引言

VxWoAs是美國Wind River System(WRS)公司開發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng)。VxWorks中的I／O子系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供了簡單、統(tǒng)一、與設(shè)備無關(guān)的訪問接口。I／O系統(tǒng)內(nèi)部采用設(shè)備列表、驅(qū)動程序列表和文件描述符表來實現(xiàn)對不同設(shè)備的管理與訪問，從而為開發(fā)通用外部設(shè)備驅(qū)動程序提供了便利。然而在一些專用系統(tǒng)上，為了縮短設(shè)備的響應(yīng)時間，提高設(shè)備的讀取速度，有必要將設(shè)備與I／O系統(tǒng)獨(dú)立起來。由于VxWorks屬于微內(nèi)核，所有的程序均運(yùn)行在同一線性地址空間，這也為設(shè)備與I/O系統(tǒng)的獨(dú)立提供了條件?；赩xWorks的I／O子系統(tǒng)設(shè)備管理的思想，本文提出了一種在VxWorks下對多個同類USB設(shè)備進(jìn)行管理的設(shè)計方案。該方案可使得對設(shè)備的訪問獨(dú)立于I／O子系統(tǒng)。

1 VxW0rks的I／O子系統(tǒng)設(shè)備管理

VxWorks I／O系統(tǒng)內(nèi)部對設(shè)備的管理主要通過三張表來實現(xiàn)，即驅(qū)動程序列表、設(shè)備列表和文件描述符表。其中驅(qū)動程序列表用來管理已注冊的設(shè)備驅(qū)動程序，它的大小是固定的，有NUM DRIVERS項，每一項對應(yīng)驅(qū)動程序的入口點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)I／O接口函數(shù)時，I／O子系統(tǒng)便可通過驅(qū)動程序列表檢索到設(shè)備的驅(qū)動程序，從而實現(xiàn)對指定設(shè)備的訪問、發(fā)送、接收等操作。系統(tǒng)可利用iosDrvInstall()注冊設(shè)備驅(qū)動程序，并將設(shè)備的人口函數(shù)加入到驅(qū)動程序列表。同時返回一個drvnum驅(qū)動程序號，并將其作為設(shè)備描述符的一部分，從而以此把設(shè)備與其驅(qū)動程序聯(lián)系起來。I／O子系統(tǒng)采用鏈表對所有設(shè)備進(jìn)行管理，該鏈表稱之為設(shè)備列表。調(diào)用iosDevAdd ()可向系統(tǒng)添加設(shè)備，添加設(shè)備時，應(yīng)指明設(shè)備名稱及驅(qū)動程序索引號，該索引號就是iosDrvInstall ()返回的索引號。在VxWorks中，一個設(shè)備可以被多次打開，但對于每一次打開，系統(tǒng)將利用一個文件描述符來區(qū)分，本系統(tǒng)將會維持一張文件描述符表，該表的每一項記錄了與設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動程序號和設(shè)備ID，這樣，就會文件描述符與驅(qū)動程序、以及設(shè)備之間建立一種聯(lián)系。這樣，在利用標(biāo)準(zhǔn)I／O函數(shù)進(jìn)行讀寫時，就可以根據(jù)文件描述符從文件描述符表中找到對應(yīng)的驅(qū)動程序的人口與設(shè)備ID。VxWorks中的這三張表的關(guān)系如圖1所示。

2 USB設(shè)備管理方案設(shè)計

設(shè)計獨(dú)立于I／O系統(tǒng)的USB設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計思想主要基于兩點(diǎn)，第一是用戶自己管理設(shè)備。第二是通過驅(qū)動程序直接向應(yīng)用程序提供可用于讀寫設(shè)備的接口函數(shù)。由于設(shè)備獨(dú)立于I／O系統(tǒng)，用戶需要自己設(shè)計一種設(shè)備管理方法，以便對多個接入的USB設(shè)備進(jìn)行合理的管理。然而由于不存在設(shè)備驅(qū)動程序列表，故在設(shè)計時還需要有一種方法來解決設(shè)備的訪問問題。

2．1 USB設(shè)備描述符

設(shè)備描述符實際上是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可在系統(tǒng)中作為一個邏輯結(jié)構(gòu)體。它是一個具體設(shè)備的抽象?？膳c一個物理設(shè)備相對應(yīng)，是參與設(shè)備管理、訪問的主要結(jié)構(gòu)體。鑒于I／O子系統(tǒng)對設(shè)備的管理，在對多個USB設(shè)備進(jìn)行管理時，對于設(shè)備的存儲，可采用雙向鏈表來進(jìn)行管理，稱之為設(shè)備列表。鏈表對USB設(shè)備的管理主要通過設(shè)備頭(USB_BEV_HDR)來實現(xiàn)。USB設(shè)備頭是一個與具體設(shè)備無關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它由一個鏈表節(jié)點(diǎn)和設(shè)備名稱組成。節(jié)點(diǎn)中包含指向有前一個和下一個USB設(shè)備的設(shè)備頭的鏈表節(jié)點(diǎn)。實際上，每一個USB設(shè)備都會有更多的數(shù)據(jù)存儲在更大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。這個結(jié)構(gòu)就是設(shè)備描述符，而USB設(shè)備頭只是做為USB設(shè)備描述符的起始部分。設(shè)備頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(USB_DEV_HDR)如下：

其中，USB_DL_NODE是一個鏈表節(jié)點(diǎn)，它由兩個鏈表節(jié)點(diǎn)指針域組成。分別指向前一個和下一個設(shè)備的鏈表節(jié)點(diǎn)。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

這樣，就可以把USB設(shè)備的描述符劃分為兩部分，其中一部分與具體設(shè)備無關(guān)，稱為設(shè)備頭：另外一部分是與具體設(shè)備相關(guān)的設(shè)備特殊數(shù)據(jù)，設(shè)備相關(guān)部分包括USB設(shè)備的Node ID、USB管道句柄、端點(diǎn)地址、狀態(tài)等信息。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)備無關(guān)部分主要用于設(shè)備管理，而設(shè)備相關(guān)部分則用于對設(shè)備的訪問。

2．2設(shè)備列表設(shè)計

為了方便對設(shè)備的管理，USB設(shè)備列表可采用雙向鏈表結(jié)構(gòu)，其作用是將所有USB設(shè)備的有關(guān)信息組織起來，從而實現(xiàn)對多個設(shè)備的鏈?zhǔn)焦芾?。前面提到的設(shè)備描述符就是一個存儲了設(shè)備信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而所有USB設(shè)備描述符都是以設(shè)備頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開始的，這樣，就可以很方便地將設(shè)備描述符組成一個鏈表形式的設(shè)備列表。通常鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

圖3所示是一個空設(shè)備列表，而非空設(shè)備列表則如圖4所示。

對于同類USB設(shè)備，通常程序只維護(hù)一張設(shè)備列表，在注冊該USB設(shè)備驅(qū)動程序時，初始化設(shè)備列表為空，驅(qū)動程序只能被真正的注冊一次，因此，設(shè)備列表也只初始化一次。當(dāng)驅(qū)動程序中的回調(diào)函數(shù)檢測到有設(shè)備動態(tài)接人時，系統(tǒng)會在創(chuàng)建設(shè)備、分配設(shè)備資源的同時將設(shè)備描述符加入到設(shè)備列表，而且只將其加入到設(shè)備列表的尾部。而在有設(shè)備動態(tài)移除時，驅(qū)動程序回調(diào)函數(shù)會捕獲移除動作，并根據(jù)設(shè)備的標(biāo)識遍歷設(shè)備列表，以查找出移除的設(shè)備，然后將其描述符從設(shè)備列表中刪除。遍歷設(shè)備列表其實就是一個查找設(shè)備的過程。查找設(shè)備時，每一個設(shè)備都需要用唯一的一個標(biāo)識來與其它設(shè)備區(qū)別，從而引出了設(shè)備的唯一標(biāo)識問題。

2．3 USB設(shè)備的標(biāo)識問題

同I／O系統(tǒng)標(biāo)識設(shè)備一樣，對于USB設(shè)備的標(biāo)識。也可以采用設(shè)備名來標(biāo)識。這樣可以給用戶一個直觀的概念，而且便于記憶。利用設(shè)備頭(USB_DEV_HDR)中的name指針域可以為每一個接入的設(shè)備起一個名字。這樣，對于不同的設(shè)備，就可以用名字字符串來唯一區(qū)分，但這不利于快速訪問設(shè)備，因為在每次查找設(shè)備的時候?qū)τ诿恳粋€設(shè)備鏈表節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行一次字符串比較，這樣便延長了查找設(shè)備的時間。針對USB設(shè)備及VxWorks下USB協(xié)議棧的特點(diǎn)，充分利用USBD對USB設(shè)備的標(biāo)識，在設(shè)計中可采用USBD_NODEjD來標(biāo)識設(shè)備。在VxWorks中的USB協(xié)議棧中。對每一個USB設(shè)備為其分配一個唯一的USBD_NODE_ID號。事實上，VxWorks USBD并不關(guān)心設(shè)備與哪一個USB主控制器相連，也不關(guān)心物理設(shè)備的連接細(xì)節(jié)以及地址分配，USBD通常只是采用USBD_NODE_ID來定位設(shè)備。因此，基于USBD對USB設(shè)備的定位方法，在采用鏈表對USB設(shè)備進(jìn)行管理時，也可以采用USBD_NODE_ID來唯一標(biāo)識一個USB設(shè)備。在用該方法標(biāo)識設(shè)備時，可將USBD_NODE_ID nodeld作為USB設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)體的一個成員，其設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)改造如下：

由于USBD_NODE_ID是一個32位無符號整型數(shù)，因此，在查找設(shè)備時，可以用switch case語句來完成。

2．4設(shè)備訪問技術(shù)

由于設(shè)備是獨(dú)立于I／O系統(tǒng)的，因此不存在驅(qū)動程序列表和文件描述符表。設(shè)計時，可采用驅(qū)動程序直接向應(yīng)用程序提供可訪問設(shè)備的接口函數(shù)，以替代驅(qū)動程序列表，而采用USBD_NODE_ID數(shù)組來存放多個USB設(shè)備的標(biāo)識，以替代文件描述符表，如：USBD_NODE_ID usbd_node_id[MAX_DEV_NUM]。

對于同類USB設(shè)備，根據(jù)其Product ID的不同，可將其記為O、l、2……MAX_DEV_NUM號設(shè)備，并分別將其USBD_NODE_ID存放于數(shù)組的對應(yīng)位置。這樣，在訪問設(shè)備時，就可利用設(shè)備號來代替文件描述符，例如在讀取0號設(shè)備時，由其索引值0，就可得到其USBD_NODE_ID為USBD_NODE_ID usbd_node_id[O]，再從設(shè)備列表中查找出nodeld為usbd_node_id[O]的設(shè)備結(jié)構(gòu)體，就可最終得到設(shè)備資源。通過USBD_NODE_ID數(shù)組來管理多個設(shè)備的nodeld如圖5所示。

在讀寫設(shè)備時?？梢栽O(shè)備號作為設(shè)備的標(biāo)識，并通過設(shè)備號在nodeld數(shù)組中得到設(shè)備的nodeId，再從設(shè)備列表中查找到具體的物理設(shè)備的描述符。從而得到設(shè)備資源并對設(shè)備進(jìn)行訪問。以LM9833讀設(shè)備為例，其讀設(shè)備原型代碼如下：

其中，usbScanRead()是驅(qū)動程序向用戶應(yīng)用程序提供的接口函數(shù)，直接調(diào)用該函數(shù)即可讀取設(shè)備，其它的設(shè)備函數(shù)也是如此，其中設(shè)備號dev是由用戶根據(jù)不同設(shè)備的不同Product ID(PID)號制定的，這樣，當(dāng)設(shè)備接入系統(tǒng)時，驅(qū)動程序就會根據(jù)其PID號判斷其設(shè)備號，并將該設(shè)備的nodeld值存放于數(shù)組的特定位置。由于此時設(shè)備始終處于就緒狀態(tài)，用戶可以隨時對設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，而并不存在打開設(shè)備的操作。

讀寫設(shè)備時，首先要根據(jù)設(shè)備號dev從設(shè)備列表中查找出設(shè)備，并將其定位到具體的設(shè)備描述符上。在查找設(shè)備時，遍歷設(shè)備列表，就可找到節(jié)點(diǎn)設(shè)備描述符中nodeId與usbd_node_id[dev]相匹配的設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)體，并返回該結(jié)構(gòu)體，然后再由設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)體得到設(shè)備的資源信息，從而實現(xiàn)對設(shè)備的讀寫。圖6所示是查找設(shè)備的一個簡單流程。

該方法屏蔽了復(fù)雜的驅(qū)動程序列表和文件描述符表，從而提供了一種快速定位和訪問設(shè)備的方法。這種方法在專用的系統(tǒng)中，對同類USB設(shè)備的訪問是非常高效的，但不具有通用性，也就是說，對于不同類別的設(shè)備。則需要另外一套同樣的機(jī)制來實現(xiàn)。

3 結(jié)束語

本文提出了一種獨(dú)立于VxWorks I／O系統(tǒng)的USB設(shè)備管理方法。該方法也是一種獨(dú)立于I／O系統(tǒng)的USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計模式，它對于在專用系統(tǒng)中同類USB設(shè)備的管理是非常有效的。通過對USB設(shè)備描述符、設(shè)備列表、以及應(yīng)用程序訪問設(shè)備流程的設(shè)計，可以成功實現(xiàn)獨(dú)立于I／O系統(tǒng)的設(shè)備管理方法。這一種方法可以利用驅(qū)動程序直接向應(yīng)用系統(tǒng)提供接口函數(shù)和nodeld數(shù)組。從而摒棄了I／O系統(tǒng)中復(fù)雜的驅(qū)動程序列表和文件描述符等概念。目前，這種獨(dú)立于VxWorks I／O系統(tǒng)的USB設(shè)備管理方法已在某大型掃描儀中得到應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。