摘要：在此以杭州中天32位RISC CPU CK510為內(nèi)核的HMl521_B芯片上，基于μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備的讀寫控制,。系統(tǒng)采用嵌入式USB主機(jī)控制軟件的分層結(jié)構(gòu)，著重闡述FAT32文件系統(tǒng),、USB設(shè)備枚舉和BULK-ONLY傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)過程,。為了節(jié)省硬件資源，放棄了USB協(xié)議中的繁文縟節(jié),，抓住協(xié)議核心,，設(shè)計(jì)了精簡高效的驅(qū)動程序?？紤]到各種U盤的不同特性,，增強(qiáng)了驅(qū)動兼容性方面的設(shè)計(jì)。整個(gè)階段都由邏輯分析儀給出實(shí)測數(shù)據(jù)抓包截圖,。
關(guān)鍵詞：嵌入式USB控制,；FAT32文件系統(tǒng)；USB設(shè)備枚舉；Bulk-only傳輸

0 引言
    2010年USB 3．0的正式推出象征USB傳輸極速時(shí)代的到來,，但是嵌入式領(lǐng)域由于考慮成本等各方面因素很多仍采用USB 1．1協(xié)議,。同時(shí)USB協(xié)議的主體框架并沒有改變，因此研究USB 1．1協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)對于USB 3．0協(xié)議的應(yīng)用也是很好的鋪墊,。本文在以杭州中天32位RISC CPU CK510為內(nèi)核的摩托羅拉HM1521_B芯片上,，基于μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備的讀寫控制,。由于HM1521_B芯片只支持USB 1．1協(xié)議,，所以本文實(shí)現(xiàn)的只是USB 1．1協(xié)議。USB是一種主從結(jié)構(gòu)：主機(jī)Host和從機(jī)Device,。所有的數(shù)據(jù)傳輸都由Host主動發(fā)起,，而Device只是被動的負(fù)責(zé)應(yīng)答。在USB OTG中,，一個(gè)設(shè)備可以在Device和Host之間切換,，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的連接，大大增加了USB的使用范圍,。但USBOTG依然沒有脫離主從關(guān)系,，設(shè)備之間必然有一個(gè)作為Host,，另一個(gè)作為Device,。標(biāo)準(zhǔn)的USB使用4根線，分別是5 V電源,、差分?jǐn)?shù)據(jù)線負(fù)(D-),、差分?jǐn)?shù)據(jù)線正(D+)、地(GND),。USB的低速和全速模式采用電壓傳輸,，高速模式則采用電流傳輸。

1 USB控制軟件的分層結(jié)構(gòu)
    按照USB協(xié)議規(guī)范,，USB運(yùn)行首先是USB Host通過D+數(shù)據(jù)線上的電平變化檢測USB Device的插入和拔出,，Host和Device依據(jù)協(xié)議規(guī)定的順序執(zhí)行一系列信息交換，這稱為枚舉部分,，也是所有USB主機(jī)都必須支持的功能,。Host根據(jù)獲得的Device信息判斷該Device屬于哪一類USB設(shè)備，并確定下一步選用哪個(gè)特定的程序加以支持,。
    USB協(xié)議規(guī)定了HID(人機(jī)接口設(shè)備)類,、Mass Storage(大容量存儲設(shè)備，如U盤)類,、音頻類等各種設(shè)備類型,。在嵌入式系統(tǒng)中，由于受系統(tǒng)性能和存儲空間的限制,，一般只能支持某幾個(gè)類型,。本文只支持Mass Storage類,。

    圖1是本文實(shí)現(xiàn)的USB Host控制軟件的分層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層調(diào)用FAT32文件系統(tǒng)層的函數(shù)；文件系統(tǒng)層通過MassStorage UFI命令與存儲設(shè)備建立聯(lián)系,，實(shí)現(xiàn)U盤上文件的建立和讀寫等一系列操作,；最底層的是Mass Storage驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)對U盤數(shù)據(jù)的讀寫功能,。其主要函數(shù)包括：

    本文軟件用C語言編程,，并依賴μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)提供的中斷函數(shù)來調(diào)度各個(gè)函數(shù)的運(yùn)行。

2 FAT32文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    文件系統(tǒng)的作用是對文件在介質(zhì)上的存儲進(jìn)行管理,，并為操作系統(tǒng)提供操作函數(shù),。若把U盤看成是以扇區(qū)為單位的邏輯盤(1扇區(qū)=512 B)，當(dāng)一個(gè)U盤被格式化成FAT32格式的分區(qū)后,，它的結(jié)構(gòu)形式圖如圖2所示,。

    引導(dǎo)扇區(qū)(DOS Boot Record，DBR)存儲了本分區(qū)的BPB(Bios Parameter Block)信息,。主引導(dǎo)記錄MBR(Master Boot Record)是物理上第一個(gè)扇區(qū),，絕對扇區(qū)號是0，它獨(dú)立于任何一個(gè)分區(qū),。MBR的前446B是系統(tǒng)引導(dǎo)程序,，接著的64個(gè)字節(jié)是分區(qū)表DPT(Disk Partition Table)，最后兩字節(jié)是扇區(qū)有效標(biāo)志55 AA,。初始化一個(gè)U盤的文件系統(tǒng),，很重要的一步就是填寫引導(dǎo)扇區(qū)的過程。對有些關(guān)鍵字節(jié)進(jìn)行分析如下所示：


    FAT32文件系統(tǒng)中,，F(xiàn)AT表是一個(gè)數(shù)據(jù)表,，以簇(cluster)的形式鏈?zhǔn)酱娣拧．?dāng)一個(gè)文件大于一簇(4個(gè)扇區(qū))時(shí),，每簇中存放的數(shù)據(jù)便是文件存放的下一簇地址,。直到遇到簇中的數(shù)據(jù)為“FF FF”時(shí)，才表示此文件已至尾簇,。數(shù)據(jù)內(nèi)容不連續(xù)地存放于數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi),。文件系統(tǒng)使用設(shè)備驅(qū)動提供的4個(gè)函數(shù)獲取設(shè)備的狀態(tài)信息以及實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的讀寫。
   

3 USB設(shè)備枚舉的實(shí)現(xiàn)
    枚舉就是從Deveice讀取信息,，通過設(shè)備描述符設(shè)備告訴Host是什么設(shè)備,、如何進(jìn)行通信，Host根據(jù)這些信息來加載合適的驅(qū)動程序,。
3．1 枚舉過程及實(shí)現(xiàn)
    USB是一種主從的結(jié)構(gòu),，所有傳輸由Host來發(fā)起。當(dāng)Host發(fā)起一次傳輸時(shí)，通常包括3個(gè)包(Packets)的傳輸,。Host首先是發(fā)送一個(gè)Token Packet,，包含本次傳輸?shù)拿铑愋?Type)、方向(Direction),、設(shè)備的地址(Device Address)以及端點(diǎn)號(Endpoint),；緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)包(Da-ta Packet)，包含要求Device返回描述符的命令數(shù)據(jù),；最后由Device返回握手信號包(handshake packet),，正確返回(ACK)命令。
    USB Host檢測到有Device插入后,，進(jìn)行總線復(fù)位,。然后Host使用默認(rèn)地址0讀取設(shè)備描述符。獲取設(shè)備描述符的USB設(shè)備請求命令結(jié)構(gòu)體為：
   
   
    第1次讀取設(shè)備描述符時(shí),，Host首先發(fā)送setup包,；之后進(jìn)入主機(jī)讀取數(shù)據(jù)階段，Host發(fā)送in包,，Device返回一個(gè)18 B的設(shè)備描述符,，可以用一個(gè)結(jié)構(gòu)體將其讀回。最后Host發(fā)送0 B的數(shù)據(jù)包作為狀態(tài)相應(yīng),，設(shè)備返回ACK作為應(yīng)答,。用邏輯分析儀抓包，3個(gè)包如圖3所示,。

    第1次讀取設(shè)備描述符后,，Host依次進(jìn)行地址分配,、第2次讀取設(shè)備描述符,、讀取配置描述符、讀取描述符集,、設(shè)置配置,、讀取配置狀態(tài)和讀取接口狀態(tài)，方法和第1次讀取設(shè)備描述符的方法一樣,。

3．2 U盤兼容性
    在設(shè)備枚舉階段將會碰到很多關(guān)于U盤兼容性的問題,。
    (1)總線復(fù)位時(shí)間。不同型號的U盤對于總線復(fù)位時(shí)間的要求是不同的,，比如金士頓1 GB的U盤需要的復(fù)位時(shí)間至少280 ms,。在實(shí)現(xiàn)中為保險(xiǎn)起見，給予400 ms的復(fù)位時(shí)間,。
    (2)有些U盤的端點(diǎn)0是8 B payload的,，大多數(shù)是64 B。對于8 B payload的U盤，要嚴(yán)格從第1次獲取設(shè)備描述符時(shí)返回的第8字節(jié)獲取payload,，否則盡管枚舉過程仍然能通過,，但是后面在分析32字節(jié)的配置描述符時(shí)候會出現(xiàn)問題，沒有收到完整的配置描述符是分析不出端點(diǎn)1和端點(diǎn)2的地址以及端點(diǎn)payload的,。
    (3)在枚舉階段獲取字符串描述符的時(shí)候,，要進(jìn)行判斷。因?yàn)橛行︰盤不支持返回字符串描述符,，用if語句判斷,，如果獲取不到字符串描述符就跳過，不要返回失敗,。

4 Bulk-only傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
    枚舉結(jié)束后是對塊設(shè)備的讀寫,。Bulk-Only傳輸規(guī)范是USB組織針對大容量存儲設(shè)備制定的一種塊存儲類協(xié)議，它僅僅使用Bulk端點(diǎn)來傳送數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài),。

    圖4是數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)在USB總線上的傳輸流程圖,。根據(jù)此圖Bulk-only傳輸?shù)臓顟B(tài)可以定義為：空閑、CBW處理,、數(shù)據(jù)輸出(從Host向Device傳輸數(shù)據(jù)),、數(shù)據(jù)輸入(從Device向Host傳輸數(shù)據(jù))、CSW處理,、管道阻塞等6種狀態(tài),。在空閑狀態(tài)下，接收到的數(shù)據(jù)包為CBW包,；在數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)下,，接收到的數(shù)據(jù)包為Host期待寫入Device的數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)下,，Host請求從Device讀取數(shù)據(jù),，Device將向Host發(fā)送這些數(shù)據(jù)包；在CSW狀態(tài)下,，Device封裝并發(fā)送CSW包以向Host返回狀態(tài)信息,。因此，任何Bulk-Only事務(wù)均是以Host向Device發(fā)送CBW包并試圖建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸開始的,；而Device接收到CBW包,，進(jìn)行檢查并解釋，試圖滿足Host的要求,，并通過CSW向主機(jī)返回狀態(tài)信息,。以讀一個(gè)邏輯塊為例，填寫一個(gè)CBW包的程序如下所示：


    邏輯分析儀抓包結(jié)果如圖5所示,。從抓包結(jié)果可以清晰的看出CBW包由31個(gè)字節(jié)組成,。

    CBW包和CSW包正確收發(fā)后,，Bulk-only傳輸就能順利實(shí)現(xiàn)。完成對扇區(qū)的讀寫,，文件系統(tǒng)的掛載,。上層應(yīng)用程序使用文件系統(tǒng)提供的API，操作底層設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)對文件的建立,、讀寫、刪除等操作,。經(jīng)測試本系統(tǒng)支持長文件名和超過2 GB容量的USB設(shè)備,。本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了在不同型號U盤上完成對長文件名文件的新建、讀寫以及刪除操作,。

5 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)在以CK510為內(nèi)核的HM1521_B芯片上,，通過文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對USB設(shè)備的讀寫操作。程序代碼放棄了USB協(xié)議中的繁文縟節(jié),，抓住協(xié)議核心以達(dá)到精簡高效之目的,。在大容量USB存儲設(shè)備的兼容性方面也進(jìn)行了探討。經(jīng)測試本系統(tǒng)支持長文件名和超過2 GB容量的USB設(shè)備,。最終實(shí)現(xiàn)了在不同型號U盤上完成對長文件名文件的新建,、讀寫以及刪除操作。
    本系統(tǒng)尚需改進(jìn)的地方主要是讀寫過程中的出錯(cuò)應(yīng)對能力,。如何應(yīng)對USB設(shè)備在讀寫過程中的突然拔插,，以及如何提高數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)時(shí)的校驗(yàn)?zāi)芰Χ际潜菊n題進(jìn)一步研究的方向。