一种嵌入式系统下USB存储器的驱动开发方法

摘要

一种嵌入式系统下USB存储器的驱动开发方法，包括：利用现有的IO系统和文件系统确定整个驱动的系统结构；实现对HC模块的初始化，完成HCI接口；实现对USB存储器的识别和配置；在USB传输通道已经正确建立的基础上，通过标准命令完成对USB存储器的容量获取、块读写模块接口；衔接USB底层驱动和上层块驱动以及文件系统，实现对块设备的创建和文件系统的加载；向用户提供文件创建、打开、删除、读写等接口。利用本发明，可以在嵌入式系统下快速、简便地完成USB存储器的驱动开发。从而在嵌入式系统中实现对USB存储器的支持，使得嵌入式系统中的各种信息可以通过USB存储器来进行传递，充分利用了USB存储器良好的通用性、可靠性、移植性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种USB存储器的驱动开发方法，尤其是一种嵌入式系统下的USB存储器的驱动开发方法。

背景技术

目前，USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)存储器已经广泛应用到了个人计算机领域，充分体现出了其携带方便、操作简单的优点。但是USB存储器在嵌入式系统中的应用还很少。目前在嵌入式系统中，存储设备大多还局限在固定的FLASH或笔记本硬盘上，使用起来极不方便，容量上非常固定，一旦系统设计完成之后，容量就很难变动，这样就可能出现不能满足使用或出现浪费的情况。另外因为缺乏移动性，也不方便信息的交互、保存。造成嵌入式系统下USB存储器很少应用的主要原因是：嵌入式系统下USB存储器的驱动开发难度较大，成本较高。因此，在嵌入式系统下如何快速，简便地进行USB存储器的驱动开发成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：在嵌入式系统下，提供一种快速，简便的USB存储器的驱动开发方法。

本发明的目的是这样实现的：

1.1利用现有的IO系统(输入输出系统)和文件系统确定整个驱动的系统结构；

1.2实现对HC模块(主控制器模块)的初始化(针对不同的HC硬件模块实现不同的HC初始化)，完成HCI接口(主控制器接口)；

1.3实现对USB存储器的识别和配置，包括：设备加电后通过复位可进入默认状态，通过控制端点对设备进行地址设置；将配置值写入设备；

1.4在USB传输通道已经正确建立的基础上，通过标准命令完成对USB存储器的容量获取、块读写模块接口；其中，完成对USB存储器块读写模块接口，包括命令传输阶段、数据传输阶段、状态传输阶段三个阶段；

1.5衔接USB底层驱动和上层块驱动以及文件系统，实现对块设备的创建和文件系统的加载；

1.6向用户提供文件创建、打开、删除、读写等接口。

本发明所确定的整个驱动的系统结构依次为：上层应用、IO系统和文件系统、USB驱动层和主控制器驱动层、硬件部分；其中USB驱动层包括USB存储器识别与配置模块、USB存储器容量获取模块、USB存储器数据块读模块、USB存储器数据块写模块、USB存储器复位模块；使用块驱动作为文件系统和USB存储器驱动之间的接口；上层应用直接调用IO系统和文件系统提供的接口；IO系统在文件系统之上提供各种文件操作接口；文件系统在块驱动接口之上挂接文件系统；块驱动接口连接底层各种驱动入口和嵌入式系统提供的文件系统库；USB驱动层在HC驱动层之上完成相关的USB协议，并提供块驱动所需的接口；主控制器驱动层实现主控制器硬件的初始化，并完成主控制器接口；硬件部分包括主机端的主控制器模块以及USB存储器。

利用本发明，可以在嵌入式系统下快速、简便地完成USB存储器的驱动开发。从而在嵌入式系统中实现对USB存储器的支持，使得嵌入式系统中的各种信息可以通过USB存储器来进行传递，充分利用了USB存储器良好的通用性、可靠性、移植性。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的驱动开发对象层次架构示意图；

图3是本发明中USB存储器识别和配置步骤流程图；

图4是本发明中USB存储器块读操作步骤流程图；

图5是本发明的USB存储器块写操作步骤流程图。

具体实施方式

本发明利用嵌入式系统中现有的文件系统和ATA硬盘驱动，挖掘出ATA硬盘驱动和USB存储器本质上的相似之处，那就是它们都是块设备，从用户的角度来看它们都能够进行文件的读写等操作。通过采用嵌入式系统中现有的块设备上层接口以及文件系统，针对块设备驱动所需要提供的底层接口，推导出在嵌入式系统中实现USB存储器正常操作所需要的最少功能接口，主要包括USB存储器的初始化接口、获取存储器容量接口、数据块读接口、数据块写接口、设备复位接口。在底层的这些接口中实现对USB相关协议的支持，并支持标准的USB闪存盘、USB硬盘等USB存储设备。

从系统的角度来说，要在嵌入式系统中实现对USB存储器的支持，需要两个必不可少的部分：硬件部分、软件驱动。

硬件部分包括HC(Host Controller，主控制器)模块和USB存储器。HC模块连接在嵌入式系统中，许多专用的芯片包含有USB HC模块，可以支持一到几个USB端口。USB存储器是连在USB端口上的存储设备，可以是USB闪存盘，也可以是带USB接口的笔记本硬盘。

而整个软件驱动的组成包括7个部分：

A模块：块设备封装以及IO系统；

B模块：USB存储器识别与配置模块；

C模块：USB存储器容量获取模块；

D模块：USB存储器数据块读模块；

E模块：USB存储器数据块写模块；

F模块：USB存储器复位模块；

G模块：HC初始化模块；

其中，A模块用来提供USB存储器上层的IO操作，包括对文件系统的初始化、完成文件读写操作等。

G模块完成HC的初始化，这一部分需要根据硬件的变化作相应的设置，包括PCI配置、中断的挂接、HC各种寄存器的初始化，根据硬件的具体设计以及硬件相关手册来完成。

B、C、D、E、F五个模块建立在G模块的上层，需要利用G模块提供的相关接口，实现USB和主存类相关协议，并对上层(A模块)提供必不可少的功能接口。

具体地说，B模块主要对USB存储器进行识别和配置。模块对HC进行操作，构建标准的USB请求，通过HCI接口(Host Controller Interface)向USB端口所连的设备发出标准请求，以获得USB设备的各种信息，USB设备的各种信息是通过设备响应USB标准请求返回的描述符来描述的。主要有设备描述符(Device Descriptor)、配置描述符(Configuration Descriptor)、接口描述符(Interface Descriptor)、端点描述符(Endpoint Descriptor)。其中，可以通过设备描述符获得设备的类型，通过配置描述符获得配置信息以及接口的个数，通过接口描述符获得一个配置中的一个特定接口信息，并获得本接口所包含的端点数目，而端点描述符则反映了端点的类型、数据传输方向以及传输包的最大大小。通过对这些描述的比较，我们可以知道所连接的USB设备是否被本驱动模块支持，还可以根据所获得的配置信息对设备进行特定的配置，配置完成之后，就可以对设备进行下一步的块数据访问了。总的说来，B模块所要完成的是，在上层接口与USB存储器之间构建一个符合USB协议标准的传输通道，以便于后面进行特定的命令、数据传输。

C模块要实现的是获得USB存储器的容量。这个模块的调用是在正确运行B模块之后。通过B模块已经建立好的USB传输通道，向USB存储器传送容量获取命令，USB存储器以块数和块大小的格式返回容量数据，二者的乘积就是USB存储器的物理容量(以字节为单位)，这个数据被上层的接口使用，为块读写操作提供大小和边界的依据。

D模块实现指定块数据的读取。通过B模块已经建立好的USB传输通道，向USB存储器发送读块命令，并指定需要读取的初始块地址以及块数，USB存储器将这些块的数据返回。

E模块实现向指定的块写入数据。通过B模块已经建立好的USB传输通道，向USB存储器发送读写命令，并指定需要写入的初始块地址以及块数，USB存储器将通过USB传输通道获取的数据写入存储器相应的块中。

F模块主要完成对USB端口进行复位。在对USB端口或USB存储器进行操作遇到问题需要复位时，可以调用此功能接口。这个接口也是完成上层块驱动必不可少的。

本发明驱动开发方法流程如图1所示：

第一步，利用现有的IO系统(输入输出系统)和文件系统确定整个驱动的系统结构。具体的层次结构如图2。确定使用块驱动作为文件系统和USB存储器驱动之间的接口是本发明中很重要的一点。通过实践，我们采用图2的层次结构作为整个USB存储器驱动的架构。整个层次清晰而简练。上层应用直接调用IO系统和文件系统提供的接口，他们不必关心底层的操作细节。IO系统在文件系统之上提供各种文件操作接口。文件系统在块驱动接口之上挂接文件系统。块驱动接口作为USB驱动和文件系统之间的桥梁，连接底层各种驱动入口和嵌入式系统提供的文件系统库。USB驱动层在HC驱动层之上完成相关的USB协议，并提供块驱动所需的接口。HC驱动层针对特定的USB HC硬件，实现硬件的初始化等操作，并完成HCI(主控制器接口)。硬件部分包括主机端的HC模块以及外接的USB存储器。

第二步，针对不同的HC硬件模块实现不同的HC初始化，完成HCI接口。驱动的主体框架确定以后，进入实际的驱动开发，首先遇到的就是要对最底层的硬件HC模块进行初始化，并完成HCI接口。市场上主要有两大类USB主控制器，一类支持通用主控制器接口(Universal Host Controller Interface，简称UHCI)，一类支持开放主控制器接口(Open Host Controller Interface，简称OHCI)。对主控制器的初始化也主要是针对这两种接口规范。

第三步，实现对USB存储器的识别和配置。这一步对开发出来的USB存储器驱动的兼容性非常重要。图3描述了USB存储器识别和配置过程中的状态转换和相关操作。设备加电后通过复位可进入默认状态，进入默认状态后，可以通过控制端点(端点0)对设备进行地址设置，一个USB接口最多可连127个设备，要与不同的设备通信，必须首先对设备进行编址，编址之后就可以使用设定的地址访问设备了，此时的设备转入已编址状态。之后的操作是获取设备的各种描述符信息，从设备和接口的类、子类、协议可以判断此设备是否被支持。我们所支持的USB存储器属于USB协议中提到的MASS STORAGE类(海量存储设备类)，并且支持SCSI(Small Computer SystemInterface)子类，使用的传输协议是BULK-ONLY传输(块传输)。如果USB端口上连接的设备是驱动支持的类型，就进入配置过程。配置过程将配置值写入设备，设备进入已配置状态。至此，USB传输通道已经建立，可以对设备进行后续的读写等操作了。

第四步，在USB传输通道已经正确建立的基础上，通过标准命令完成对USB存储器的容量获取、块读写模块接口。块读写的过程如图4和图5。都是分为三个阶段：命令传输阶段、数据传输阶段、状态传输阶段。要注意的是，数据传输是以整块位单位的。

第五步，衔接USB底层驱动和上层块驱动以及文件系统，实现对块设备的创建和文件系统的加载。

第六步，向用户提供文件创建、打开、删除、读写等接口。

本发明结合USB从上层的文件系统、块驱动推导出USB存储器驱动系统的整体结构，再依据最底层的USB主控制器硬件和USB存储器，从下往上完成相关的底层接口，最后综合调试。构成了嵌入式系统下开发USB闪存盘驱动的整个过程。

下面针对一个更为具体实例做详细描述：

结合图2驱动的整体层次结构来进行说明。整个系统按照硬件和软件两个大的部分。

硬件部分的USB存储器采用USB闪存盘。主控制器部分采用Intel公司的南桥芯片82371EB，这块芯片内部带有一个支持UHCI的USB主控制器，并带有两个USB端口。

软件部分的操作系统采用通信领域广泛应用的VxWorks实时操作系统，VxWorks提供了上层IO系统、文件系统以及相关的块驱动层。我们借助VxWorks的块驱动推导出需要实现的USB闪存盘底层相关接口，主要包括：UsbDevInit(USB闪存盘的识别和配置)、UsbGetCapacity(USB闪存盘容量获取)、UsbBlockRead(USB闪存盘块读)、UsbBlockWrite(USB闪存盘块写)、UsbDevReset(USB闪存盘复位)。

软件部分的详细处理步骤是这样的：

首先必须完成82371EB芯片USB主控制器的初始化工作，包括对USB主控制器模块的PCI配置，相关寄存器的设置，以及实现UHCI接口。这些可以参照芯片手册完成。

对于以后的操作我们针对USB闪存盘设计了一个设备结构。用来存储设备的连接状况、当前所处的状态、设备的各种属性(包括描述符、容量、读写支持等)、支持的操作等。以后的各种操作都需要参考这个结构的状态。

在完成USB主控制器和USB闪存盘设备结构的初始化后，只要有设备连到USB端口，就会产生Resume中断(这个中断表明USB端口有设备连上或拔出)，此时即会调用USB设备识别和配置例程。这个过程按照图3所描述的过程进行。在正确的识别和配置USB闪存盘后，就表明USB设备的初始化过程成功了(也就是通常所说的USB枚举过程)。

之后的块读写和容量获取等操作都是通过USB传输管道(pipe)，采用USB闪存盘所支持的SCSI命令来实现的。按照执行SCSI命令的三个阶段，完成READ(读块)，WRITE(写块)，READCAPACITY(读容量)三个命令，也就实现了相关的三个功能接口。这些功能接口作为块驱动的底层驱动入口被调用。

结合USB从VxWorks上层的文件系统、块驱动推导出USB闪存盘驱动系统的整体结构，再依据最底层的USB主控制器硬件和USB闪存盘，从下往上完成相关的底层接口，最后综合调试。构成了VxWorks实时操作系统下开发USB闪存盘驱动的整个过程。