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嵌入式系统 基于ARM微处理器与 C OS 实时操作系统的嵌入式系统设计与实例开发第五章嵌入式应用程序设计南开大学软件学院 本章目录 基于 C OS 的应用程序的建立嵌入式应用程序举例 基于 C OS 的应用程序的建立 操作系统的运行原理应用程序结构建立应用程序 应用程序结构 单任务循环结构 c单任务结构时的目录内容多任务结构 c多任务结构时的目录内容 应用程序举例 绘图的API函数应用举例系统的消息循环USB接口及通信文件的使用 USB接口及通信 USB是UniversalSerialBus的简称 是由Intel公司制定的通用串行总线架构 USB总线可以同时处理计算机与具有USB接口的多种外设之间的通信 这些连接到计算机上的外设共同分享USB的带宽 USB的分时处理机制真正在硬件的意义上实现了计算机外设的即插即用 USB1 1的传输速度 12Mb sUSB2 0的传输速度 480Mb s使用USB接口的设备 计算机外设如键盘 鼠标 MODEM 游戏杆 光驱 扫描仪等 发展趋势 可能成为外设接口的标准 以前插在串行 并行等外部扩展接口上的部件 以及一些以前要连接到电脑内部扩展槽上的设备 都开始以USB接口的界面出现 USB出现的背景 并行设备的缺点 1 占用系统资源严重 2 不能热插拔 3 扩展数量受限 4 硬 软件配置麻烦 存在潜在冲突 5 不同设备所使用的接口连接电缆不可共享 随着外围设备种类的增多 需要更为方便快捷 易于使用的外设接口 USB接口应运而生 竞争对手 IEEE1394 Fireware 高速度 软硬件复杂 多用于视频这种处理高速大量数据场合 USB的优点 Host控制器直接和总线相连 提高了系统性能 即插即用 热插拔 易于扩展 理论上可连接多达127个设备 接口标准统一 端口供电 不同设备可以共享接口电缆 USB的电气特性 四线电缆结构 VBUS GND用于向设备提供 5V电源 D D 是数据线 传输差动信号 差动传输可以提高信号的抗干扰能力 结束电阻 数据线末端的7 5k欧的接地电阻 用于在初次连接时判别外设是低速还是高速 USB系统的体系结构 一个基于计算机的USB系统在可以在系统层次上被分为三个部分 HOST 主机 Device 设备 和HUB 集线器 一个具体USB产品的的角色 计算机上的USB结构 USB系统的主从结构 只有主机才能和连接在主机的Hub上的设备进行通信 主机和主机之间 设备与设备之间无法进行数据通信 典型的USB通信模型 由一个主机和一个设备组成 软硬件都有一定的层次 主机层次 主控制器 系统软件 用户软件 设备端 USB总线接口 USB逻辑设备 功能 USB系统的数据传输 设备和主机之间存在四种可能的通信方式 控制数据传输 批量数据传输 中断数据传输 同步数据传输 控制数据传输是USB设备建立和主机的连接时所使用的默认连接 主机和设备之间传输的两种信号 数据和控制信号 通道 数据传送时在主机和某个设备的指定端口之间进行 这种主机和设备端口之间的联系称为通道 一个指定的设备可以有许多通道 一种通道只能支持四种通信方式之一 通道的两种类型 单向 双向 数据传输方式 控制数据传输 USB设备初次安装时 USB系统软件利用控制数据设置USB设备 设备驱动程序包含在控制数据中 批量数据传输 传送的是大量的 连续的数据 如打印机数据 中断数据传输 数据量小 可以由设备在任何时候发送 数据延时时间有限定 传送速度不低于设备指定的速度 同步数据传输 以稳定的速率发送和接收实时的信息 数据的传送是连续且实时的 发送者和接收者的速度要想同 尽量避免传送延迟 典型同步数据 语音 同步数据的实时传送会发生潜在的数据流丢失现象 解决方法 缓冲 带宽分配 重传 USB系统的数据传输原理 共享带宽的工作方式 主控制器 hostcontro ller 和与它连接的多个不同传输方式的设备同时进行通信 数据传输格式 间隔为1ms的混合数据帧 多种数据传输方式并存时的带宽分配 中断和同步传输因对时间要求高而占绝大部分带宽 其次是控制传输 批量传输 Transaction 不同设备的数据请求在主机端被分成若干的小块 每个小块叫做一个Transaction 为保证连接到主机上的设备可以同时工作 主机每次从不同的设备取一个小块构成一个1ms的混合帧 然后把整个帧发送到USB总线上 Transaction的结构 包含三个包 令牌包 数据包和握手信号包 令牌包数据描述传输动作的种类 方向 USB设备地址和终端号 在每次传送的开始由主控制器发送 主机发送令牌包之后 发送端发送包含信息的数据包 然后接收端发送一个握手数据包表明传送成功 即插即用功能的实现 热插拔的原理 设备插入主机后 主机通过向设备查询描述符来实现对设备的了解 进而建立起通信 此过程称为枚举 设备的描述符一个设备只有一个Device描述符 指明设备所属的类 每个设备可以由一个或者多个配置 配置定义设备的功能 配置是接口的集合 接口指定设备中哪些硬件与USB交换数据 接口是端点的集合 每一个与USB交换数据的硬件就叫一个端点 USB系统的硬件结构和软件结构 硬件结构 根据不同的应用场合 选用芯片厂商的USB接口芯片 构成USB主控制器或是USB设备的硬件 HOST系统常选用Cypress公司的SL811H芯片 Device系统可选用Philips的PDIUSBD12芯片 软件结构 主机在在USB通信中占有主导地位 主机通过主机控制器和USB设备进行交互 检测设备的安转和拆卸 管理主机和设备之间的控制流 管理主机和设备之间的数据流 收集状态和动作信息 提供能量给连接的USB设备 USB系统中数据通信的两个阶段 通信建立阶段 在主机和设备之间建立固定管道 主机向设备发送描述符请求 设备向主机提供各种描述符 主机对设备进行设置 包括端点和地址设置 数据通信阶段 主机和设备之间按照枚举过程中定义的设备地址和端点来传输数据 直到通信结束 了 USB系统的开发流程 1 系统结构 功能定义 确定是USBHOSTorDEVICE 采用USB2 0orUSB1 0 实时性要求2 选择接口芯片或者带USB接口芯片的位处理器3 设计制作接口电路4 软件编写5 开发PC端驱动程序和应用程序6 系统调试 调试设备中的软件 调试PC端的驱动程序和客户端程序 系统调试 嵌入式系统与USB 以前的嵌入式设备大多通过异步串行口和PC机进行通信 USB接口是嵌入式设备和PC机进行高速通信的理想选择 NETARM3000的USB接口扩展 NETARM3000的USB接口是设备接口 只能和主控端口相连 对PC来说 NETARM3000可以看成是一个海量存储设备 具有U盘功能 USB对嵌入式系统的影响 传统上 嵌入式系统的数据交换采用RS 232异步串行接口 速度低 需要构建专门的通信程序 无法实现通用化和规范化的要求 USB通信方式代替RS 232通信方式的好处 1 便于具有USB接口的嵌入式设备和PC的连接 2 便于具有U盘功能的嵌入式设备和PC机交换文件 3 具有主机功能的嵌入式设备可以读写U盘 便于野外数据采集 4 可以组建模块化的高速工业测控网络 右图 NetARM3000的USB的接口电路 NetARM3000的USBAPI函数 USB连机通信 参考exp13 14的框架 编写main c文件的内容 实现 系统启动后 显示按键连接usb的提示文字 编写键盘响应函数 实现 按下某一特定键时进入usb连接状态 并显示一个彩色位图图片 按下另一特定键时退出连接 取消显示图片 恢复显示按键连接usb的提示文字 显示指定位图函数 VoidShowBmp PDCpdc charfilename intx inty 注意 进入usb连接状态 将自动暂停多任务调度 与多任务相关的函数不能使用 图片显示要在调用EnterUsbConnect 函数之前 首先要调用显示图片函数 然后调用OSTimeDly 更新显示 位图显示函数 退出USB连接状态后 多任务自动恢复 文件的使用 见实验15 目的 使用系统提供的API函数 打开一个英文文本文件 并把文件的内容输出显示在LCD上 步骤 利用USB接口向实验板的海量存储