（计算机科学与技术专业论文）armμcosⅡ平台下usb主机系统软件的实现.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名： 龆杰，日期：独l l 艇明 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 胡杰、导师( 签名) ：弋枇旧 日期：们l j 年明 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 开发嵌入式u s b 主机，能将u s b 设备应用到嵌入式领域中，使现在高速发 展的移动数据业务变得更加方便。i - t c o s i i 是一种应用较广泛的嵌入式操作系 统，但目前还不具备u s b 主机软件功能，在i t c o s i i 系统中设计u s b 主机系 统软件，具有现实意义和应用前景。 本文详细介绍了在a r m 9 ( a d v a n c c dr i s cm a c h i n e s ) 处理器上，i t c o s i i 实 时操作系统下，基于o h c i ( o p c nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 规范的u s b 主机系统 软件的实现过程。在研究过程中，首先根据a r m 9 处理器的特点，完成了_ t c o s i i 在a r m 上的移植。然后结合u s b l 1 协议文档和一些与u s b 相关的文献资料， 研究了u s b 系统的通信原理。在u s b 主机端的组成中，软件部分为客户软件和 u s b 主机系统软件，硬件部分为u s b 主机控制器。课题中使用的u s b 主机控 制器芯片是符合o h c i 规范的，通过详细阅读o h c i 协议文档，掌握了u s b 主 机系统软件与u s b 主机控制器通信的全部细节。最后结合i _ t c o s i i ，实现了u s b 主机系统软件。 在该u s b 主机系统软件中，实现了4 种u s b 传输方式中的控制传输和批量 传输。控制传输用于对u s b 设备的枚举操作，当u s b 设备连接上u s b 总线时， 通过控制传输完成对u s b 设备的设置，信息读取等操作；批量传输为客户软件 提供了数据传输接口，适用于u 盘，移动硬盘等需要进行大批量数据传输的u s b 设备。 最后用常见的u s b 设备u 盘，对u s b 主机系统软件进行了测试。对u 盘的 枚举测试了控制传输，对u 盘的读写测试了批量传输。 关键词：u s b 主机系统软件，u s b 主机控制器，o h c i 协议，控制传输，批量传 输 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ft h e r ei su s bh o s tt e c h n i q u ef o re m b e d d e ds y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no fu s b d e v i c e sw i l ln o tl e e c ho nt op c ，a n dt h eb u s i n e s so fm o b i l ed a t aw h i c hi sd e v e l o p i n g w i t hah i g hs p e e dw i l lb em o r ec o n v e n i e n t 1 x c o s - i ii saw i d e l yu s e de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，b u td o e sn o ty e th a v eu s bh o s ts o f t w a r e 丘m c t i o r 塔i ti sv e r y r e l e v a n ta n d p r o m i s i n gt od e s i g nu s b h o s ts y s t e ms o r w a r ei nl x c o s - i i t h i st h e s i sd e s c r i b e si nd e t a i l sh o wt oc o m p l e t eu s bh o s ts y s t e ms o f t w a r e w h i c hi sb a s e do nt h eo p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ( o h c i ) i na r m 9 p r o c e s s o ra n d i - t c o s i io p e r a t i n gs y s t e m i nt h ec o u r s eo ft h es t u d y , t h ef i r s ts t e pi sp l a t f o r m ， t r a n s p l a n ti i c o s - i it oa r ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r m 9p r o c e s s o r t h e ns t u d yt h ep r i n c i p l e so fu s bc o m m u n i c a t i o nb a s e do nu s b 1 1 p r o t o c o la n d s o m eu s b r e l a t e dd o c u m e n t s i nt t l eu s bh o s ts i d e , t h es o f t w a r ei n c l u d e sc l i e n t s o f t w a r ea n du s bh o s ts y s t e ms o f t w a r e , a n dt h eh a r d w a r ei su s bh o s tc o n t r o l l e r t h eu s bh o s tc o n t r o l l e ru s e di nt h i sp r o j e c ti si nl i n ew i mo h c i ，s oi th a st ot or e a d o h c ip r o t o c o ld o c u m e n ti nd e t a i la n dm a s t e rt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o db e t w e e n u s bh o s ts y s t e ms o r w a r ea n du s bh o s tc o n t r o l l e r , a n dc o m p l e t et h ee n c o d i n g p r o c e s sw i t hi - t c o s - i ia tl a s t i nt h i su s bh o s ts y s t e ms o f t w a r e , t h ec o n t r o lt r a n s f e ra n db u l kt r a n s f e rw a s r e a l i z e d c o n t r o lt r a n s f e ri su s e df o rt h ee n u m e r a t i o no fu s bd e v i c e s ，w h e nau s b d e v i c ei sc o n n e c t e dt ot h eu s bb u s i tw i l ls e tt h ed e v i c ea n dr e a dt h ei n f o n n a t i o no f t h ed e v i c e b u l kt r a n s f e rp r o v i d e sd a t at r a n s f e ri n t e r f a c ef o ru s bd e v i c e sw h i c hn e e d t ot r a n s f e rm a s sd a t a ，s u c ha sud i s k , a n dm o b i l eh a r dd i s k f i n a l l y , t h eu s bh o s ts y s t e ms o f t w a r ew a st e s t e db yu d i s k , t h em o s tc o m m o n u s bd e v i c e c o n t r o lt r a n s f e rw a st e s t e db yt h ee n u m e r a t i o no fud i s k ，b u l kt r a n s f e r w a st e s t e db yr e a d i n ga n dw r i t i n gt ot h eud i s k k e y w o r d s ：u s bh o s ts y s t e ms o f t w a r e ，u s bh o s tc o n t r o l l e r , o h c ip r o t o c o l ，c o n t r o l t r a n s f e r , b u l kt r a n s f e r 一 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 1 1u s b 技术的发展1 1 1 2 课题研究的意义2 1 2 国内外研究现状3 1 3 本课题的主要工作4 1 4 论文的组织结构4 第2 章a r m + t t c o s i i 平台的搭建6 2 1a r m 微处理器6 2 2 “c o s i i 操作系统7 2 3p c o s i i 在a r m 处理器上的移植8 2 3 1c 代码的修改8 2 3 2 汇编代码的修改9 第3 章u s b 主机系统软件概述11 3 1u s b 通信模型1l 3 2u s b 主机端组成1 4 3 3o h c i 协议16 3 4u s b 主机系统软件结构1 7 第4 章o h c i 软件层的实现2 0 4 1 端点描述符2 0 4 2 传输描述符2 2 4 3e d 和1 r i ) 的处理2 4 4 3 1u s b 主机控制器对e d 的处理2 6 4 3 2u s b 主机控制器对t d 的处理2 7 4 4 数据传输管理2 8 4 5 主机控制器初始化3 2 u i 武汉理工大学硕士学位论文 4 6 主机控制器中断处理3 4 4 7 硬件访问管理3 6 第5 章u s b 总线管理层3 8 5 1u s b 设备相关描述表3 8 5 2u s b 设备请求3 9 5 3 数据传输服务4 2 5 4u s b 设备枚举4 4 5 5 与i a c o s i i 的结合4 7 5 6 系统测试与结果分析4 9 5 6 1 控制传输测试5 0 5 6 2 批量传输测试5l 第6 章总结与展望5 4 6 1 总结5 4 6 2 下一步的研究展望5 5 参考文献5 6 致谢5 9 攻读硕士期间发表的论文及参研情况6 0 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1u s b 技术的发展 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，即通用串行总线，是c a m p a q 、d i g j l t a l e q u i p m e n t 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o t t 、n e c 及n o r t h e r nt e l e c o m 等七家计算机及通 讯公司于1 9 9 4 年提出的一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和 通讯。在u s b 执行论坛( u s a i f ) 的不断完善和规范下，u s b 已成为如今广为流行 的p c 接口工业标准。 在u s b 标准颁布后很短的时间内，u s b 就成为p c 上的标准接口，并为绝大 多数p c 外部设备如鼠标、键盘、打印机、摄像头和游戏手柄所采纳使用，迅速 占领了计算机中、低速外设市场。与其它接口相比，除了即插即用，易扩充， 接口连接简单等特点外，稳定高速的数据传输是其最大的优点。表1 1 列出了常 用总线在传输速率上的比较【l 】。 表1 - 1 常用串行总线比较 接口格式可连接设备数 速率( 最大值b i f f s ) u s b异步串行 1 2 7 1 5 m ，1 2 m 、4 8 0 m r s 一2 3 2异步串行 21 1 5 2 k r s 4 8 5异步串行3 2l o m h d a红外异步串行 2 1 1 5 2 k m i c r o w i r e同步串行 82 m s p i同步串行 82 1 m i 2 c 同步串行 4 04 0 0 k i e e e 一1 3 9 4串行 6 44 0 0 m i e e e 一4 8 8串行 1 58 m e t h e r n e t串行 1 0 2 4 1 0 m 1 0 0 m 1 g m i d i电流环 2 3 1 5 k 简单易用，稳定高速的数据传输使u s b 接口成为越来越多p c 外设的首选。 武汉理工大学硕士学位论文 u s b 推动p c 外设发展的同时，p c 外设也对u s b 提出更高的要求，其中最重要 的一点便是更高速率的数据传输。u s b i f 在原先提供1 5 m b i t s 低速和1 2 m b i t s 全速数据传输的u s b1 x 的基础上，于2 0 0 0 年发布了支持4 8 0 m b i t s 高速数据 传输的u s b2 0 规范，为将u s b 推广到大容量移动存储、宽带网络产品、数码 相机和摄像机等高速外部设备提供了解决方案。同时为满足外设点对点之间通 信的需求，u s b i f 推出了u s bo t g ( u s bo n - t h e - g o ) 规范。u s bo t g 是对 u s b 2 0 的补充和扩展，是在没有p c 主机的情况下，实现从设备之间的数据传 送【2 1 ，例如数码相机直接连接到打印机上，通过o t g 技术，连接两台设备间的 u s b 口，将拍出的相片立即打印出来。2 0 0 5 年5 月通过的无线u s b ( w u s b ) 技 术标准将传统基于线缆的u s b 扩展为基于无线传输平台的无线u s b ( w i r e l e s s u s b ) 。该标准以m b o a 和w i m c d i a 联盟的超宽带m a c 层和物理层为基础， 在w i m e d i a 通用无线平台上提供较高层的协议综合，在3 m 范围内提供高达 4 8 0 m b i t s 的传输速度，1 0 m 范围内的传输速度也可达到1l o m b i t s 。这种新的高 速无线个人互连技术，在保持较高传输速率优势的同时，充分利用无线传输技 术的灵活性与极高的自由度，免除了有线u s b 需要线缆连接所带来的各种麻烦， 为互连设备提供了更大的便利性与可移动性。u s b 3 0 是最新的u s b 规范，它在 u s b 2 0 的基础上将传输速度提高了l o 倍，达到了4 8 g b i t s ，要远远高于其他传 输标准。u s b 3 0 将u s b 技术推向了另一个高潮，必将对我们的生活产生深远的 影响。 1 1 2 课题研究的意义 当前嵌入式设备在我们的身边随处可见，p d a 、手机、m p 3 等已成为了我们 生活中不可缺少的物品。在嵌入式设备中加入u s b 接口，可方便的实现与p c 主 机的通讯与数据交换，为我们的使用带来了极大的便利。但在传统的通信中， 嵌入式设备都是作为从设备与p c 主机通信的，离开了p c 主机，嵌入式设备的u s b 接口也就失去了作用。随着u s b 应用领域的逐渐扩大，人们对u s b 的期望也越来 越高，希望u s b 能够应用在没有p c 的领域中，根据u s b 的体系结构，我们只能 开发嵌入式i j s b 主机，才能将u s b 设备的应用从p c 领域脱离出来，从而使如今 高速发展的移动数据业务变得更加方便。嵌入式系统集成u s b 主机功能已成为嵌 入式研究领域的重点和热点u j 。 要开发出成功的嵌入式u s b 主机系统，除了硬件端的u s b 主机控制芯片外， 2 武汉理工大学硕士学位论文 软件端的芯片驱动和u s b 主机协议栈是必不可少的。嵌入式应用的日益复杂，对 嵌入式系统软件端的要求越来越高，绝大多数嵌入式系统都引入了嵌入式操作 系统来应对复杂的应用，目前主要的嵌入式操作系统有：l i n u x 、i 上c l i n u x 、w i n d o w s c e 、v x w o r k s 和c o s i i 等。在嵌入式u s b 主机系统中，如果让操作系统完成 u s b 主机控制芯片驱动，实现u s b 主机协议栈，就可向系统中的上层软件屏蔽了 u s b 数据传输的细节【4 j ，极大的方便客户软件访问u s b 设备，简化针对具体u s b 设备的驱动程序的开发。我们将完成芯片驱动和实现u s b 主机协议栈的软件称为 u s b 主机系统软件，在嵌入式操作系统中集成u s b 主机系统软件已成为一种趋 势。其中l i n u x 、g c l i n u x 、w i n d o w sc e 都已支持u s b 主机系统软件，给出了成熟 的解决方案。g c o s i i 是一种可移植、可固化、可裁剪的多任务实时操作系统， 已广泛应用于控制系统和工业自动化等领域。但在g c o s i i 系统中，目前还不具 备u s b 主机系统软件功能，若i 上c o s i i 集成t u s b 主机系统软件，则在设计带有 u s b 主机的嵌入式系统中，多了一种可选的解决方案。因此，在g c o s - i i 系统中 设计u s b 主机系统软件，是十分具有现实意义和应用前景的。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对嵌入式u s b 主机系统的研究正处于积极和发展阶段。一个完 整的嵌入式u s b 主机系统是由硬件端的u s b 主机控制芯片和软件端的u s b 主 机驱动组成的( 在有操作系统的环境下，将u s b 主机驱动称为u s b 主机系统软 件) 。 面向嵌入式领域的u s b 主机控制器芯片只有少数知名半导体厂商能提供， 现在比较成熟和应用最广的是c y p r e s s 公司的s l 8 1 1 h s 和p h i l i p s 公司的 i s p l 6 1 1 。这两款芯片都是符合u s b l 1 协议的，由于技术成熟，向市场的供给 充足，市场占有率非常高。p h i l i p s 公司随后推出了i s p l 7 6 1 ，业界第一款符合 u s b 2 0 的主机控制器芯片。目前国内外u s b 主机端软件的研究和开发都是在 s l 8 1 1 h s 和i s p l 6 1 1 这两种芯片的基础上进行的，课题中使用的芯片是c y p r e s s 公司的s l s l l h s 。 随着嵌入式u s b 主机在消费电子和移动数据存储领域得到了广泛的应用， 对u s b 主机端的软件功能也提出了更高的要求，需要能适应各种各样的场合。 现在u s b 主控厂商提供的u s b 主机系统软件和一些论坛上可看到的成熟案例很 多是基于l i n u x 或w i n c e 操作系统，在p c o s i i 环境下开发u s b 主机系统软 ， 3 武汉理工大学硕士学位论文 件的资料较少。广州致远电子公司有与g c o s i i 结合的u s b 主控产品介绍，但 也明确说明，只有购买公司的产品和相关服务，才会提供源代码。在一些u s b 技术论坛上，可看到很多爱好者提供的解决方案，但很多方案有雷同的嫌疑， 而且正确性有待证明。嵌入式领域u s b 主机系统软件的研究在国内外正处于一 个发展的阶段，并不能为各种应用场合提供合适的解决方案。因此，研究i _ t c o s i i 环境下u s b 主机系统软件的开发具有一定的前瞻性和实用性。 1 3 本课题的主要工作 本课题主要研究了怎样在l x c o s i i 环境下实现u s b 主机系统软件功能，所 做的具体工作可归纳为以下几点： ( 1 ) 分析a r m 处理器的特点，完成了g c o s i i 的移植工作。 ( 2 ) 深入分析和研究了u s b 协议，理解了u s b 系统的通信原理。 ( 3 ) 课题中选用u s b 主机控制器芯片符合o h c i 规范，仔细阅读了o h c i 协议文档，掌握了软件与硬件进行通信的所有细节。 ( 4 ) 结合u s b 协议和o h c i 协议，对u s b 主机系统软件作出了详细设计。 ( 5 ) 在i t c o s i i 环境下完成了编码工作，实现了4 种u s b 传输方式中的控 制传输和批量传输。 ( 6 ) 对u s b 主机系统软件进行了测试，总结不足之处，确定了下一步的研 究方向。 1 4 论文的组织结构 论文的章节安排如下： 第1 章介绍了本课题的研究背景以及国内外嵌入式领域u s b 主机系统软件 的研究现状，同时对本文主要的研究工作进行概述。 第2 章介绍了怎样搭建a r m + i t c o s i i 的开发平台，详细描述了i _ t c o s i i 在a r m 处理器上的移植过程。 第3 章先是详细的描述了u s b 主机端的各个组成部分，然后给出了u s b 主 机系统软件的设计思路。最后提出可将整个u s b 主机系统软件分为o h c i ( o p e n h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 软件层和u s b 总线管理层。 第4 章对o h c i 软件层的实现过程给出了全面的描述，重点介绍了与主机控 4 制器芯片交互的过程。 第5 章介绍了当一个u s b 设备连接上u s b 总线时，u s b 主机系统软件对 其控制操作过程。并在最后对u s b 主机系统软件进行了测试，对测试结果作了 简单的描述和解释。 第6 章回顾了整个课题的研究过程，总结了所做的工作，并分析了通过该 课题的研究，自己所获得的收获。最后提出了仍存在的不足之处，确定了下一 步努力的方向。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a r m + t c o s i i 平台的搭建 在本研究中，选用的开发板是s 3 c 2 4 4 0 开发板，其处理器核为a r m 9 系列， 整个平台搭建的核心为i _ t c o s i i 在a r m 处理器上的移植。本章在简要介绍了 a r m 处理器和i - t c o s i i 操作系统后，详细的说明了i t c o s i i 在a r m 上的移植 过程。 2 1a r m 微处理器 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，既是一个公司的名字，也是对一 类微处理器的统称。a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公 司，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片。世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核的授 权，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微 处理器芯片进入市场。例如$ 3 c 2 4 4 0 处理器是三星公司生产的，但其处理核是 基于a r m 技术实现的，所以也称为a r m 处理器。 目前市场上常见的a r m 微处理器系列有a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 e ， a r m l l ，s e c u r c o r e 等。每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领 域，提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。a r m 9 系列微处理 器在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的方案，具有以下特点【5 】： 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 3 2 b i t 定点r i s c 处理器，改进型a r m t h u m b 代码交织，增强性乘法器 设计，支持实时( r e a l t i m e ) 调试。 采用a m b a a h b 总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线。 设置保护单元( p r o t e c t i o nu n i 0 ，非常适合嵌入式应用中对存储器进行分段 和保护。 集成了m m u ，提供3 2 b i t 共4 ( 3 的寻址空间。 支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、v x w o r k s ，i - t c o s i i 等多种主流嵌入式操作系 统。 a r m 9 微处理器已经在手持电话、机项盒、数码像机、g p s 、个人数字助理 6 武汉理工大学硕士学位论文 以及因特网设备等方面有了广泛的应用。 s 3 c 2 4 4 0 处理器其内核是a r m 9 系列的a r m 9 2 0 t ，是一款现阶段网络上资 料、论坛最多的a r m 9 处理器，可便利的获取很多参考资料，所以目前对于学 习a r m 处理器的人来说，s 3 c 2 4 4 0 处理器是首选。除了具有a r m 9 微处理器 的优点外，其片上硬件资源也是很丰富的，可满足大多数的需求应用。在学习 中，使用s 3 c 2 4 4 0 开发板是最佳的选择；在产品应用开发中，选用s 3 c 2 4 4 0 开 发板作为母板进行试验研究也是合适的选择。 2 2i _ t c o s i i 操作系统 p c o s h 的前身是p c o s ，是美国嵌入式系统专家j e a nj l a b r o s s e 编写的， 并于1 9 9 2 年将其源代码在杂志上发布出来。i 上c o s i i 具有执行效率高、占用空 间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2 k b ，已经移植 到了几乎所有知名的c p u 上。i t c o s i i 已经在世界范围内的诸多领域得到广泛 使用，如手机，飞行器，路由器，工业控制及医疗设备等1 6 。并且1 t c o s i i 已 通过非常严格的测试，得到了美国航空管理局的认证，可用在航空飞行器上， 这说明肛c o s i i 是稳定可靠的，可用于与人性命攸关的系统中。 对于一个操作系统，进程管理和文件系统可看作是最重要的【r ，j 。g c o s i i 是 没有文件系统的，所以严格地说i t c o s i i 不是一个完整的操作系统，只是一个实 时操作系统内核，仅仅包含了任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信 和同步等必需功能，没有提供标准的文件系统，网络服务。但在广大p c o s - i i 爱好者的努力下，很多额外的功能都实现了，并应用到了实际的开发中。i 乩c f s 是为j _ t c o s i i 定制的文件系统，现在已经有了标准稳定的版本，开发者可根据需 要下载使用；在一些学习论坛上，可看到很多劬c o s i i 移植t c p i p 协议栈的资 料，虽然目前还没有一个标准的版本出现，但可看出广大爱好者正在努力。 l - t c o s i i 是一个完全基于优先级高低调度的硬实时内核，最高优先级的任 务旦处于就绪状态，会立即抢占正在运行的低优先级任务c p u 使用权。在 i - l c o s i i 中，每个任务的优先级都不同，为了简化系统设计，任务的优先级值 也同时成了任务的唯一标识。在目前稳定使用的版本中，可支持6 4 个任务，分 别对应优先级0 6 3 ，其中0 为最高优先级，6 3 为最低级。系统保留了4 个最 高优先级的任务和4 个最低优先级的任务，用户可以使用的任务数有5 6 个。对 一个多任务的操作系统来说，任务间的通信和同步是必不可少的邛j 。i i c o s i i 7 武汉理工大学硕士学位论文 中提供了4 种同步对象，分别是信号量，邮箱，消息队列和事件标志组，所有 这些同步对象都提供了创建、等待、发送、查询的接口，用来实现任务间的通 信和同步。 在内存管理上，i 工c o s 把连续的大块内存按分区管理。每个分区中包含 整数个大小相同的内存块，不同分区之间的内存块大小可以不同。在嵌入式实 时操作系统中，多次调用a n s ic 中的m a l l o c o 和毹e o 函数会导致内存碎片，而 且这两个函数的执行时间是不确定的【9 j 。i l c o s i i 对m a l l o c o 和f r c c o 函数进行了 改进，用户调用m a l l o c o 函数动态分配内存时，系统选择一个适当的分区，按块 来分配内存，调用f l e e ( ) 函数释放内存时将该块放回它以前所属的分区，这样能 有效解决碎片问题，同时两函数执行时间也是固定的。 2 3 t c o s i i 在a r m 处理器上的移植 _ l c o s i i 大部分的代码是用c 语言完成的，在读，写处理器寄存器时，是 通过汇编语言来完成的。c 代码中有少量是与处理器相关的，而汇编代码是针对 特定的体系结构和处理器的【1 们，所以i 嚏c o s i i 在a r m 处理器上的移植工作可 分为两部分：与处理器相关c 代码的修改，汇编代码的重写。 2 3 ic 代码的修改 在源代码目录中，与c p u 相关的c 代码都在o sc p u h 和o sc p uc c 两 个文件中，包含了数据类型的定义，开和关中断方法的选择，栈的增长方向， 栈的初始化函数。 p c o s i i 代码中没有使用c 语言中的i n t ，s h o r t ，l o n g 等与处理器平台相关 的数据类型，而是定义了i n t l 6 u ，i n t 3 2 s 这样直观的数据类型，让读者一看 就明白定义了1 6 位无符号型整数和3 2 位有符号型整数。而i n t l 6 u ，i n t 3 2 s 实际对应着c 语言中的什么数据类型，则是由处理器的字长来决定的。例如， 在1 6 位处理器上i n t l6 u 对应着u n s i g n e di n t ，i n t 3 2 s 对应着s i g n e dl o n g , 实现代 码为： t y p e d e f u n s i g n e di n ti n t l 6 u ； t y p e d e f s i g n e dl o n gi n t 3 2 s ； 在3 2 位处理器上i n t l6 u 对应着u n s i g n e ds h o r t ，i n t 3 2 s 对应着s i g n e di n t ， 实现代码为： 8 武汉理工大学硕士学位论文 t y p e d e f u n s i g n e ds h o r ti n t l6 u ； t y p e d e fs i g n e di n ti n t 3 2 s ； 在了解了p c o s i i 定义数据类型的方式后，根据处理器字长，对数据类型的修 改是很容易完成的。 宏定义函数o se n t e rc r i t i c a l 0 和o se x i t提供了关中 断和开中断的功能，但具体的实现方法， 提供c了r三it种ica选l择0肛cos i i ，实际应用 中只需要一种方法。选择哪种实现方法，取决于要使用的处理器和c 编译器的 特性。在本次移植中，使用的是第三种方法，通过定义宏变量 o sc r i c a lm e t h o d 的值为3 来实现： # d e f i n e o s c r i t i c a l m e t h o d 3 执行关中断，开中断的函数是用汇编代码实现的，需要根据要移植的目标处理 器重新编写。 大多数微处理器的栈空间是从高地址向低地址递减的，也有些处理器使用 相反的方式【1 1 】。在t l c o s i i 中，用常量o ss t kg r o w t h 的值来指定栈空间 的增长方向：为0 ，表示从低地址向高地址增长；为1 ，表示从高地址向低地址 增长。移植中通过实际情况来修改o ss t kg r o w t h 的值。 c o s i i 的每个任务都有自己的栈空间，在创建任务时，需要初始化栈空 间，函数o s t a s k s t k l n i t 0 完成了初始化工作。该函数可看作模拟了一次发生中断 时，处理器将寄存器的值保存入栈的过程：按照栈空间的增长方向，依次将要 用到的处理器寄存器的值保存在栈中，让栈看起来像刚发生过中断一样。任务 还未运行，除了任务函数的入口地址是已知的外，其它寄存器的值是移植者预 先自己设定的，例如可都设为0 x 0 。发生中断时，一些处理器会将所有的寄存器 都保存入栈，而一些处理器只会将程序计数器，处理器的状态字存入栈；处理 器是按一定顺序将寄存器推入堆栈的，所以函数中保存寄存器的顺序也必须按 照这一顺序。完成该函数要考虑的是处理器堆栈的增长方向，处理器保存寄存 器的数目，处理器将寄存器入栈的顺序。 2 3 2 汇编代码的修改 汇编代码都在o s c p u a s 文件中，由4 个汇编语言函数组成： o s s t a r t h i g h r d y o ，o s c t x s w o ，o s h t c m s w 0 ，o s t i c k i s r ( ) 。在不同的处理器 平台上应该重写这4 个函数，在a r m 处理器上，应该用a r m 汇编来实现。对 9 武汉理工大学硕士学位论文 于这4 个函数完成的功能，编写时应注意的要点作了简要的分析。 o s s t a r t h i g h r d y o 函数直接使就绪表中最高优先级的任务开始运行，在系统 创建第一个用户任务后，被o s s t a r t o 函数调用。o s s t a r t h i g h r d y o 函数完成了最 高优先级任务( 即第一个用户任务) 寄存器的恢复，但并不保存当前任务的寄存 器。p c o s i i 中，处于就绪状态任务的栈空间总是像刚发生过中断一样，要运 行最高优先级任务，o s s t a r t h i g h r d y o 将处理器寄存器从栈中恢复，最后执行一 个中断返回指令，使c p u 恢复程序指针和标志寄存器，这样c p u 就开始执行最 高优先级任务的第一条指令了。 o s c t x s w o 和o s i n t c t x s w o 两个函数都是完成任务的切换工作，区别在于一 个是任务级的切换，一个是中断级的切换。若当前任务申请运行资源得不到满 足或有更高优先级的任务就绪时，会发生任务级的切换，调用o s c t x s w o 函数， 保存当前任务的寄存器，恢复将要运行任务的寄存器。若发生了中断，在p c o s i i 中，中断结束后，并不返回被中断的任务继续执行，而是会运行就绪表中优先 级最高的任务，发生了中断级的任务切换，此时会调用o s i n t c t x s w o 函数。因 为在中断服务程序中会保存被中断任务的寄存器，所以o s i n t c t x s w o 函数只需 要恢复将要运行任务的寄存器。o s c t x s w o 和o s i n t c t x s w o 绝大多数代码是一样 的，区别只是o s i n t c t x s w ( ) 不需要作保存c p u 寄存器的操作。 由于时间延时和确认超时的需要，p c o s i i 需要提供周期性的时钟节拍。 时钟节拍源可以是硬件定时器，也可以是5 0 6 0 h z 的交流电源，时钟节拍的实际 频率取决于应用程序的精度。在每次节拍到来时，都会发生一次中断，中断服 务程序为o s t i c m s r o 。在o s t i c m s r ( ) 函数中，保存和恢复处理器寄存器是用 汇编代码实现的，这部分是需要重写的，而确认任务是否延时或超时是通过调 用c 语言函数实现的，不需要重写。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章u s b 主机系统软件概述 本章在简单介绍u s b 通信模型后，详细的描述了u s b 主机端的组成及各部 分的功能，并引出了设计嵌入式u s b 主机需参考的协议o h c i 协议。在基于 o h c i 协议的基础上，给出了u s b 主机系统软件的设计思路。 3 1u s b 通信模型 在常见的u s b 系统中，提供了一台u s b 主机与几台u s b 设备之间的通信 功能。从普通使用者，终端用户的角度来看，可用图3 1 来表示。 图3 1u s b 系统简单模型 对关注于怎样实现u s b 系统的设计者来说，u s b 系统要复杂得多，我们需要 分解u s b 系统，从各个不同的层次来了解。u s b 系统的分层理解是必须的，它能 使不同层次的实现者只关, l , u s b 相关层次的特性功能细节，而不必掌握从硬件结 构到软件系统的所有细节【1 2 1 。图3 2 给出t u s b 系统的层次结构图。 武汉理工大学硕士学位论文 哥： 誊u s b 主卷t ； 二”u s b 设备 ! j 客户软件 = 设备应用 jl jl 数据没 h - u s a 格式 r 1 r u s b 逻辑设备 u s b 主机系统软件 _ 譬= ， ( 缓冲区的集台) 数据 数据 jl 缓冲 缓冲 数据有 区1 区n u s b 格j 式 1r 1 u s b 主机控制器 u s b 总线接口 实际通信流 逻辑通信流 要实现的部分 图3 2u s b 系统通信模型 u s b 系统是主从结构的，每次信息传输只能从u s b 主机启动，u s b 设备永 远处于被动的地位。主机与设备之间传输的数据信息根据其目的可分为两种【l3 1 ， 一种是应用信息的传递，是针对u s b 设备的具体功能应用的；一种是控制信息的 传递，是维持u s b 总线自身正常运行和管理所需的一些控n 状态信息。如果是 应用信息的传输，则每次传输都是客户软件启动，数据信息完全按照u s b 设备的 功能应用需求来组织，不用考虑到u s b 的传输过程，当组织好逻辑数据后，将数 据提交给u s b 主机系统软件即可。 u s b 主机系统软件的目的通信对象是u s b 逻辑设备。u s b 逻辑设备是一系列 数据缓冲区的集合，这种数据缓冲区在u s b 协议中被称作端点。一系列相互独立 的端点组成了u s b 逻辑设备。每个u s b 逻辑设备在连接上u s b 主机时，会由系统 软件分配一个唯一的地址，在目前u s