0 引言

    USB現(xiàn)已成為嵌入式設備的一種主要通信接口，但是由于USB協(xié)議的復雜性和硬件平臺的多樣性，使得USB驅(qū)動程序開發(fā)存在難度大、成本高、可移植差、難以維護等缺點。為了解決這些問題，本文在深入分析USB協(xié)議的基礎上，對USB設備的功能進行抽象，并采用驅(qū)動構(gòu)件化的設計思想開發(fā)USB驅(qū)動構(gòu)件^[1]。同時，在Kinetis Design Studio 3.0集成開發(fā)環(huán)境下，使用恩智浦半導體公司的K64微控制器對該構(gòu)件進行測試，將其作為一個HID設備與上位機程序進行通信。上位機軟件在VS 2010環(huán)境下使用C#語言開發(fā)，可以動態(tài)找到目標設備，實現(xiàn)快速連接和通信。另外，將該通信系統(tǒng)用于3D打印中，通過對打印產(chǎn)品的紋理進行分析，驗證本文所開發(fā)的USB構(gòu)件的穩(wěn)定性。

1 USB協(xié)議分析

    USB驅(qū)動程序主要完成USB設備的初始化、枚舉和數(shù)據(jù)傳輸。USB主機與USB設備之間有4種數(shù)據(jù)傳輸類型，分別是批量傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和控制傳輸，每種傳輸方式執(zhí)行一次需要多個事務處理^[2]。對于控制傳輸，其只能用于USB設備枚舉，包括3個階段，分別為設置階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段。設置階段是一次SETUP事務處理，數(shù)據(jù)階段是多個IN或者OUT事務處理，狀態(tài)階段是一次無數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎N或者OUT事務處理。USB設備枚舉完成后，將使用其他傳輸方式用于實際數(shù)據(jù)收發(fā)，具體使用哪種方式則取決于設備的類型。USB設備連接到PC后，PC便開始對其進行枚舉^[3]。不同操作系統(tǒng)下枚舉過程可能會有所不同，Windows操作系統(tǒng)下的USB設備枚舉過程為：

    (1)用戶將USB設備插入到PC(USB主機)的USB端口上，USB主機給USB設備上電，USB設備獲取100 mA的電流，并處于上電狀態(tài)；

    (2)USB主機檢測USB設備是全速還是低速設備，如果D+數(shù)據(jù)線上有高電平則是全速設備，如果D-數(shù)據(jù)線上有高電平則是低速設備；

    (3)USB主機復位USB設備，復位時間至少10 ms。復位結(jié)束后USB設備處于默認狀態(tài)，并使用默認的地址0和端點0與USB主機進行通信；

    (4)USB主機獲取USB設備的18 B的設備描述符，完成一次控制傳輸。這是USB主機第一次得到設備描述符，主機并不會分析各個字段的含義，只會得到設備描述符中端點0所支持的最大數(shù)據(jù)包長度（設備描述符的第8字節(jié)）；

    (5)USB主機再一次復位USB設備，這一步在USB 2.0協(xié)議中并不要求。另外，對于高速設備，Windows 8及以上版本會跳過這一步；

    (6)USB主機給USB設備分配一個唯一的地址，USB設備進入地址狀態(tài)，之后USB設備將使用這個新的地址與USB主機進行通信。只要USB設備不被移除、復位或者重新啟動，那么這個地址將一直存在；

    (7)USB主機獲取配置描述符，及其從屬的接口和端點描述符。如果還有字符串描述符，則繼續(xù)獲取。對于HID類設備，USB主機還會獲取報告描述符； 

    (8)獲取以上USB設備的相關(guān)信息后，USB主機會為USB設備分配并加載一個合適的設備驅(qū)動程序；

    (9)USB主機對USB設備進行配置，USB設備進入配置狀態(tài)。對于HID類設備，則初始化一個上行傳輸IN端點和一個下行傳輸OUT端點，上行傳輸是USB設備向PC上傳數(shù)據(jù)，下行傳輸是PC向USB設備發(fā)送數(shù)據(jù)^[4]。

    枚舉完成后，USB設備可以和USB主機進行數(shù)據(jù)傳輸。枚舉和枚舉完成后的數(shù)據(jù)傳輸過程中執(zhí)行一次事務處理就會產(chǎn)生一次中斷。USB中斷包括復位中斷、令牌中斷、STALL中斷和SOF中斷等，其中令牌中斷包括SETUP令牌中斷、IN令牌中斷和OUT令牌中斷。一次事務處理由令牌包、數(shù)據(jù)包和握手包組成，令牌包表明此次事務處理的目的，數(shù)據(jù)包中包含了要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，握手包表明此次事務處理的完成狀態(tài)^[5]。圖1是USB設備枚舉和數(shù)據(jù)收發(fā)的執(zhí)行流程圖。

2 USB驅(qū)動構(gòu)件設計

    驅(qū)動構(gòu)件的設計應滿足可復用性、可移植性和可維護性，其中復用性是設計目標，是軟件成熟的標志。軟件的復用可以降低軟件開發(fā)的難度、減少重復勞動、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)效率和軟件質(zhì)量、縮短軟件開發(fā)周期^[6]。驅(qū)動構(gòu)件由.c源文件和.h頭文件組成。源文件是構(gòu)件的功能函數(shù)實現(xiàn)，函數(shù)分為對外接口函數(shù)和內(nèi)部函數(shù)，對外接口函數(shù)供外部調(diào)用，內(nèi)部函數(shù)僅內(nèi)部調(diào)用；頭文件是構(gòu)件的功能描述，其中包含了對外接口函數(shù)聲明、相關(guān)宏定義和類型定義等。在實際使用時，構(gòu)件應滿足兩點：無需打開源文件，只要通過讀頭文件就知道如何使用；在不同芯片上使用時，只需要做少量修改或者無需修改。

    K64要作為USB設備使用，必須初始化USB模塊。上電后需要完成設備枚舉，設備枚舉過程需要做很多處理，但是所有USB設備的枚舉過程基本上是一樣的，因此設備枚舉可以作為一個函數(shù)進行集中處理。USB總線是輪詢式的，所有的通信都是由USB主機發(fā)起的，因此設備不能主動向USB主機發(fā)送數(shù)據(jù)，只能將要發(fā)給USB主機的數(shù)據(jù)準備好等待USB主機來取。為了方便向USB主機發(fā)送數(shù)據(jù)，在構(gòu)件中封裝一個發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)。如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送給USB主機，則調(diào)用該函數(shù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)填入指定的緩沖區(qū)內(nèi)即可，在下一次事務處理中由USB主機取出，使得USB設備可以“主動”發(fā)送數(shù)據(jù)?；谝陨戏治觯?USB驅(qū)動構(gòu)件將封裝4個函數(shù)，分別是初始化函數(shù)usb_init、枚舉處理函數(shù)usb_enumerate、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)usb_send和接收數(shù)據(jù)函數(shù)usb_recv。

2.1 usb_init函數(shù)

    初始化函數(shù)usb_init完成對USB模塊的初始化，主要包括內(nèi)存分配、時鐘源使能和使能USB中斷等。每一個USB設備都有一個序列號，同VID和PID一起作為設備的標識符，當兩個VID和PID都一樣的USB設備插入到PC時，序列號可以起到進一步區(qū)分的作用。序列號實際上是一個字符串描述符，考慮其用于唯一性標識USB設備的作用，將其作為USB設備的名稱，并傳入初始化函數(shù)中，這樣開發(fā)者就能夠方便命名自己的USB設備。

2.2 usb_enumerate函數(shù)

    枚舉處理函數(shù)usb_enumerate完成枚舉過程中的控制傳輸，該函數(shù)一般情況下無需改動。本驅(qū)動構(gòu)件是針對HID設備的，如果要開發(fā)為其他類型的設備，在修改描述符后，只需要對該函數(shù)做少量修改即可。以MSD設備為例，將HID設備的描述符文件usb_hid_device_descriptor.c替換為MSD設備的描述符文件usb_msd_device_descriptor.c。比較這兩個描述符文件，發(fā)現(xiàn)前者比后者多一個報告描述符，同時字符串描述符也不同。為了盡量減少對usb_enumerate函數(shù)代碼的修改，可以將MSD設備的設備描述符、配置描述符及其從屬的接口和端點描述符的名稱根據(jù)HID設備作對應修改。這樣，只需要刪除usb_enumerate函數(shù)中對報告描述符的處理即可。

2.3 usb_send和usb_recv函數(shù)

    發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)usb_send和接收數(shù)據(jù)函數(shù)usb_recv用于數(shù)據(jù)的收發(fā)。為了方便數(shù)據(jù)的收發(fā)，這兩個函數(shù)都有兩個參數(shù)。usb_send函數(shù)的兩個參數(shù)為SendBuff和DataLenght，usb_recv函數(shù)的兩個參數(shù)為RecvBuff和DataLength。進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，只要將待發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)地址和發(fā)送的數(shù)據(jù)長度傳入發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)usb_send的SendBuff和DataLength即可，下一次事務處理結(jié)束后，相應緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)就會被發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的執(zhí)行是一樣的，只是接收的數(shù)據(jù)已經(jīng)在本次事務處理中，只要使用usb_recv函數(shù)從相應端點的BD中取出即可，RecvBuff用于存放取出的數(shù)據(jù)，DataLength是取出的數(shù)據(jù)長度。

3 上位機軟件設計

    上位機軟件使用Windows提供的API函數(shù)對HID設備進行訪問，這些API函數(shù)包含在hid.dll、setupapi.dll、kernel32.dll文件中，分別起到與HID設備通信、尋找與識別設備、交換數(shù)據(jù)的作用^[7]，關(guān)于相關(guān)API函數(shù)的介紹可以查看MSDN。

    PC與USB設備建立連接的第一步就是找到該設備，上位機軟件必須時刻能夠檢測到USB設備的插入和移除事件，因此必須在相關(guān)窗體句柄創(chuàng)建時將這些事件通過RegisterDeviceNotification函數(shù)進行注冊，該函數(shù)位于user32.dll文件中。

    當檢測到一個新的USB設備插入或者被移除時，Windows將向應用程序發(fā)送一個WM_DEVICECHANGE消息，該消息宏定義為0x0219。然后由默認的消息處理函數(shù)WndProc進行處理，程序中對WndProc進行了重寫，以滿足尋找目標設備的要求^[8]。WndProc函數(shù)首先獲取USB總線上指定類型的設備列表，通過調(diào)用setupapi.dll文件中函數(shù)SetupDiGetClassDevs實現(xiàn)。SetupDiGetClassDevs函數(shù)的第一個參數(shù)是HID GUID，GUID是設備類型的唯一標識符，HID類設備的GUID可以通過hid.dll文件中的HidD_GetHidGuid函數(shù)獲取，為固定值4d1e55b2-f16f-11cf-88cb-001111000030。該函數(shù)的返回值是當前USB總線上所有HID類設備的信息，并保存于InfoSet隊列中。為了從InfoSet隊列中找到目標設備，需要調(diào)用setupapi.dll 文件中的SetupDiEnumDeviceInterfaces函數(shù)遍歷InfoSet隊列，并將每個設備的信息保存于DeviceInterfaceData 結(jié)構(gòu)體變量oInterface中。接著，從oInterface中獲取該設備的VID和PID，然后和目標設備的VID和PID進行匹配檢查，以確定該設備是否為目標設備^[9]。如果匹配則找到了目標設備，否則繼續(xù)調(diào)用SetupDiEnumDeviceInterfaces函數(shù)，獲取下一個設備的信息并繼續(xù)進行匹配檢查，直到找到目標設備或者InfoSet隊列中的設備都查找完畢為止。

    如果沒有找到目標設備，則回收InfoSet占用的內(nèi)存。如果目標設備找到，則使用該設備路徑作為參數(shù)并調(diào)用CreateFile函數(shù)打開該設備，之后就可以像讀寫文件一樣操作該設備。圖2是上位機軟件尋找USB設備和執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D。

4 構(gòu)件測試與分析

    圖3為數(shù)據(jù)和局部波形圖，圖3（a）是獲取設備描述符時使用TravelBus協(xié)議分析儀采集的數(shù)據(jù)，圖3（b）是對應的局部波形。枚舉過程中USB主機首先獲取USB設備的設備描述符。USB主機向USB設備發(fā)送一個SETUP令牌包，然后是DATA0數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包中包含了8個字節(jié)的十六進制數(shù)據(jù)80 06 00 01 00 00 40 00，該8個字節(jié)的數(shù)據(jù)是獲取設備描述符的標準設備請求。USB設備接收到該請求后開始處理并向USB主機返回一個ACK握手包，表明此次SETUP事務處理是成功的，從而完成控制傳輸?shù)脑O置階段。隨后USB主機發(fā)送IN令牌包開始取設備描述符，但是USB設備此時并沒有將設備描述符準備好，因此USB設備直接向USB主機發(fā)送一個NACK不確認包。

    USB主機繼續(xù)發(fā)送獲取設備描述符的IN令牌包，USB設備返回準備好的18個字節(jié)的設備描述符12 01 00 02 00 00 00 40 A2 15 7F 00 01 01 01 02 00 01，其中PID是0x15A2(第9和第10字節(jié))，VID是0x007F(第11和第12字節(jié))。之后，USB主機向USB設備發(fā)送一個ACK確認包，完成控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)階段。最后，USB主機發(fā)送一個OUT令牌包，再發(fā)送一個無數(shù)據(jù)的DATA1數(shù)據(jù)包，USB設備接收到之后返回一個ACK握手包，從而完成此次控制傳輸?shù)臓顟B(tài)階段^[10]。設備枚舉成功后，PC將USB設備掛載到設備列表中。

5 應用

    目前使用DLP技術(shù)的3D打印機需要與PC進行通信，通信的實時性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。將該USB通信系統(tǒng)應用于3D打印中，可以提高打印的穩(wěn)定性和實時性。打印過程中數(shù)據(jù)丟包率低、實時性高，使得所打印的產(chǎn)品紋理的連續(xù)性高（無斷層）、效果逼真。打印成品與局部紋理放大20 000倍效果如圖4所示。

6 結(jié)論

    本文在深入分析USB協(xié)議的基礎上，按照構(gòu)件化設計思想編寫USB驅(qū)動構(gòu)件，同時以恩智浦半導體公司的K64作為測試對象，并編寫上位機軟件，實現(xiàn)與PC之間的USB通信。另外，將該USB通信系統(tǒng)用于實際項目3D打印中，打印的產(chǎn)品滿足要求。本文所設計的USB驅(qū)動構(gòu)件封裝簡單合理、設備枚舉清晰、代碼移植性高、通信穩(wěn)定高效，可以作為驅(qū)動程序的開發(fā)模板，同時對USB驅(qū)動程序開發(fā)的規(guī)范性和可移植性具有很高的參考意義。

參考文獻

[1] 龍飛，何欽銘.構(gòu)件化開發(fā)方法在J2EE 項目中的應用[J].計算機工程與設計，2007，28(3)：591-594.

[2] 黃櫻，劉君，劉卉，等.基于ARM的嵌入式USB主機系統(tǒng)設計[J].微計算機信息(嵌入式與SOC)，2007，22(2)：156-157.

[3] ZHU J，WANG S，ZHANG S Y，et al.Embedded diver system for USB mouse[C].International Conference on Electrical & Control Engineering，2011：180-183.

[4] 侯代文，孫濤，鄧磊明.TMS320VC33與主機通信的USB接口設計[J].電子設計工程，2015，23(7)：166-170.

[5] 王宜懷，吳璟，蔣銀珍.嵌入式系統(tǒng)原理與實踐—ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6] 呂明琪，薛錦云，胡啟敏.基于軟件體系結(jié)構(gòu)的可復用構(gòu)件模型[J].計算機應用研究，2008，25(1)：120-122.

[7] 楊晶晶，江春華.USB HID設備驅(qū)動程序設計[J].微計算機信息(嵌入式與SOC)，2006，22(6)：140-142.

[8] 郭夏夏.動平衡測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學，2014.

[9] WATANABE H，MASAOKA H，OHIGASHI T，et al.Supporting USB devices for the global migration[J].IPSJ International Symposium on Applications & the Internet，2010：153-156.

[10] DONG Z Y，ZHAO H.Data transfer principles and implementation in USB microwave power sensor[C].Seventh International Symposium on Computational Intelligence & Design，2014：76-79.

作者信息：

胡唯唯1，王宜懷1，張  永2

（1.蘇州大學 計算機科學與技術(shù)學院，江蘇 蘇州215006；2.蘇州華祥信息科技有限公司，江蘇 蘇州215006）