基于RTEMS的USB设备驱动程序设计

引 言

在航空航天和工业控制等一些嵌入式应用领域，要求控制系统具有严格的实时性，能够为任务提供一个可预见的响应时间。一些实时操作系统的引入可以有效地满足任务的实时性要求，如RTEMS和 VxWorks。在这样的系统中，如果系统通信模块的通信速度不高，或者通信质量不可靠，就会影响整个系统的实时性能。通用串行总线(USB)由于其高带宽、高可靠性的特点，必将越来越多地应用到这类系统中。然而由于多数实时操作系统目前并未提供USB主机和设备的驱动，而且USB协议相对于其他串行通信协议(RS232、SPI等)复杂度较高，使得USB驱动程序的开发难度较大。

1 RTEMS及其设备管理机制

1.1 RTEMS简介

RTEMS(Real—Time Executive for MultiprocessorSystem)是一个为嵌入式应用系统提供高性能支持环境的实时操作系统内核，早期用于美国军方的导弹系统。RTEMS的实时性能高于RTLinux，与VxWorks相比也毫不逊色。

RTEMS具有如下特点：支持多任务;支持同构或异构多处理器系统;支持事件驱动、基于优先级、占先的调度算法，具有单调速率调度算法;支持任务间的通信和同步;支持优先级继承算法，快速响应的中断管理;支持动态存储器分配，具有用户配置的能力。

RTEMS是微内核抢占式的实时操作系统，具有实时性能好、运行速度快和可靠性高等优点，在通信、航空航天、工业控制等领域有着非常广泛的应用。

1.2 设备管理机制

操作系统的一个重要功能就是为应用程序提供一个统一的I/O设备的虚拟接口，使用户程序能够按照相同的模式对设备进行操作，无需关心每个设备的具体特性。

RTEMS系统提出了一种设备抽象模型，使用这种模型，应用程序通过相同的I/O系统调用埘没备进行操作，而不必关心实现细节。RTEMS的I/O管理器提供的系统调用包括：

◆rIems_io_initialize，初始化一个设备驱动程序;

◆rtems_io_register_name，注册一个设备名;

◆rIems_io_lookup_name，根据设备名查找主/副设备号;

◆rterns_io_open，打开一个设备;

◆rteros_io_close，关闭一个设备;

◆rtems_io_read，从一个设备中执行读操作;

◆rtems_io_write，向一个设备中执行写操作;

◆rteros_io_control，特殊的设备服务。

RTEMS系统使用设备驱动程序地址表来提供这种抽象，在这个表中提供了每个标准I/O请求处理函数的入口地址。RTEMS使用设备的主设备号和副设备号来定位它的驱动程序。主设备号是设备驱动程序地址表中相应设备表项的索引，用于选择某个设备驱动程序;副设备号的用途则依赖于具体的设备驱动程序，通常用于在相同设备驱动程序所控制的若干设备中指定特定的设备。在RTEMS系统中，每个特定的设备都有与之相关联的设备名称。RTEMS系统内核中包含了一个 “设备驱动程序文件名表”。这个表将设备文件名与设备的主、副设备号联系起来，应用程序可以使用注册设备名查找与一个设备相关联的主设备号/副设备号，进而通过标准I/0系统调用和主设备号/副设备号在设备驱动程序地址表中找到该设备的驱动程序的入口函数地址，对设备进行操作。

RTEMS系统在初始化时，会调用各个设备驱动程序的初始化函数，初始化所有的设备驱动程序。当应用程序需要对设备进行操作时，会执行有关设备管理的 I/O系统调用，RTEMS会根据该系统调用判断应该选择的设备驱动程序的入口函数。由应用程序传递给RTEMS的信息，将被传递给适当的设备驱动程序入口函数。

2 USB通信协议简介

USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)是一种在主机和设备之间进行串行数据传输的通信协议。USB接口由于速度快、可靠性高、功耗低等优点，已成为当前微机的必备接口，同时也被广泛应用于嵌入式系统设计中心。USB的物理拓扑为分层的星型结构，由3部分组成——USB主机、USB集线器和USB设备，如图l所示。

USB主机是USB系统的主控组件，控制总线上所有USB设备和USB集线器的数据通信过程，所有的数据传输都是由USB主机端发起的。

USB主机控制器的复杂度要远远高于USB设备，典型的USB主机控制器大约需要10 000个门电路，而设备端的USB接口大约需要1 500个门电路。正是由于这种设计复杂度的不平等，使得USB设备得以在短时间内得到广泛应用。

3 RTEMS下USB设备驱动程序的设计

3.1 概 述

嵌入式系统的硬件环境千差万别，各类USB设备的类规范也各不相同。为了确保程序的可移植性和可扩展性，将程序设计为二层结构：硬件抽象层和USB设备类驱动层，如图2所示。

硬件抽象层封装对底层USB设备控制器的操作和对中断的处理，通过一些标准方法，为上层提供一个底层的硬件抽象，便于移植。USB设备类驱动层包含对标准命令和对特定设备类命令的处理。

3.2 硬件抽象层

硬件抽象层对USB设备控制器进行操作，实现以下功能：设备状态管理、端点状态管理和中断管理。

3.2.1 设备状态管理

每一个USB设备在正常工作前必须完成主机对它的配置过程，即总线枚举。USB设备在总线上共有6种状态：接入态、加电态、默认态、地址态、配置态和挂起态。

硬件抽象层提供USB_Init、USB_Attach、USB_Disat—tach、USB_Connect、USB_Disconnect、 USB_SetAddress、USB_ResetAddress、USB_SetConfiguration和 USB_ResetConfiguration九个函数对设备的状态进行管理。一般来说，设备在总线上的状态变化都会由中断通知设备，中断服务程序根据中断类型和当前状态通过提供的功能接口对没备进行相应的操作，确保设备能够完成枚举过程÷顺利进入配置态。设备在硬件抽象层函数控制下的在总线上的状态机如图3所示。由于挂起与恢复无需软件干预，因此没有在状态机中描述这一状态。