【正文】 嵌入式軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)以及基于系統(tǒng)之上開發(fā)的應用軟件。嵌入式操作系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)硬件和軟件資源的分配、任務調度、控制以及保證它們協(xié)調工作，它位于硬件和應用軟件之間。目前嵌入式操作系統(tǒng)一般有181。C/OSII，嵌入式Linux，VxWorks以及Wince等。由于嵌入式Linux是完全免費而且是開源的，它是由全世界最優(yōu)秀的程序員開發(fā)，因此它比像Windows這樣的商用操作系統(tǒng)更穩(wěn)定，目前幾乎所有種類的嵌入式產(chǎn)品都有使用Linux的，應用軟件是評價一個系統(tǒng)好壞的標準，而且嵌入式平臺上的開發(fā)比普通PC機上更復雜，因為資源、功耗等都有嚴格的限制，需要程序員具有良好的資源利用意識。一般的嵌入式產(chǎn)品都有友好的用戶界面，在嵌入式系統(tǒng)中比較有名的編寫圖形界面軟件主要有Qtopia（Qt的嵌入式版本）和北京飛漫公司開發(fā)的MiniGUI，Qtopia支持幾乎所有的操作系統(tǒng)，可以裁減，它的類庫支持跨平臺，它是一個非常強大的編寫圖形界面的軟件，而“Mini”是MiniGUI的特色，輕量、高性能和高效率的MiniGui已經(jīng)應用在電視機頂盒，實時控制系統(tǒng)，掌上電腦等場合。 嵌入式系統(tǒng)的應用 嵌入式系統(tǒng)技術具有非常廣闊的應用前景，其應用領域包括：n 工業(yè)控制領域。由于芯片技術的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的132位嵌入式微控制器應用于工業(yè)自動化設備中，如工業(yè)工程控制、數(shù)控機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設備檢測、石油化工系統(tǒng)，這樣不僅大大減少了人力的需求而且使得控制更加的方便和智能。雖然就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產(chǎn)品而言，低端的微控制器芯片使用還是占絕大多數(shù)，但是隨著相關技術的發(fā)展，高端的芯片將逐漸成為工業(yè)控制的核心。n 智能家居領域。這將是嵌入式系統(tǒng)最大的應用領域之一，各種信息家電的網(wǎng)絡化智能化將引領人們的生活步入一個方便、快捷和安全的新環(huán)境，通過網(wǎng)絡遠程控制家里的一切，水、電、煤氣表的遠程控制，安全防火、防盜系統(tǒng)等等，只有想不到的，沒有通過網(wǎng)絡做不到的。n 消費電子領域。這也是嵌入式系統(tǒng)應用最多的領域之一，各種消費類電子產(chǎn)品有手機、MPMP4以及PDA等都是小型的嵌入式系統(tǒng)。n 軍事領域。各種軍事設備，火炮控制系統(tǒng)，月球車，導彈發(fā)射系統(tǒng)等等都是嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)在我們的生活中隨處可見，無所不包，但是嵌入式技術還在不斷的發(fā)展，未來的發(fā)展趨勢主要有嵌入式微處理器的發(fā)展，使得系統(tǒng)運行更快，功能更強大；隨著因特網(wǎng)技術的發(fā)展，系統(tǒng)更加網(wǎng)絡化和信息化，各種系統(tǒng)可以統(tǒng)一組網(wǎng)，從而達到更加高效管理的目的；嵌入式系統(tǒng)的內核更加精簡、功耗和系統(tǒng)成本更低，這些都要求更先進的嵌入式軟件技術；能夠提供更加友好的人機界面，方便用戶的使用。3 USB協(xié)議實現(xiàn) USB協(xié)議的發(fā)展 隨著計算機硬件的飛速發(fā)展，外圍的設備也日益增多，但是這些設備的接口各不相同，有串口、并口等，為了能夠讓這些設備用統(tǒng)一的接口接入計算機，1994年底，由Intel、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出了USB（通用串行總線）這個概念，USB就是在這種情況下產(chǎn)生的。 USB發(fā)展經(jīng)歷了四個時代，從1996年推出USB (LowSpeed)，然后是USB (FullSpeed)，(HighSpeed)支持480Mbps，(SuperSpeed)（目前還沒有普及），但是這些數(shù)據(jù)都是理論上的，現(xiàn)實中根本就達不到這個速度。USB接口除了使用方便、傳輸速度快外，它還具有熱插拔的特性，這也是為什么現(xiàn)在越來越多的設備支持USB接口的原因。日常生活中，帶有USB接口的設備隨處可見，有鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、攝像頭、U盤等幾乎所有的外圍設備。USB接口的應用范圍十分廣泛，涉及的領域也越來越多，但是人們從沒有停止過對USB接口的研究以及將它應用到更多的領域。本文主要是論述USB在一些領域的應用。 USB協(xié)議系統(tǒng)架構 USB協(xié)議拓撲結構 USB協(xié)議子系統(tǒng)系統(tǒng)包括主機和設備兩部分，其組成采用以下的層次結構：圖21 USB系統(tǒng)的分層圖如圖21所示，主機與USB設備間的連接使用許多層上的邏輯連接組成，就如同TCP/IP協(xié)議各層次關系一樣，即總線接口層、設備層和功能層。以下描述了USB系統(tǒng)的結構即總線拓撲：（1）總線的物理拓撲結構USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳輸數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游設備提供電源。USB總線會根據(jù)外設情況在兩種傳輸模式中自動的動態(tài)切換。USB是基于令牌的總線，類似于令牌環(huán)網(wǎng)絡，USB主機廣播令牌，總線上設備檢測令牌中的地址是否與自己的相符，通過接收或發(fā)生數(shù)據(jù)來響應主機。USB系統(tǒng)主要由三個部分組成：USB主機，USB集線器和USB設備，采用級聯(lián)星型的拓撲結構，一個系統(tǒng)中只有一個USB主機。如圖22圖中的集線器（Hub）是一組USB的連接點，主機中有一個被嵌入的集線器叫根集線器（root Hub）。主機通過根集線器提供若干連接點。提供具體應用功能的設備是應用設備。許多不同功能的設備放在一起構成一個復合設備。圖22 USB的物理拓撲結構（2）總線的邏輯拓撲結構在物理結構上，設備通過Hub連接到主機上，但在邏輯上，主機是直接與各個邏輯設備通信的。邏輯拓撲如圖23所示。 圖23 USB的邏輯拓撲結構 USB的數(shù)據(jù)流傳輸USB是為主機軟件和它的USB應用設備問的通信服務的，對客戶與應用間不同的交互，USB設備對數(shù)據(jù)流有不同的要求。每種通信流都采用了某種總線訪問方法來完成主機上的軟件與設備之間的通信。每個通信流最終到達設備上某個對應的端口。圖24說明了數(shù)據(jù)如何在主機中的內存緩沖和設備中的端口中傳送。圖24 USB通信流 主機控制器負責主機和USB設備間數(shù)據(jù)流的傳輸。這些傳輸數(shù)據(jù)被當做連續(xù)的比特流。每個設備提供了一個或多個可以與客戶程序通信的接口，每個接口由多個管道組成，它們分別獨立的在客戶程序和設備的特定端點間傳輸數(shù)據(jù)。USB驅動為主機軟件的需求建立了接口和管道，當提出配置請求時，主控制器根據(jù)提供的參數(shù)提供服務。 USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸和批量傳輸。n 控制傳輸類型支持外設與主機之間的控制、狀態(tài)及配置等信息的傳輸，為外設與主機之間提供一個控制通道，每種外設都支持控制傳輸類型，這樣主機與外設之間就可以傳輸配置、命令和狀態(tài)信息。n 等時傳輸類型支持周期性、有限的時延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設與主機間的數(shù)據(jù)傳輸。常見的有多媒體設備，如音頻和視頻傳輸。n 中斷傳輸類型支持像游戲手柄、鼠標鍵盤等輸入設備，這些設備與主機間數(shù)據(jù)傳輸量小，無周期性，但要求相應速度快。n 批量傳輸類型支持打印機、掃描儀、U盤等設備，這些外設與主機間傳輸數(shù)據(jù)量大，只有USB滿足帶寬的情況下才進行該類型的數(shù)據(jù)傳輸 USB的應用 虛擬儀器 虛擬儀器[3]是基于計算機的信號測量技術，與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器在各個方面都具有明顯的技術優(yōu)勢，根據(jù)采用的總線標準，虛擬儀器分為PCI總線式、VXI總線式以及PXI總線式。，USB總線就因其便捷、快速和即插即用等優(yōu)點得到迅速的應用。因此將USB總線技術與虛擬儀器相結合有很好的商業(yè)價值?；赨SB總線的虛擬儀器系統(tǒng)主要由計算機模塊用于數(shù)據(jù)處理，USB接口模塊用于計算機模塊和單片機模塊的通信，單片機模塊是為了控制被測設備，這是虛擬儀器技術應用的平臺。各個模塊運行相應的軟件，實現(xiàn)特定的功能。 USB KEY 現(xiàn)代社會網(wǎng)絡已經(jīng)普及，各種交易都在網(wǎng)上進行，因此網(wǎng)絡安全問題受到人們的普遍關注。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡安全密鑰雖然能夠保證絕大多數(shù)網(wǎng)絡安全。但是這種保障并不是萬能的，因此研究人員就有了軟件和硬件相結合的方法來更好地保證網(wǎng)絡的安全的想法，基于USB KEY[1]的網(wǎng)絡安全系統(tǒng)就是這一想法的具體實現(xiàn)。該系統(tǒng)主要由認證服務器、認證客戶端、資源服務器及控制服務器組成。控制服務器主要完成截獲用戶發(fā)向資源服務器認證的請求連接，將其轉發(fā)到認證服務器進行用戶的身份認證，當認證成功為用戶建立訪問資源服務器的透明代理。認證服務器主要完成與客戶端的認證工作，它存放用戶的身份認證信息和本地的一些安全參數(shù)信息，同時為保證用戶與認證服務器之間的通信，以及實現(xiàn)用戶對服務器的身份認證，認證服務器擁有RSA公私密鑰對。認證客戶端主要包括一個USB KEY作為用戶資源訪問認證的物理設備，還包括讀取和操作USB KEY的驅動程序，用戶在向認證服務器注冊時，管理員在用戶的USB KEY中寫于標識KEY的唯一ID號、用戶客戶端認證信息以及認證服務器的公鑰，同時認證服務器在本地的數(shù)據(jù)庫中為用戶生成注冊信息，這樣用戶就成為了網(wǎng)絡資源服務器的合法用戶，用戶要訪問資源服務器必須要有網(wǎng)絡密鑰和USB KEY，這樣有了雙重保障才讓網(wǎng)絡更安全。 有機磷農藥檢測系統(tǒng) 為了實現(xiàn)在農業(yè)生產(chǎn)中對有機磷農藥的殘留量進行快速有效地檢測，研究人員設計了一種基于USB的有機磷農藥檢測系統(tǒng)[2]。其工作原理主要是，通過電化學磷傳感器檢測溶液中有機磷的殘留量并轉化成微電信號，再由信號檢測電路及AD轉換電路將轉化后的信號發(fā)送給控制單元ARM控制電路，然后控制模塊使用USB總線技術將數(shù)據(jù)傳遞給上位機PC，最后是PC機完成數(shù)據(jù)的分析和處理。此系統(tǒng)能夠完成有機磷農藥的快速高效的檢測和相關分析及處理工作。 USB事務中繼技術 USB協(xié)議的實現(xiàn)是典型的主從結構模型，一條總線上只有一個主設備或者主機，所有其他的設備都是從設備，只有主設備才能發(fā)起傳輸事務，其他的從設備只能對事務應答。通過開發(fā)USB協(xié)議傳輸事務，我們可以實現(xiàn)USB事務在網(wǎng)絡上傳輸，遠程的主機通過網(wǎng)絡就可以對本地的USB從設備發(fā)起事務傳輸，這樣就實現(xiàn)了USB總線上的多主設備模型。因為我們的系統(tǒng)允許原來的USB設備驅動不用進行修改就可以用于訪問現(xiàn)在的虛擬USB設備，所以我們可以像訪問本地設備一樣訪問遠程的USB設備。通過采用USB事務中繼技術[4]，我們建立能夠處理多客戶端訪問本地設備的分時服務器，這樣客戶端就可以根據(jù)工作的需要取得和釋放遠程USB設備的使用權，這樣就大大提高了資源的利用率。 無線USB USB技術使得許多的外圍設備很容易接入計算機，但是當這些設備都接入時，這些有線的設備聚集在一起就變得很繁雜，為了解決這個問題，一些廠商就開始發(fā)布無線USB的產(chǎn)品，現(xiàn)在無線USB的設備也很常見，如鼠標、鍵盤燈，據(jù)統(tǒng)計，%是無線USB設備，相信這個數(shù)據(jù)會逐年增加。隨著集成電路，無線電以及無線局域網(wǎng)技術的發(fā)展，無線USB技術也會得到快速的應用，現(xiàn)在WUSB[8]無線電在移動終端上的應用已經(jīng)成為可能。除了作為一個單一的芯片，WUSB也可以以集成電路的形式集成進母板，集成卡和各種設備。同樣，WUSB的發(fā)展也會面臨一些問題，首先就是無線連接的不可靠性，可能受到各方面的干擾，還有如何降低WUSB設備的成本，提高設備的性能，通常WUSB設備的價格比有線設備高，而性能往往比有線設備低，因此WUSB設備完全代替有線USB設備還有漫長的路。 家庭醫(yī)療 隨著儀器技術及通訊技術的發(fā)展，家庭醫(yī)療[9]已經(jīng)進入我們的生活。但是，如何將這些高科技應用形成一個低成本更人性化的系統(tǒng)將是一個挑戰(zhàn)，因為目前這樣的系統(tǒng)大多是基于PC的各種檢查設備，這樣導致成本很高而且不方便。因此，研究人員就提出了基于ARM的嵌入式醫(yī)療系統(tǒng)。這個系統(tǒng)主要由基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，USB接口和遠程通信技術構成，USB接口是這個系統(tǒng)中的關鍵平臺，ARM微處理器是控制USB主機的操作以及擴展每一個USB設備代表的醫(yī)療請求，每個USB設備的醫(yī)療請求通過網(wǎng)絡形成一個家庭醫(yī)療系統(tǒng)。這個平臺可以連接至少127個從設備或USB端口的醫(yī)療請求，因此，用戶可以很容易的通過PDA或者GPRS遠程通信設備控制盒連接遠程檢查設備和控制設備，這樣系統(tǒng)就變得成本低而且更加人性化。 USB驅動USB驅動程序的開發(fā)涉及主機驅動和設備驅動兩個部分，USB主機控制器主要有UHCI，OHCI,EHCI和OTG四種主要類型的主機控制器，USB設備一般按類來分，有存儲類、人機接口類、通信類等，驅動的開發(fā)也是對于特定的類而不是某個設備。 USB主機USB主機控制器驅動負責檢測USB設備的連接和拆除，管理USB接口之間的通信和USB數(shù)據(jù)的傳輸，為USB設備提供電源，其硬件本身一般都是一個PCI的設備，主機控制器驅動涉及到PCI設備的驅動，因此在這里就不討論主機控制器驅動的開發(fā)。 USB設備USB設備類驅動程序是與應用程序交互的軟件模塊，它主要實現(xiàn)特定USB設備的訪問，為應用程序提供訪問接口。它使用USB核心提供的函數(shù)與設備通信，所以它是與平臺無關的。USB核心用usb_driver來標識一個USB設備驅動，通過調用usb_register(struct usb_driver *driver)和usb_deregister(struct usb_driver *)注冊和注銷USB設備驅動，struct usb_device_id用來描述USB設備的功能和類別，通常USB設備驅動會根據(jù)usb_device_id來判斷USB設備是否是自身支持的設備，USB體系的各個模塊之間使用USB請求塊進行信息的傳遞,它用struct urb 結構描述。創(chuàng)建一個urb用usb_alloc_urb(int iso_packets, intmem_flags)函數(shù)，釋放一個urb用usb_free_urb(struct urb *urb)函數(shù)，提交一個urb給USB核心用usb_submit_urb(struct urb *urb,gfp_t mem_flags)。由于USB支持四種類型的傳輸，因此也有四種類型的urb，用于控制傳輸類型的urb用usb_fill_control_urb(struct urb *urb,struct usb_device *dev,unsigned int pipe,unsigned char *setup_packets,void *transfer_buffer,int buffer_length,usb_plete_t plete_fn,void *context)函數(shù)填充，中斷類型的urb用usb_fill_int_urb(struct urb