嵌入式系统U盘实时启动技术

引 言

随着USB技术的发展，优盘在PC机系统上已得到广泛的应用，基本上取代了软盘，PC机系统可以实现从优盘启动。由于优盘性能稳定，体积小巧，访问速度快，因此它也非常适合作为嵌入式实时系统的存储设备。这为嵌入式实时系统的启动提供了一种崭新的思路，即从优盘启动。这种方法对嵌入式实时系统板上的程序存储空间要求不高，只要在Flash中存储嵌入式实时系统的Bootrom程序即可，将系统的映像文件放在优盘上，实现实时操作系统从优盘加载。

目前基于VxWorks设计的嵌入式实时系统应用非常广泛。嵌入式实时系统的启动方式多种多样，WindRiver公司提供的参考BSP(Board support Package)包中就提供了几种启动方法。另外在参考文献[2]中，作者也提出了几种基于VxWorks的嵌入式系统的启动方法。这些方法可根据具体的应用需求，适当选取。笔者在开发CableModem时也都曾实现过这些方法。这些方法存在的共同问题是：虽然能更新板载程序存储器中的映像文件，但由于程序存储器一旦设计后就无法再扩展其存储空间;而在实际应用中，由于嵌入式系统功能的增强，系统映像文件的体积会不断增大，会出现超过目标板的程序存储空间的问题，从而使得新的映像文件无法烧录到目标板中。

嵌入式实时系统从优盘启动的显著优点主要表现在：更新系统映象文件方便(替换优盘中的影像文件即可，无需重新烧录);启动快速(USB接口传输速度快)，可适用于多种实时操作系统(保存在优盘中的映像文件也可以是使用其他嵌入式实时操作系统，如PSOS、Nuclues等开发生成的);对系统的Flash存储容量要求小(Flash中主要存储Bootrom程序，而系统映像文件保存在优盘中)。

本文给出了实现嵌入式实时系统优盘启动的嵌入式主机硬件结构、软件协议栈以及主要程序流程，探讨了实现嵌入式实时系统从优盘启动的可行性。

　　1 嵌入式USB主控制器的硬件结构及驱动

嵌入式系统是软硬件紧密结合的系统。要实现从优盘启动，硬件上必须在嵌入式微处理器外围添加USBHOST主控制器;在软件上必须设计主控制器驱动程序 (HCD)、USB驱动程序、USB Client驱动程序以及应用程序。

1.1 嵌入式USB主机硬件结构

嵌入式USB主机硬件结构比较简单，只是在嵌入式微处理器外部加上USB主控芯片即可。在本项目中，嵌入式微处理器采用的是Motorola公司的MPC860T，USB主控制芯片采用的是SL811HS芯片。SL81lHS芯片是Cypress公司生产的、可支持全速数据传输的USB控制芯片，芯片内含USB主，主/从控制器，支持全速(full speed)/低速(low speed)数据传输，并能自动识别全速或低速设备。SL811HS所提供的接口遵从USBl.1标准。关于SL811HS更详细的使用方法请见参考文献[3]。使用SL811HS作为嵌入式USB主机控制器的系统硬件结构如图1所示。


1.2 嵌入式USB主机上的软件结构

　　从参考文献[4]可知，嵌入式主机要实现对其USB外设操作，必须有图2所示的3个软件结构层次：USB主控制器驱动器(HCD)、USB主驱动器(USBD)、USB没备驱动器。

在协议栈的最底部是USB主控制器USB HC(USBHost Controller)，这是主系统中控制每一个USB设备的硬件部分。口前主要有两大类USB主控制器：一种是通用主控制器接口UHCI(Universal Host Controller Inter-face)，另一种是开放主控制器接口OHCI(Open HostController Interface)。硬件厂商一般根据这两个规范设计USB主控制器。对于每一类型的主控制器都有一个与硬件独立的USB主控制器驱动器HCD(Host ControllerDriver)。WindRiver公司提供了两类驱动：usbHedUhciLib(UHCl主控制器库)和usbHcdOhciLib(OHCI主控制器库)。

USB主驱动器USBD(USB host Driver)和HCD之间的接口允许一个或超过一个的底层主控制器，而且WindRiver公司的USBD能够同时连接多个USB HCD。这样的设计特点可以使开发者建立复杂的USB系统。USBD是在HCD之上的与硬件独立的模块。USBD管理每一个与主机相连的USBD设备，向更高层次提供了可与USBD设备通信的路径。它还负责自动处理USBD电力管理以及USBD带宽管理;而且，USBD还管理USBHub。Hub能否正确工作，是对USBD进行评价的标准之一，因此WindRiver公司的USBD设计者要使USBD透明地实现Huh的功能。这意味着USBD还能处理USBHub和设备的动态插拔。

USB客户模块在USBD主驱动协议栈的顶端。USB类驱动(USB Class Driver)是Client模块的典型例子。USBD类驱动负责管理连接到USBD上的不同类型的设备，它们依靠USBD提供与每个设备的通信路径。USBClient模块的其他例子就是那些利用USBD与USB设备通信的应用程序。

　　2 嵌入式实时系统优盘启动软件程序设计

为实现对优盘的操作，在基于VxWorks设计的嵌入式实时系统中，需要设计的程序包括：USB主控制器驱动器、USBD主驱动器、USB块存储设备驱动程序、文件系统的安装以及应用程序通过文件系统读写优盘设备程序等，如图3所示。故要实现从优盘启动，需要在bootConfig..c文件中的usrRoot函数巾添加4个函数。

(1)初始化USB主控制器的函数

初始化HCD(USB Host Controler Driver)函数，即初始化SL81lHS并将其连接到指定总线上：LOCAL int fn-cAttach(pHRB_ATTACH pHrb)。

该函数词用SL811Init()初始化SL811控制芯片。执行函数taskSpawn("tSl81lint"，0，0，0x4000，(FUNCPTR)intThread，(int)pHost，0，0，0，0，0，0。0，0，O)，创建intThread任务对发生的中断作出处理。
这里的intTbaead调用OSS_SEM_TAKE(pHost->in-tPendi
ng，interval)阻塞，与中断服务程序intHandle同步。

调用函数processSl811hInterrupt()处理硬件中断，读取中断状态寄存器判断中断类型。

调用UHC_INT_CONNECT(pHost，intHandler，pHost，&s)函数连接SL811主控制器芯片中断。UHC_INT_CONNECT是一个宏定义。

函数intHandler完成对中断的处理，调用函数OSS_SEM_GIVE(pHost->imPending)，释放用于中断和任务之间同步的二进制信号量。

(2)初始化USBD的函数

函数usbdInitialize()初始化内部USBD数据结构，并依次调用其他USB驱动栈模块的入口。

函数usbdlnitialize()调用usbdHcdAttach(execFunc，&s1811IOCfg，pToken)把HCD连接到USBD上。这里的execFunc就是函数usbHcdSl811hExee()。

函数usbdInitialize()调用USBEnumerate(USBD_CLIENT_HANDLE clientHandle，FILE*fout)列举所有连接到系统上的USB主控制器、Hub和USB设备。

(3)初始化USB存储设备的函数

函数usbBulkDevInit()完成USB盘的初始化并安装DOS文件系统。

函数usbBulkDevlnit调用函数usbdClientRegister("BULK_CLASS"，&usbdHandle)及函数usbdDynamicAt-tachRegister(usbdHandle，USB_CLASS_MASS_STORAGE，USB_SUBCLASS_SCSLCOMMAND_SET，USB_INTERFACE_PROTOCOL_BULK_ONLY，usbBulkDc-vAttachCallback)，建立同USB的连接，注册回调例程。

函数usbBulkDevlnit调用函数OSS_THREAI)_CRE-ATE(bulkClientThread，(pVOID) fout，OSS_PRIORITYINTERRUPT，"tBulkClnt"，&bulkTaskId)，创建一个任务，管理优盘的插入和移出。

其中bulkCliemThread例程调用pBulkBlkDev=(BLK_DEV*)usbBulkBlkDevCreate (bulkNodeld，NULL，NULL，USB_SCSI_FLAG_READ_WRITEl0);安装USB设备。 调用pBulkDosVol=dosFsDevInit("/ud0/"，pButkBlkDev，NULL);安装DOS文件系统。

(4)从优盘加载映像文件的函数

设计USBDLoad()，实现映像文件VxWorks从优盘设备加载。USBDLoad()函数主要包括以下语句：

修改bootConfig.c文件中的bootLoad函数，加入对从优盘启动的支持。主要加入以下语句：

重新编译、链接生成新的bootrom.hex，烧录到板子上的Flash中，将VxWorks映像文件拷贝到优盘上，将优盘插入到嵌入式主机的USB接口上。在启动的过程中，系统会自动装载优盘的VxWorks系统映像文件，实现基于VxWorks的嵌入式实时系统优盘启动。