的接口有效。

　?。?/SPAN>4） 選擇DMA傳輸，設(shè)置DMA控制器使用該端口的FIFO作為目的地址。

　?。?/SPAN>5） 設(shè)置端口為打開狀態(tài)。

　　3、USB_close（）-- 關(guān)閉USB端口

　　USB_close函數(shù)允許USB應(yīng)用程序關(guān)閉一個(gè)端口，并關(guān)閉DMA通道。

　　執(zhí)行關(guān)閉調(diào)用的典型步驟為：

　?。?/SPAN>1） 關(guān)閉DMA通道，放棄端口對DMA控制器的使用。

　　（2） 設(shè)置端口為關(guān)閉狀態(tài)。

　　4、USB_read（）-- 對USB端口進(jìn)行讀操作

　　USB_read函數(shù)允許USB應(yīng)用程序從輸出端口或控制端口讀取數(shù)據(jù)。

　　調(diào)用讀函數(shù)的典型步驟為：

　?。?/SPAN>1） 設(shè)置端口號、類型和方向。

　　（2） 確認(rèn)端口處于打開狀態(tài)。

　　（3） 設(shè)置端口信號量，避免多次調(diào)用。

　?。?/SPAN>4） 調(diào)用readDMA( ) 進(jìn)行DMA寫操作。函數(shù)內(nèi)執(zhí)行步驟為：

　　　(a) 啟動DMA從端口接收FIFO的讀操作，將數(shù)據(jù)從端口傳送到內(nèi)存。

　　　(b) 等待DMA完成中斷。（DMA中斷向端口消息隊(duì)列發(fā)送一條消息表示數(shù)據(jù)傳輸完成。）

　　　(c) 重復(fù)進(jìn)行（a）～（c）步驟直至接收到全部數(shù)據(jù)或USB主機(jī)結(jié)束傳輸。如果USB控制器檢測到短包中斷或零字節(jié)包，或者出現(xiàn)等待超時(shí)，則停止DMA傳送，并轉(zhuǎn)（d）步驟執(zhí)行。

　　　(d) 向USB主機(jī)發(fā)送一個(gè)零字節(jié)包，完成控制狀態(tài)步驟。

　?。?/SPAN>5） 釋放端口信號量。

　?。?/SPAN>6） 返回接收到的字節(jié)數(shù)或錯(cuò)誤信息。

　　5、USB_write（）-- 對USB端口進(jìn)行寫操作

　　USB_write函數(shù)允許USB應(yīng)用程序寫數(shù)據(jù)到輸入端口或控制端口。

　　執(zhí)行寫調(diào)用的典型步驟為：

　?。?/SPAN>1） 確認(rèn)端口號、類型和方向。
　
　?。?/SPAN>2） 確認(rèn)端口處于打開狀態(tài)。

　?。?/SPAN>3） 獲取端口信號量，避免多次調(diào)用。

　?。?/SPAN>4） 調(diào)用writeDMA( )進(jìn)行DMA寫操作。函數(shù)內(nèi)執(zhí)行步驟為：

　　　(a) DMA將內(nèi)存數(shù)據(jù)傳送到目標(biāo)端口的FIFO，并等待DMA完成中斷。

　　　(b) 若從接收FIFO接收到USB主機(jī)的一個(gè)零字節(jié)包，或者出現(xiàn)等待超時(shí)，則退出并返回傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。

　　　(c) 重復(fù)執(zhí)行（a）～（c）步驟直至全部數(shù)據(jù)傳輸完畢時(shí)，轉(zhuǎn)（d）步驟執(zhí)行。

　　　(d) 強(qiáng)制向USB主機(jī)發(fā)送最后的零字節(jié)包或短包用來結(jié)束傳輸過程。

　?。?/SPAN>5） 如果是控制端口，等待來自USB主機(jī)的零字節(jié)包，完成控制狀態(tài)步驟。

　?。?/SPAN>6） 釋放端口信號量。

　?。?/SPAN>7） 返回傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)或錯(cuò)誤信息。

　　6、USB_ioctl（）-- 對USB設(shè)備進(jìn)行I/O控制操作

　　USB_ioctl函數(shù)設(shè)置端口狀態(tài)寄存器并執(zhí)行I/O端口控制功能。

　　USB應(yīng)用程序根據(jù)控制對象不同分別調(diào)用提供應(yīng)用程序控制USB接口的能力的controlIoctl()和epIoctl()函數(shù)。controlIoctl()函數(shù)執(zhí)行USB控制器整體I/O出控制功能。epIoctl()函數(shù)執(zhí)行個(gè)別USB端口的I/O控制功能。。

　　1) controlIoctl( ) -- 控制器控制函數(shù)

　　controlIoctl()函數(shù)對USB控制器進(jìn)行控制操作。執(zhí)行I/O功能之前獲取USB控制器信號量，避免多次調(diào)用影響正在傳輸數(shù)據(jù)的端口。完成I/O操作后釋放信號量。

　　USB控制器應(yīng)支持的控制功能包括：

　　·支持遠(yuǎn)程喚醒功能。

　　·設(shè)置USB端口進(jìn)入/退出掛起狀態(tài)。

　　·復(fù)位USB端口。

　　·設(shè)置USB控制器消息隊(duì)列等待超時(shí)。

　　·為DMA選擇端口FIFO。

　　·允許/禁止可選中斷。

　　·讀取幀時(shí)間戳起始位。

　　·進(jìn)行枚舉測試。

　　·返回接口、備用接口和當(dāng)前USB端口配置狀態(tài)。

　　2) epIoctl() -- 端口控制函數(shù)

　　epIoctl()函數(shù)對端口進(jìn)行控制操作。執(zhí)行I/O功能之前獲取USB控制器信號量，避免多次調(diào)用影響正在傳輸數(shù)據(jù)的端口。完成I/O操作后釋放信號量。

　　端口應(yīng)支持的控制功能包括：

　?。?/SPAN>1） 獲得USB端口狀態(tài)。

　?。?/SPAN>2） 設(shè)置USB端口進(jìn)入/退出阻塞狀態(tài)。

　　（3） 設(shè)置USB端口消息隊(duì)列等待超時(shí)。



　　USB中斷服務(wù)程序

　　USB控制器產(chǎn)生單一中斷，多個(gè)端口共享。每個(gè)端口產(chǎn)生ACK、NACK/ERROR中斷。輸出端口產(chǎn)生接收零字節(jié)包或短包中斷?？刂贫丝?/SPAN>0接收設(shè)置包時(shí)產(chǎn)生中斷。USB控制器產(chǎn)生USB事件中斷，如幀起始（SOF）、掛起、恢復(fù)和復(fù)位。

　　USB中斷服務(wù)程序執(zhí)行下列步驟：

　?。?/SPAN>1） 識別發(fā)生了USB中斷的類型。

　?。?/SPAN>2） 清除中斷產(chǎn)生的條件。

　?。?/SPAN>3） 讀USB狀態(tài)寄存器，獲取當(dāng)前配置、接口或幀起始時(shí)間戳狀態(tài)信息。

　?。?/SPAN>4） 向USB控制器消息隊(duì)列或回調(diào)函數(shù)的接收消息隊(duì)列發(fā)送一條消息。

　　USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序

　　USB驅(qū)動器初始化后，啟動USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序負(fù)責(zé)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(dāng)USB應(yīng)用程序處于非活動狀態(tài)時(shí)，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(zhí)行控制操作，響應(yīng)USB標(biāo)準(zhǔn)請求，并負(fù)責(zé)通知USB應(yīng)用程序枚舉完成和接口活動狀態(tài)，USB事件通過回調(diào)接口傳遞到USB外設(shè)應(yīng)用程序。當(dāng)對USB端口枚舉操作完成，USB應(yīng)用程序就可打開并使用USB端口。

　　處理一個(gè)USB任務(wù)的執(zhí)行過程為：

　?。?/SPAN>1） 讀取USB控制器消息隊(duì)列。

　?。?/SPAN>2） 如果接收到設(shè)置包，則調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)請求處理函數(shù)。

　?。?/SPAN>3） 如果接收到事件，則調(diào)用USB事件處理函數(shù)。

　?。?/SPAN>4） 確定當(dāng)前狀態(tài)和有效配置/接口。

　?。?/SPAN>5） 更新USB控制器和端口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　?。?/SPAN>6） 重復(fù)（1）～（5）步驟。

　　USB回調(diào)接口程序

　　回調(diào)應(yīng)用程序接口是向應(yīng)用程序提供反饋信息的一種接口，包括向應(yīng)用程序通知USB事件的消息，如復(fù)位、配置改變、接口改變、掛起、恢復(fù)和幀起始。使用USB的應(yīng)用程序要以下列方式回應(yīng)這些消息：

　?。?/SPAN>1） 復(fù)位 關(guān)閉端口，等待枚舉測試。

　　（2） 配置改變 關(guān)閉端口，按新配置打開端口。

　?。?/SPAN>3） 接口改變 關(guān)閉端口，從新接口打開端口。

　?。?/SPAN>4） 掛起 進(jìn)入低功耗模式。

　　（5） 恢復(fù) 退出低功耗模式。

　　（6） 幀起始 執(zhí)行應(yīng)用程序規(guī)定的處理。

　　總結(jié)

　　本文提供了進(jìn)行USB端口Bulk模式驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的過程，實(shí)現(xiàn)在USB接口設(shè)備與Host主機(jī)之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，對于嵌入式環(huán)境以及windows多線程環(huán)境下的USB設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸同樣適用