內(nèi)容摘要：USB（Universal Serial Bus）是目前應(yīng)用非常廣泛的一種總線(xiàn)形式。其即插即用、熱插拔、接口體積小巧等優(yōu)點(diǎn)給計(jì)算機(jī)外設(shè)連接技術(shù)帶來(lái)重大變革。μCOS-II 是一個(gè)源碼公開(kāi)、完整的、可移植、可固化、可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以方便地移植到多種微處理器上。以在新太科技實(shí)際工作中的LPC2378讀卡器為例，詳細(xì)介紹μCOS-II 中USB 主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

μC/OS-II 是美國(guó)學(xué)者Lacrosse 設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其代碼絕大部分用ANSIC語(yǔ)言編寫(xiě)，可用于8 位、16 位、32 位、甚至64 位微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等，具有操作系統(tǒng)最基本最核心的功能，非常適于在小型系統(tǒng)和片上系統(tǒng)（SOC）中使用。USB 為個(gè)人電腦與嵌入式設(shè)備之間的連接提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化、單一化的接口，其高效性和可靠性使得它已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)的首選接口。此LPC2378 讀卡器具有卡票檢測(cè)、消費(fèi)扣錢(qián)、系統(tǒng)升級(jí)、下發(fā)黑名單、在線(xiàn)充值、余額查詢(xún)等功能，但這些功能的實(shí)現(xiàn)都依賴(lài)于上位機(jī)的請(qǐng)求，業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊只有在獲得相應(yīng)的請(qǐng)求后才能進(jìn)行相應(yīng)的處理并將處理結(jié)果返回給上位機(jī)。而USB 主機(jī)系統(tǒng)就是起銜接上位機(jī)和業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊的功能，接收上位機(jī)請(qǐng)求以及將業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊的結(jié)果返回給上位機(jī)。

1 構(gòu)建μC/OS-II系統(tǒng)環(huán)境

1.1 移植μC/OS-II 到LPC2378 開(kāi)發(fā)板

嵌入式操作系統(tǒng)作為大多數(shù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，它管理著系統(tǒng)的資源，為應(yīng)用軟件提供各種必要的服務(wù)。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中使用嵌入式系統(tǒng)，可以提升嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，但是在得到嵌入式操作系統(tǒng)提供服務(wù)之前，關(guān)鍵是要將嵌入式操作系統(tǒng)移植到目標(biāo)板上。

移植條件：

移植μC/OS-II 之前需要注意，目標(biāo)處理器必須滿(mǎn)足以下五點(diǎn)要求：

1. 處理器的C 編譯器能產(chǎn)生可重入型代碼；2. 處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷（通常為10-100Hz）；3. 用C 語(yǔ)言可以開(kāi)/關(guān)中斷；4. 處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件堆棧（可能是幾KB）；5. 處理器有將堆棧指針以及其他CPU 寄存器的內(nèi)容讀出并保存到堆?；騼?nèi)存中去的指令。

LPC2378 系列ARM7 微控制器可以滿(mǎn)第2、4 和5 點(diǎn)要求，使用ADS 的C 編譯器可以滿(mǎn)足1 和3 點(diǎn)要求。

移植步驟：

OS_CPU.H 的移植：

在OS_CPU.H 文件中定義與處理器相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，例如BOOLEAN,INT8U 和INT8S 等。根據(jù)ADS1.2編譯器的特性定義。在OS_CPU.H 文件中定義與處理器相關(guān)的宏， 主要是進(jìn)出臨界區(qū)代碼OS_ENTRER_CRITICAL（）、OS_EXIT_CRITICAL（）。

將OS_ENTRER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）定義為軟件中斷函數(shù)，所以還要編寫(xiě)相應(yīng)的軟件中斷處理代碼（可以在OS_CPU_C.C 文件中編寫(xiě)）實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)中斷。同樣定義OS_TASK_SW（）為軟件中斷函數(shù)，并編寫(xiě)相應(yīng)的軟件中斷處理代碼（調(diào)用OS_INTCtxSw 函數(shù)）實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。

OS_CPU_C.C 的移植：

在OS_CPU_C.C 中需要編寫(xiě)10 個(gè)相關(guān)的函數(shù)，為：OSTaskStkInit（）；OSTaskDellHook（）；OSTaskIdleHook （）；OSTaskTickHook（）等函數(shù)。其中9 個(gè)系統(tǒng)Hook函數(shù)可以為空函數(shù)，也可以根據(jù)用戶(hù)自己的需要編寫(xiě)相應(yīng)的操作代碼。任務(wù)棧結(jié)構(gòu)初始化函數(shù)OSTaskStkInit（）必須根據(jù)移植時(shí)統(tǒng)一定義的任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化。

OS_CUP_A.ASM 的移植。

μC/OS-II 移植要求編寫(xiě)的匯編語(yǔ)言函數(shù)為：

OSStartHightRdy（）；OSCtxSw（）；OSIntCtxSw（）；OS_TickISR（）。當(dāng)然這些程序不一定非得用匯編，也可以用嵌入式C 語(yǔ)言來(lái)完成。

至此，完成μC/OS-II 在ARM7 處理器LPC2378上代碼的移植，其大部分代碼與μC/OS-II 在其他ARM7 處理器上的移植是通用的。

1.2 USB 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

μC/OS-II 提供了多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核。在應(yīng)用這個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)候，用戶(hù)通常需要自己編寫(xiě)基于μC/OS-II 的外圍器件驅(qū)動(dòng)程序，以使外圍器件能在操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下更好的為用戶(hù)服務(wù)。為了使軟件可移植性強(qiáng)，易維護(hù)，采用分層的方法編寫(xiě)USB 的驅(qū)動(dòng)程序。綜合考慮USB 協(xié)議、USB 硬件接線(xiàn)、μC/OS-II的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分層，下表所列為USB 驅(qū)動(dòng)程序分層結(jié)構(gòu)。

1.2.1 USB 硬件抽象層。

USB 硬件抽象層的主要任務(wù)是對(duì)USB 模塊的相關(guān)硬件進(jìn)行配置，是USB 驅(qū)動(dòng)程序的最底層與具體硬件相關(guān)的一層。主要完成的任務(wù)：初始化USB 設(shè)備控制器為系統(tǒng)配置USB 時(shí)鐘控制器，選擇信號(hào)映射端口（在LPC 系列中只有LPC2378 有此功能），配置電源；配置USB 設(shè)備控制器中斷，此系統(tǒng)禁止了同步傳輸幀中斷，使端點(diǎn)處于低優(yōu)先級(jí)中斷；以及配置軟件控制接連、斷開(kāi)和重新連接USB 功能的相關(guān)寄存器。

1.2.2 USB 命令接口層。

USB 命令接口層是在USB 硬件的角度來(lái)描述USB 的具體功能是獨(dú)立于操作系統(tǒng)之外的，也是協(xié)議層和驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。USB 命令接口層函數(shù)基本是和具體的USB 寄存器相關(guān)的，通過(guò)操作寄存器完成相應(yīng)的功能。

1.2.3 USB 協(xié)議層。

USB 協(xié)議層主要由 Descriptor.c 和Chap_9.c 文件組成。在Descriptor.c 定義了各描述符，是在USB 硬件的基礎(chǔ)上描述此讀卡器的USB 模塊，分別為：設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符。這些描述符也是上位機(jī)枚舉、識(shí)別讀卡器USB 模塊的媒介。而Chap_9.c 就是上位機(jī)枚舉讀卡器USB 模塊時(shí)USB 模塊回饋上位機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)，其中大部分函數(shù)都是依賴(lài)于USB 命令接口層。

1.2.4 USB 驅(qū)動(dòng)層。

USB 驅(qū)動(dòng)層是屬于USB 驅(qū)動(dòng)程序中最上層的是與μC/OS-II 系統(tǒng)聯(lián)系最緊密的一層。在其他各層的基礎(chǔ)上從系統(tǒng)的角度描述了USB 通信功能，是與操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序直接聯(lián)系的一層。包括系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初始化USB 硬件的接口以及等待接收主機(jī)枚舉過(guò)程發(fā)送的SETUP 包等函數(shù)的接口。其中USB 端點(diǎn)的讀寫(xiě)函數(shù)USB_ReadPort（INT8U endp, INT32U eppsize,INT8U buffnums,CTRL_USB *pUsb, INT32U len,INT8U *recbuff, INT16U timeout） 和USB_WritePort（INT8U endp, INT32U eppsize, INT8Ubuffnums, CTRL_USB *pUsb, INT8U *sendbuff,INT32U len, INT16U timeout）實(shí)現(xiàn)了接收上位機(jī)的請(qǐng)求和將處理結(jié)果返回給上位機(jī)。

以讀函數(shù)為例描述USB 接收上位機(jī)請(qǐng)求的過(guò)程，由函數(shù)原型的最后一個(gè)參數(shù)timeout 可知，讀過(guò)程是一種阻塞性的操作，在此系統(tǒng)中是以信號(hào)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)阻塞型的讀操作的。在參數(shù)檢測(cè)無(wú)誤時(shí)調(diào)用USB_WaitEpReady（pUsb, timeout）以獲取該端點(diǎn)對(duì)應(yīng)信號(hào)量，若獲取失敗則此端點(diǎn)無(wú)數(shù)據(jù)可讀。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到相應(yīng)的端點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，中斷處理程序會(huì)判斷哪個(gè)端點(diǎn)產(chǎn)生了中斷，然后發(fā)送此端點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)量，這樣USB_WaitEpReady（pUsb, timeout）就可以獲得信號(hào)量完成讀操作，否則程序會(huì)等待timeout時(shí)間，如果在timeout 時(shí)間內(nèi)依然獲取信號(hào)量失敗那程序就出錯(cuò)返回。若讀取長(zhǎng)度大于端點(diǎn)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度的話(huà)則一次只能讀取端點(diǎn)緩沖區(qū)長(zhǎng)度數(shù)，分多次讀取，直到讀取規(guī)定長(zhǎng)度為止。寫(xiě)端點(diǎn)函數(shù)發(fā)送過(guò)程和讀端點(diǎn)函數(shù)接收過(guò)程實(shí)現(xiàn)流程大體相似，其中最大的區(qū)別就是中斷產(chǎn)生的時(shí)機(jī)不同，接收過(guò)程是在數(shù)據(jù)到達(dá)相應(yīng)端點(diǎn)緩沖區(qū)時(shí)產(chǎn)生中斷，而發(fā)送過(guò)程是將數(shù)據(jù)寫(xiě)到相應(yīng)端點(diǎn)緩沖區(qū)之后才產(chǎn)生中斷。這樣在將數(shù)據(jù)發(fā)往相應(yīng)緩沖區(qū)后再調(diào)用USB_WaitEpReady（pUsb,timeout），若在此函數(shù)中成功獲得信號(hào)量則說(shuō)明發(fā)生成功。

2 USB系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

USB 的系統(tǒng)軟件是與μC/OS-II 操作系統(tǒng)和業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊緊密關(guān)聯(lián)的。在μC/OS-Ⅱ?qū)SB 進(jìn)行初始化時(shí)，不但要對(duì)USB 硬件接口初始化，還需要對(duì)其相關(guān)軟件進(jìn)行初始化，比如：設(shè)置中斷處理函數(shù)，以及單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)TaskSetup 任務(wù)以完成上位機(jī)對(duì)USB 系統(tǒng)主機(jī)的枚舉。中斷處理過(guò)程采用的是非向量中斷的方式，首先由中斷狀態(tài)寄存器的值判斷中斷產(chǎn)生的原因，然后由不同的原因設(shè)置不同的中斷處理函數(shù)。如果是數(shù)據(jù)中斷話(huà)則在相應(yīng)的中斷處理函數(shù)中發(fā)送對(duì)應(yīng)端點(diǎn)的信號(hào)量，這樣USB 驅(qū)動(dòng)程序中讀寫(xiě)接口才能成功被調(diào)用。TaskSetup 是系統(tǒng)的第一個(gè)任務(wù)，只有在TaskSetup 任務(wù)中USB 主機(jī)系統(tǒng)被成功枚舉后才能進(jìn)行通信。枚舉過(guò)程主要是通過(guò)0 號(hào)端點(diǎn)的控制傳輸方式進(jìn)行的，在此過(guò)程中USB 主機(jī)系統(tǒng)接收上位機(jī)發(fā)送的Setup 包，然后根據(jù)Setup 包的不同請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)的處理再通過(guò)控制端點(diǎn)將結(jié)果返回給上位機(jī)。在USB 中0 號(hào)端點(diǎn)為控制端點(diǎn)一共有2 個(gè)分別為輸入和輸出端點(diǎn)。設(shè)備枚舉其實(shí)就是一個(gè)上位機(jī)識(shí)別USB 主機(jī)系統(tǒng)的過(guò)程，標(biāo)準(zhǔn)USB 枚舉過(guò)程如下：獲取設(shè)備描述符、復(fù)位、設(shè)置地址、再次獲取設(shè)備描述符、獲取配置描述符、獲取接口和端點(diǎn)描述符、獲取字符串描述符、選擇設(shè)備配置。枚舉成功之后USB 主機(jī)系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)并且配置所有的接口與端點(diǎn)。

在USB 體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的交互是以端點(diǎn)為基本單位的，端點(diǎn)的集合表現(xiàn)為接口，在U