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USB设备的Bulk模式驱动程序设计
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1 引言
通用串行总线(USB)是一种串行接口，具有自动配置能力和良好的兼容性，从而简化了计算机与外设的连接，被计算机外设硬件制造商广泛采纳。USB总线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了480Mbps，更适宜于高速数据传输。USB设备支持打印机、扫描仪、数码相机等外设时，由于这些外设与主机间传输的数据量大，要求驱动程序采用Bulk模式进行高速数据传输。
2 USB设备驱动的整体结构
USB设备驱动的整体结构包括如下五个主要部分：USB应用程序接口、USB设备驱动函数、USB中断服务程序、USB回调接口程序、USB标准事件处理程序。
3 USB应用程序接口
USB应用程序接口主要功能是对USB驱动器进行软硬件初始化、打开端口、关闭端口、读端口、写端口和端口控制操作。当设备驱动器装入系统设备表时，I/O系统就调用该应用程序接口。
USB应用程序接口的一个例程所包含的函数：
l USB_iNIt( ) —— USB端口驱动函数的安装和初始化、硬件配置。
l USB_open( ) —— 打开USB端口。
l USB_close( ) —— 关闭USB端口。
l USB_read( ) —— 对USB端口进行读操作。
l USB_write( ) —— 对USB端口进行写操作。
l USB_ioctl( ) —— 对USB设备进行I/O控制操作。
4 USB设备驱动函数
4.1 USB_init()—— 初始化USB端口
USB_init函数初始化特定USB端口驱动器，进行软硬件配置。
初始化步骤如下：
(1)将USB设备驱动器安装到I/O系统设备表中。
(2)获取USB控制器使用的中断号。
(3)获取各端口所需的系统资源，包括内存、信号量和消息队列。
(4)初始化USB驱动器数据结构与USB端口状态寄存器。
(5)启动USB标准事件处理程序。
(6)启用控制端口0和USB中断最小支持集。
4.2 USB_open()—— 打开USB端口
USB_open函数允许应用程序打开一个USB端口，选择DMA数据传输方式。
执行打开调用的典型步骤如下：
(1)如果不是默认的控制端口0，要检查端口状态是否为“CONFIGURED”。
(2)如果不允许多次打开，要确认端口还没有打开。
(3)确认端口对当前选择的接口有效。
(4)选择DMA传输，设置DMA控制器使用该端口的FIFO作为目的地址。
(5)设置端口为打开状态。
4.3 USB_close()—— 关闭USB端口
USB_close函数允许USB应用程序关闭一个端口，并关闭DMA通道。
执行关闭调用的典型步骤为：
(1)关闭DMA通道，放弃端口对DMA控制器的使用。
(2)设置端口为关闭状态。
4.4 USB_read()—— 对USB端口进行读操作
USB_read函数允许USB应用程序从输出端口或控制端口读取数据。
调用读函数的典型步骤为：
(1)设置端口号、类型和方向。
(2)确认端口处于打开状态。
(3)设置端口信号量，避免多次调用。
(4)调用readDMA( ) 进行DMA写操作。函数内执行步骤为：
(a) 启动DMA从端口接收FIFO的读操作，将数据从端口传送到内存。
(b) 等待DMA完成中断。(DMA中断向端口消息队列发送一条消息表示数据传输完成。)
(c) 重复进行(a)～(c)步骤直至接收到全部数据或USB主机结束传输。如果USB控制器检测到短包中断或零字节包，或者出现等待超时，则停止DMA传送，并转(d)步骤执行。
(d) 向USB主机发送一个零字节包，完成控制状态步骤。
(5)释放端口信号量。
(6)返回接收到的字节数或错误信息。
4.5 USB_write()—— 对USB端口进行写操作
USB_write函数允许USB应用程序写数据到输入端口或控制端口。
执行写调用的典型步骤为：
(1)确认端口号、类型和方向。
(2)确认端口处于打开状态。
(3)获取端口信号量，避免多次调用。
(4)调用writeDMA( )进行DMA写操作。函数内执行步骤为：
(a) DMA将内存数据传送到目标端口的FIFO，并等待DMA完成中断。
(b) 若从接收FIFO接收到USB主机的一个零字节包，或者出现等待超时，则退出并返回传输的字节数。
(c) 重复执行(a)～(c)步骤直至全部数据传输完毕时，转(d)步骤执行。
(d) 强制向USB主机发送最后的零字节包或短包用来结束传输过程。
(5)如果是控制端口，等待来自USB主机的零字节包，完成控制状态步骤。
(6)释放端口信号量。
(7)返回传输的字节数或错误信息。
4.6 USB_ioctl()—— 对USB设备进行I/O控制操作
USB_ioctl函数设置端口状态寄存器并执行I/O端口控制功能。
USB应用程序根据控制对象不同分别调用提供应用程序控制USB接口的能力的controlIoctl()和epIoctl()函数。controlIoctl()函数执行USB控制器整体I/O出控制功能。epIoctl()函数执行个别USB端口的I/O控制功能。。
4.6.1 controlIoctl( ) —— 控制器控制函数
controlIoctl()函数对USB控制器进行控制操作。执行I/O功能之前获取USB控制器信号量，避免多次调用影响正在传输数据的端口。完成I/O操作后释放信号量。
USB控制器应支持的控制功能包括：
(1)支持远程唤醒功能。
(2)设置USB端口进入/退出挂起状态。
(3)复位USB端口。
(4)设置USB控制器消息队列等待超时。
(5)为DMA选择端口FIFO。
(6)允许/禁止可选中断。
(7)读取帧时间戳起始位。
(8)进行枚举测试。
(9)返回接口、备用接口和当前USB端口配置状态。
4.6.2 epIoctl() —— 端口控制函数
epIoctl()函数对端口进行控制操作。执行I/O功能之前获取USB控制器信号量，避免多次调用影响正在传输数据的端口。完成I/O操作后释放信号量。
端口应支持的控制功能包括：
(1)获得USB端口状态。
(2)设置USB端口进入/退出阻塞状态。
(3)设置USB端口消息队列等待超时。
5 USB中断服务程序
USB控制器产生单一中断，多个端口共享。每个端口产生ACK、NACK/ERROR中断。输出端口产生接收零字节包或短包中断。控制端口0接收设置包时产生中断。USB控制器产生USB事件中断，如帧起始(SOF)、挂起、恢复和复位。
图2 USB中断处理
USB中断服务程序执行下列步骤：
(1)识别发生了USB中断的类型。
(2)清除中断产生的条件。
(3)读USB状态寄存器，获取当前配置、接口或帧起始时间戳状态信息。
(4)向USB控制器消息队列或回调函数的接收消息队列发送一条消息。
6 USB标准事件处理程序
USB驱动器初始化后，启动USB标准事件处理程序负责处理枚举过程和异步USB事件。
事件处理程序使用控制端口0，直到完成枚举过程。当USB应用程序处于非活动状态时，除控制端口0以外端口均不可访问。事件处理程序在端口0上执行控制操作，响应USB标准请求，并负责通知USB应用程序枚举完成和接口活动状态，USB事件通过回调接口传递到USB外设应用程序。当对USB端口枚举操作完成，USB应用程序就可打开并使用USB端口。
处理一个USB任务的执行过程为：
(1)读取USB控制器消息队列。
(2)如果接收到设置包，则调用标准请求处理函数。
(3)如果接收到事件，则调用USB事件处理函数。
(4)确定当前状态和有效配置/接口。
(5)更新USB控制器和端口数据结构。
(6)重复(1)～(5)步骤。
7 USB回调接口程序
回调应用程序接口是向应用程序提供反馈信息的一种接口，包括向应用程序通知USB事件的消息，如复位、配置改变、接口改变、挂起、恢复和帧起始。使用USB的应用程序要以下列方式回应这些消息：
(1)复位 关闭端口，等待枚举测试。
(2)配置改变关闭端口，按新配置打开端口。
(3)接口改变关闭端口，从新接口打开端口。
(4)挂起 进入低功耗模式。
(5)恢复 退出低功耗模式。
(6)帧起始 执行应用程序规定的处理。
8 总结
本文提供了进行USB端口Bulk模式驱动程序设计的过程，实现在USB接口设备与Host主机之间进行高速数据传输，对于嵌入式环境以及windows多线程环境下的USB设备的高速数据传输同样适用。
