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1、VxWorks实时操作系统的USB驱动程序原理与分析1、问题的提出 通用串行总线(USB)作为一种中高速的数据方式，已经很普遍地应用于外设与主机的通信中。VxWorks是当今十分流行的实时操作系统，在通信、国防、工业控制、医疗设备等嵌入式实时应用领域。很多VxWorks系统中都有USB设备，可是关于USB的驱动实现并没有相关的资料可以参考，给实际工作带来了难题。本文通过详细地分析VxWorks下的USB驱动栈，具体提出了其实际应用的方法，为USB在应用VxWorks的嵌入式系统的开发扫清了技术障碍。2、VxWorks简介 VxWorks是WindRiver公司开发的具有工业领导地位的高性能实时
2、操作系统(Real Tim Operation System，RTOS)内核，具有先进的网络功能。VxWorks的开放式结构和对工业标准的支持，使得开发人员易于设计高效的嵌入式系统，并可以很小的工作量移植到其它不同的处理器上。作为一种先进的实时操作系统，它具有以下特点：1. 可裁剪微内核结构。2. 高效的任务管理： 多任务，具有256个优先级。 具有优先级排队和循环调度。 快速的、确定性的上下文切换。3. 灵活的任务间通讯： 三种信号灯：二进制、计数、有优先级继承特性的互斥信号灯。 消息队列。 套接字(Socket)。 共享内存。 信号(Signals)4. 微秒级的中断处理。5. 支持POS
3、IX 1003.1b实时扩展标准。6. 支持多种物理介质及标准的、完整的TCPIP网络协议。7. 灵活的引导方式。支持从ROM、flash、本地盘(软盘或硬盘)或网络引导。8. 支持多处理器并行处理。9. 快速灵活的lO系统。10. 支持MS-DOS和RT-11文件系统。11. 支持本地盘，flash，CD-ROM 的使用。12. 完全符合ANSI C标准。13. 多个系统调用。3、 USB驱动程序的结构概述图1提供了一个USB主驱动栈结构的简单概括。图2显示了USB主驱动栈的各模块之间的功能联系。图1 USB主驱动栈结构简单模型图2 USB主驱动栈各模块之间的功能联系 在栈的最底部是USB主
4、控制器(USB HC， 即USB Host Controller)， 这是主系统中控制每一个USB设备的硬件部分。 目前，市场上主要有两大类USB主控制器，一种是支持由ime1公司最先提出的通用主控制器接口(Universal Host Controller Interface，简称UHCI)，另一种是支持由微软、康柏和国家半导体公司联合设计提出的开放主控制器接口(Open Host Controller Interface，简称OHCI)。硬件厂商一般根据这两个规范设计他们的USB主控制器。 对于每一类型的主控制器都有一个与硬件独立的USB主控制器驱动(Host Controller Dri
5、ver，简称HCD)。WindRiver提供了两个驱动：usbHcdUhciLib (UHCI 主控制器库)和usbHedOheiLib (OHCI主控制器库)。USB主驱动(USB host driver，简称USBD)和HCD之间的接口允许一个或超过一个的底层主控制器。而且，WindRiver的USBD能够同时连接多个USB HCD。这样的设计特点可以使开发者建立复杂的USB系统。 USBD是在HCD之上的与硬件独立的模块。USBD管理每一个与主机相连的USB设备， 向更高层次提供了可与USB设备通信的路径。它还负责自动处理USB电力管理以及USB带宽管理。而且，USBD还管理USB hu
6、b，Hub功能是一个驱动能否对USB正确操作的评价之一。因此WindRiver的USBD设计者要使USBD透明地处理hub的功能。这意味着，USBD 还能处理USB hub和设备的动态插拔。 USB Client模块在USB主驱动栈的顶端。USB类驱动(USB Class Driver)是Client模块的典型例子。USB类驱动负责管理连接到USB上的不同类型的设备； 它们依靠USBD来提供与每个设备的通信路径。USB client模块的其他例子就是那些利用USBD与USB设备通信的应用程序。4、 USBD驱动详解 这一部分将要描述USBD(USB Host Driver)的典型应用。例如初始
7、化，client注册，动态连接注册，设备配置，数据传输，同时还探讨了USBD内部设计的关键特性。这部分是VxWorks下USB驱动的核心。4.1 初始化USBD：分为两步(1)必须至少调用一次函数usbdInitialize()。在一个给定的系统中，usbdlnifialize()初始化内部USBD数据结构，并依次调用其它USB驱动栈模块的入口。usbdinitialize()可以在启动时调用一次，也可以对每一个设备各调用一次。USBD 自己记录了调用usbdInitialize()(+)和usbdShutDown()(-)的次数。只有大于等于1时才是真正初始化了，而等于0是关闭了。(2)用U
8、SBD 的lisbdHedAttaeh()函数来把至少一个HCD连接到USBD上。这一过程既可以在VxWorks启动时，也可以在运行时把HCD 连接到USBD 上去。后一种机制可以支持“热插拔”，而不用象前一种那样需要重新启动。4.2 HCD的连接(attaching)与断开(detaching) 当HCD连接到USBD 时，调用者为usbdHedattaeh函数传递HCD执行入口(表HCD_EXEC_FUNC)和HCD连接参数(HCD attach parameter)。USBD用HCD FNC ATYACH 服务请求依次激活HCD的执行入口，传递同样的HCD attach参数。 需要强调虽
9、然可以改变用HCD定义的参数，但是最好不应该有所改变。对于WindRiver提供的UHCI和OHCI的HCD，HCI attach参数是一个指向结构PCI_CFG_HEADER (定义在pciConstants.h) 的指针。该结构用UHCI和OHCI主控制器的PCI配置头来初始化，而HCD用这个结构中的信息来定位，管理特定的主控制器。典型的，调用者用usbPeiClassFind ()和usbPciConfigHeaderGet()来得到想要的主控制器的PCI配置头- 这两个函数定义在usbPciLib 中(stubUsbarchPciLib.h中)。如果有UHCI或OHCI要连接到USBD
10、，就要调用这些函数来获得每一个主控制器的PCI_CFG_HEADER。然后利用usbdHedAttaeh来激活已鉴别出的每一个主控制器。 注意：底层BSP可能不支持USB的HCD断开，因为当中断向量表重新使能时，如果还应用的是过期的向量表，会导致错误。4.3 启动顺序 必须在所有USBD函数前执行函数usbdInitialize()。存在以下两种调用方式：(1)传统的“启动”初始化。执行顺序与其意义如下：ausbdInitialize()；busbdPciClassFind()：定位一个USB主控制器；cusbdPeiConfigHeaderGet()：读USB主控制器配置头；dusbdHed
11、Attaeh()：连接HCD，将其作为特定的主控制器：e调用USB class driver初始化入口点；fUSB class driver调用usbdlnitialize()。(2)“热插拔”调用。执行顺序与其意义如下：Boot Code里调用：aUSB class driver初始化入口点；bUSB class driver调用usbdlnitialize()；Hot-Swap code调用：cHot-Swap 鉴别USB主控制器的连接或断开；dUsbdlnitialize()；eUsbdPciConfigHeaderGet()：读USB主控制器配置头；fUsbdHedAttaeh()：连
12、接HCD，将其作为特定的主控制器。 因为热插拔可以在任何时刻发生，所以USBD和其Client都必须被写成可以动态识别USB设备被插入还是被拔出。当主控制器连接到系统时，USBD 自动地鉴别与其相连的设备，并通知相关的client；同样，拔出设备时，也要通知相关设备。重要的是，USBD 的client，比如USB class driver，在client初始化时，从不设想特定的设备已经出现；而在其他时候，这些驱动随时检查设备是否已经连接到系统上。4.4 总线任务 对每一个连接到USBD 的主控制器，例如插入或拔出设备，USBD都会产生一个总线任务，来监控总线事件。一般情况下，这些任务是休眠的(
13、不消耗CPU)，只有当USB hub报告它的一个端口有变化时，它们才被唤醒。每一个USBD总线任务有VxWorks任务名：UsbdBus。 虽然HCD委托USBD来管理，但有可能HCD 亲自监视主控制器事件。例如WindRiver提供了UHCI和OHCI的HCD来创造这样的任务。对于WindRiver的UHCI模块(usbHcdUheiLib)，后台任务只是被周期地唤醒，目的是为了检查超时IRP(用一个中断来通知OHCI根hub发生改变)。用以在USBD和USB之问进行通信的client模块，除了调用usbdlnitialize()外，必须调用usbClientRegister()使其在USB
14、D注册。当一个client注册到USBD时，USBD把每一个以后将要用到的client的数据结构定位，并跟踪那个client的请求。 对于每一个client，在client注册过程中，USBD还创建了一个callback任务。在成功注册client后，USBD返回一个句柄USBD_CLIENT_HANDLE。以下对USBD的调用，将会用到这个句柄。当所有句柄都不需要时，可以调用usbdClientUnregister()来释放每一个client的数据结构和callback任务。注意：此时所有client要求的任务都会被取消。例如：注册一个叫USBD_TEST的client，再注销。注册：usb
15、dClientRegister(USBD_TEST，&usbdClientHandle)；注销：usbdClientUnregister(usbdClientHandle)；4.5 client回调(callback)任务 USB操作是严格遵守时序的。例如为使中断传输和同步传输正确工作需要依靠时钟中断。在一个有几个不同client出现的主系统中总是有可能出现一个client打断其它client传输事件的发生。WindRiver USBD建议用client callback任务来解决这个问题。许多USB事件可以导致一个USB client的callback任务。例如， 每当USBD 完成USB IRP后，client的IRP callback函数被激活。同样，当USBD识别出一个动态连接事件后，会激活一个或更多的动态attach callback操作。但不是马上激活这些回调操作， 而是安排合适的相应的USBD client的回调任务来执行callback。 一般的情况下，每一个client的callback任务处于“休眠”态(阻塞态)。每一个client的callback，继承了usbdClientRegister()产生的VxWorks任务优先级。这确保了每一个callback按其
