DIPLOMARBEIT. Entwurf und Implementierung eines modularen USB-Stacks für eingebettete Controller ohne Betriebssystem. Uwe Pfeiffer

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1 Fakultät Informatik Institut für Technische Informatik, Professur für VLSI-Entwurfssysteme, Diagnostik und Architektur DIPLOMARBEIT Entwurf und Implementierung eines modularen USB-Stacks für eingebettete Controller ohne Betriebssystem Uwe Pfeiffer Dresden,

2 Gliederung Überblick USB Motivation Funktionsweise USB Ziele Realisierung Ergebnisse Fazit Ausblick TU Dresden, USB-Stack Folie 2 von 16

3 01 Überblick USB Host Root-Hub Gerät 1 Hub Gerät 1 Gerät 2 Gerät 3 Gerät 2 Hub Gerät 3 Gerät 4 Hub Host Gerät 4 Gerät 5 Gerät 6 Hub Hub Gerät 8 Gerät 7 Hub Gerät 5 Gerät 6 Gerät 7 Gerät 8 Abbildung: Topologie eines beispielhaften USB-Systems

4 Eigenschaften serielles Bussystem Verbindung zwischen Peripheriegerät und Host Host-gesteuert Plug-and-play Stromversorgung für Peripheriegeräte möglich verschiedene Geschwindigkeiten TU Dresden, USB-Stack Folie 4 von 16

5 02 Motivation USB für Anwender einfach zu nutzen vielseitig einsetzbar USB kompliziert/komplex für Geräte-Entwickler jeder Hersteller mit eigenem Beispielcode viel selbst zu implementieren TU Dresden, USB-Stack Folie 5 von 16

6 03 Funktionsweise USB Host Gerät Funktionsschicht Client-Software logische Pipes Funktion Nutzdaten Nutzdaten Geräteschicht USB-System- Software Standard Control-Pipe logisches Gerät USB-Frames USB-Frames Schnittstellenschicht USB-Host- Controller physische Verbindung USB-Bus- Schnittstelle Abbildung: Überblick über Datenfluss

7 Deskriptoren endpoint interface endpoint... configuration interface endpoint endpoint endpoint device endpoint interface... interface endpoint Abbildung: Hierarchie der Standard-Deskriptoren

8 04 Ziele einfache und schnelle Erstellung von Firmware Deskriptoren Datenübertragung zur Verwendung wenig Wissen über USB notwendig mit geringem Aufwand auf andere Hardware portierbar objektorientiert mit C++ TU Dresden, USB-Stack Folie 8 von 16

9 05 Realisierung Funktionsschicht sonstige Control-Transfers Datenübertragung Geräteschicht Geräte-Stack Deskriptoren Schnittstellenschicht Hardware Abbildung: Übersicht über Schnittstellen des Stacks TU Dresden, USB-Stack Folie 9 von 16

10 Klassendiagramm Klassen, die weitere USB-Requests bearbeiten abstrakte Klasse des USB-Stacks <<interface>> RequestInterface 0..* 1 UsbDevice 1 1 Device-Deskriptor; Zugriff auf Stringandere Standard-, und sonstige Deskriptoren Deskriptoren, die durch Nicht-Standard- Deskriptoren erweiterbar sind UsbDeviceHw 1 DescriptorAccess Nicht- Standard- Deskriptoren 1 Descriptor plattformspezifische Implementierung der Hardware-Schnittstelle 0..* StringDescriptor 0..* 0..* GeneralDescriptor 1..* <<create>> Configuration 1 1..* Interface * 1..* Endpoint Abbildung: Vereinfachtes Klassendiagramm

11 Nutzung des Stacks TU Dresden, USB-Stack Folie 11 von 16

12 06 Ergebnisse MCU: 1024 Byte; PC: 1024 Byte MCU: 1024 Byte; PC: 64 Byte MCU: 64 Byte; PC: 1024 Byte MCU: 64 Byte; PC: 64 Byte 1,200 theoretisch maximal erreichbare Übertragungsrate 1,000 Senden / kbyte/s Linux- USB-2.0- Linux- USB-3.0- Windows- USB-3.0- Linux- USB-2.0- Linux- USB-3.0- Windows- USB-3.0- STM32F1 STM32F4 Abbildung: Durchschnittliche Übertragungsraten mit bulk-transfers

13 Übertragungsraten - Empfangen STM: 1024 Byte; PC: 1024 Byte STM: 1024 Byte; PC: 64 Byte STM: 64 Byte; PC: 1024 Byte MCU: 64 Byte; PC: 64 Byte 1,200 theoretisch maximal erreichbare Übertragungsrate 1,000 Empfangen / kbyte/s Linux- USB-2.0- Linux- USB-3.0- Windows- USB-3.0- Linux- USB-2.0- Linux- USB-3.0- Windows- USB-3.0- STM32F1 STM32F4 Abbildung: Durchschnittliche Übertragungsraten mit bulk-transfers

14 Speicher STM32F1 STM32F4 generischer Stack HW-Implementierung Tabelle: Übersicht über den benötigten Flash STM32F1 STM32F4 Heap Stack Tabelle: Übersicht über den benötigten RAM TU Dresden, USB-Stack Folie 14 von 16

15 07 Fazit automatische Enumeration control-/bulk-/interrupt-transfers einfache Datenübertragung Erstellen beliebiger Deskriptoren + selbstständige Übertragung im Prinzip volle Geschwindigkeit von Full-Speed-USB nutzbar relativ geringer Speicherbedarf einfach erweiterbar TU Dresden, USB-Stack Folie 15 von 16

16 08 Ausblick vollständige Unterstützung von Schnittstellen Implementierung von isochronen Transfers weitere Vereinfachung der Erzeugung der Deskriptoren weitere Möglichkeiten der Steuerung der Datenübertragung Implementierung von USB-Klassen ierung auf weitere Mikrocontroller noch fehlende USB-2.0-Unterstützung TU Dresden, USB-Stack Folie 16 von 16

17 Heap Erzeugung der Objekte auf Erzeugung von nähere Beschreibung Heap Stack Endpunkt Endpunkt selbst 48 0 Schnittstelle Schnittstelle selbst 48 0 je zugeordnetem Endpunkt 4 4 Konfiguration Konfiguration selbst 48 0 Array für Gesamtkonfiguration; Standardgröße je zugeordneter Schnittstelle 4 4 DescriptorAccess DescriptorAccess selbst automatisch erzeugter Endpunkt je zugeordneter Konfiguration 4 4 StringDescriptor Beispiel für String der Länge Listeneintrag in DescriptorAccess GeneralDescriptor GeneralDescriptor selbst 16 0 Listeneintrag in DescriptorAccess Zuordnung zu Endpunkt/Schnittstelle/Konfiguration 4 4 USB-Stack bei Verwendung des STM32F bei Verwendung des STM32F Tabelle: Übersicht über den benötigten Heap; alle Werte in Byte TU Dresden, USB-Stack Folie 16 von 16