可重用嵌入式USB主机驱动的设计与实现

论文摘要

USB是一种“主从”(主机/外设)结构的通用串行总线技术,具有简单灵活、高带宽、可靠性强、易于扩展和热插拔等优点,传统的USB主机大都位于PC上,USB设备只能连接PC进行应用。随着消费类电子产品的飞速发展,越来越多的嵌入式系统中集成了USB主机控制器,这就要求在嵌入式设备上实现一套USB主机驱动程序。传统意义上的USB驱动程序开发都是针对USB外设驱动的开发,主控制器驱动大部分由操作系统来提供。在USB主机开发领域中,基于桌面的两大主流操作系统中,Windows不公开源码而Linux的代码却不方便移植;而在嵌入式操作系统中,诸如μCOS,VxWorks和QNX等OS的USB主机协议栈也是不公开的。因此,对于芯片设计和方案提供厂商来说,自主实现一整套通用性强且方便移植的USB主机驱动程序将会有更大的意义。另外,在大多数自行开发的嵌入式USB系统软件中,底层驱动程序、操作系统和应用程序的界线往往是不清晰的,这样增加了软件的耦合度,一旦硬件和操作系统发生变更时,维护成本和风险大大增加,更降低了代码的可重用性。在这种背景下,本文提出通过对现在较新版本Linux中的USB主机驱动程序进行裁减和移植,结合嵌入式系统的特点,设计出一套可重用性高,通用性强的嵌入式USB主机驱动程序。本文先学习了USB主机系统的软硬件结构,在此基础上研究了Linux中USB的主机驱动架构,对移植的难度进行了分析。然后基于可重用的思想设计出了嵌入式系统中USB主机驱动的软件架构。接下来本文通过裁减和修改核心数据结构,替换OS接口等方法对Linux中USB主机驱动进行移植。最后本文将USB主机驱动应用在一个高性能的嵌入式系统机顶盒中,实现对于大容量存储设备的支持。并通过测试给出了此USB主机驱动在可重用性、功能性和稳定性上的验证结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 应用背景
• 1.2 实现可重用嵌入式USB 主机驱动的意义
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 本课题的研究意义
• 1.2.3 本论文的结构
• 第2章 USB 主机系统综述
• 2.1 USB 体系结构概述
• 2.1.1 USB 系统概述
• 2.1.2 USB 总线协议
• 2.1.3 USB 主机- 硬件和软件
• 2.2 USB 数据流模型
• 2.2.1 USB 总线拓扑
• 2.2.2 USB 通信流
• 2.2.3 USB 传输管理
• 第3章 可重用嵌入式USB 主机驱动的软件框架设计
• 3.1 可重用嵌入式软件概述
• 3.1.1 可重用软件的特征
• 3.1.2 可重用嵌入式软件的设计方法
• 3.1.3 可重用软件的测试
• 3.2 可重用嵌入式USB 主机驱动的框架设计
• 3.2.1 软件架构的设计
• 3.2.2 软件工程的建立
• 3.2.3 系统抽象层接口的设计
• 3.3 LINUX 中USB 主机驱动程序的体系结构
• 3.3.1 Linux 中的USB 主机驱动框架
• 3.3.2 Linux 中USB 主机驱动程序的核心数据结构
• 3.3.3 Linux 中USB 主机驱动程序的体系层次
• 3.4 目标嵌入式平台中USB 主机驱动的核心体系结构
• 3.4.1 核心数据结构的裁减
• 3.4.2 URB 调用层次
• 第4章 USB 主机端大容量存储设备驱动的实现
• 4.1 USB 主机端大容量存储设备驱动的体系结构
• 4.1.1 USB 大容量存储设备简介
• 4.1.2 目标系统中USB 主机端大容量存储设备的体系结构
• 4.2 USB 主机端大容量存储设备驱动的实现
• 4.2.1 核心数据结构的设计
• 4.2.2 USB 主机软件框架的实现
• 第5章 可重用嵌入式USB 主机驱动的测试
• 5.1 代码的可重用性能
• 5.2 功能测试
• 5.2.1 枚举功能测试
• 5.2.2 读写测试
• 5.2.3 热插拔测试
• 5.2.4 电源管理测试
• 5.3 性能测试
• 5.3.1 读写速度
• 5.3.2 热插拔性能
• 5.3.3 CPU 负载测试
• 第6章 总结
• 6.1 本论文工作的总结
• 6.1.1 本论文中的主要工作内容
• 6.1.2 关键技术
• 6.1.3 特点和创新
• 6.2 进一步的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文