一種基于Windows USB Mass Storage類的信令和數據傳輸方式

黃學達，楊俊杰，侯志鵬，黃俞霖，章世博

（重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065）

0 引 言

傳統USB Mass Storage類的設備俗稱U盤，是即插即用裝置，使用現有的“標準”設備驅動程序，無須安裝任何設備驅動即可用于所有系統運行。當操作系統檢查到USB裝置插入時，就會自動詢問該裝置相關參數以了解其能力和要求，并自動將適合的驅動程序加載到操作系統中，用戶就可以正常使用該設備。當該設備從USB接口拔出時，操作系統就會自動停止該設備的使用并卸載其驅動程序。USB裝置與其內部存儲的軟件（固件）一起銷售，用于控制該裝置（即下位機）的運行，其一般采用通用的標準驅動程序，只對PC端（上位機）下發的讀取、寫入、擦除等相關標準命令作出響應。

USB接口在PC及消費電子等領域普及率高，因此該種傳輸方式應用范圍很廣泛。但也存在以下缺點：傳統USB Mass Storage類設備只能滿足簡單的數據傳輸需求，不能支持其他擴展命令（如嵌入式調試設備常用的調試命令）傳輸等功能；在數據傳輸過程中如果出現意外中斷（如U盤意外復位、斷電等情況），數據傳輸命令在U盤重新連接后無法繼續執行。

4G、5G手機和相關終端模塊以及Cat1、eMTC、NB-IoT等通信終端在出廠前必須要對射頻參數進行校準、綜測，射頻參數的校準、綜測指標主要有APC（自動功率控制）、AGC（自動增益控制）、AFC（自動頻率控制）等，耗時大約2～3 min。通信終端校準、綜測的硬件接口一般采用USB接口，使用夾具頂針的方式去接觸電路板上的測試點，從而完成信號的連通。在實際的工廠校準、綜測過程中若存在通信終端設備異常斷電或者USB松動，就會導致校準、綜測失敗。為了提高效率，需要在USB接口重新插好后繼續從上次中斷的地方進行射頻參數的校準和綜測。

1 異常掉電后重新上電執行機制

本文研究的主要目的是：針對下位機在未執行上位機命令而掉電的情況，提供一種在下次上電時使其繼續執行未完成操作的方案。

USB Mass Storage設備采用FLASH進行數據存儲，FLASH具有在掉電后數據不會丟失的特點。通過上位機在USB Mass Storage設備中劃分出命令交互區等，供異常斷電恢復后去判斷是否需要繼續執行上次未執行完的操作。

1.1 重新上電執行方案

本方案的主要思想是采用先存儲命令（含命令所需數據）然后再執行命令的方式。具體實施方案由在PC側運行的上位機軟件部分和與之通過USB口連接且以Mass Storage類枚舉到PC的下位機完成。在U盤中設置特定的命令和數據交互區（A區和B區），如圖1（基本型）和圖2（擴展模式）所示，上位機發送給下位機的所有命令，包括標準的USB讀寫命令以及擴展命令，都使用標準USB寫命令數據包發送到A區，實際的命令作為數據封裝到USB標準數據包中；USB設備將接收到的包含命令的數據包寫入A區指定地址，并定時查詢A區數據，如果查詢到A區中存在命令，解析命令并執行，完成后將A區中的命令改寫為命令響應。

圖1 上下位機的命令和數據交互區分布圖（基本型）

圖2 上下位機的命令和數據交互區分布圖（擴展型）

USB設備上電枚舉成功后，上位機讀取A區中的數據，如果是響應包，則發送新命令；如果不是響應包，則等待USB設備執行A區中的命令。將上位機給下位機的命令寫入命令交互區的格式如圖3所示，而當命令執行完成后下位機寫入命令交互區的格式如圖4所示，各個“保留區間”作為數據保護及今后功能擴展使用；數據區格式如圖5所示。根據上述方式擴展而來的衍生型多個命令/響應包組合寫入、響應方式如圖6、圖7所示，對應多個命令/響應包的數據區格式如圖8所示。

圖3 命令交互區（A區）的命令包格式（基本型）

圖4 命令交互區（A區）的響應包格式（基本型）

圖5 數據區格式（基本型）

圖6 命令交互區（A區）的命令包格式（擴展型）

圖7 命令交互區（A區）的響應包格式（擴展型）

圖8 數據區格式（擴展型）

1.2 基本型實現方案

完成整個功能時，將用戶下發的各種操作轉換為下位機支持的對應命令或命令集，同時對用戶的操作對象（一般是各種數據）進行拆包、分段等預處理操作；

（3）命令包、數據包打包組裝單元：以規定方式將命令執行碼、命令執行起始地址、命令執行長度及數據文件分別打包成有效的命令包、數據包；

（4）響應包及響應數據解析處理單元：將獲取到的響應

由于普通的Mass Storage類設備只能對上位機（PC）的讀取、寫入、擦除等操作命令進行對應命令響應，無法滿足對U盤約定偏移地址的命令交互區參數及數據交互區數據的讀/寫操作要求，因此下位機需要額外使用本方案的功能支持模塊（軟件或硬件方式）來實現上述功能；同樣上位機需要運行一個額外的軟件或軟/硬件模塊來支持該功能。如圖9所示為添加了上下位機功能支持模塊的結構框圖。新增模塊的內部各功能單元結構框圖如圖10所示。

圖9 本方案功能支持模塊的上下位機結構框圖

圖10 上下位機功能支持模塊的內部子模塊框圖

1.2.1 上位機功能支持模塊

上位機功能支持模塊的功能如下：

（1）界面顯示、用戶操作響應單元：對用戶執行的各種操作進行響應，以及對命令執行進度、結果進行顯示，同時也為各種設置選項提供輸入接口；

（2）用戶操作命令或命令集轉換單元：當單個命令無法信息按規定方式拆包、解析，判斷命令執行的響應結果，提取響應數據，并在需要的情況下對響應數據重新組包、恢復成超大數據包傳回給上位機；

（5）命令數據緩存及執行結果記錄單元：記錄當前USB設備的ID號及其在命令執行時緩存本條命令的命令包、數據包信息，并隨時記錄該命令的執行情況，以便當本條命令執行失敗時，上位機能夠重新下發該命令或完成上次操作未完成的響應數據獲取工作；

（6）A/B區數據讀寫單元：完成對指定偏移地址的A/B區數據的讀寫功能；

（7）命令執行流程維護單元：對以上單元的功能執行情況進行判斷維護，判斷當前命令是否執行失敗、是否重新執行當前命令、是否需要提示用戶干預操作以及通過USB的ID判斷當前USB設備是否有上次未完成的操作等。

1.2.2 下位機功能支持模塊

下位機功能支持模塊的功能如下：

（1）A/B區數據讀寫單元：完成對指定偏移地址的A/B區數據的讀（獲取命令包）/寫（寫入響應包）功能，特別是以固定時間間隔輪詢A區數據，以便隨時獲取上位機下發的命令；

（2）命令包、數據包解析及有效性判斷單元：以規定方式將命令包、數據包進行解析，并判斷其有效性及是否支持該命令等；

（3）命令執行單元：將命令包里的命令執行碼轉換為對應的一系列下位機操作過程，并使用數據包里的數據來具體執行該操作；

（4）響應包及響應數據組裝單元：將由命令執行單元執行后的結果以執行響應碼及響應數據的方式分別打包成命令執行響應包及響應數據包以便向A/B區寫入。

2 具體實施方式

上位機和下位機的具體實現以基本型命令執行過程為例進行詳細描述。

2.1 基本型上位機執行過程

上位機下發命令執行流程如圖11所示，上位機在下發新命令之前會先通過USB的ID號判斷USB設備是否有上次未執行完的操作，如果沒有，則按照正常流程分別根據用戶的操作情況生成命令執行碼及對應數據，再按照規定組裝成命令包、數據包，并經過上位機緩存記錄后分別寫入對應的A/B區，即完成本條命令的下發過程。在命令下發后，上位機就不停地查詢A區數據，以判斷是否有下位機執行完成的響應包寫回；在規定時間內獲取響應包及響應數據后，上位機就進行解包及命令執行結果判斷等工作。至此本條命令交互流程就完成了，上位機可以進入下一條命令的下發交互流程。如果以上任意流程執行失敗或下位機寫回響應包超時，該條命令將會標記為執行失敗，可以根據設置情況重新下發命令、暫停命令執行流程或要求用戶干預。

圖11 上位機下發命令執行流程

如果當前USB設備的上次命令未執行完成，上位機會讀取下位機A區的數據，并判斷其是否為上次命令的正常響應包，如果是，就將該響應包及響應數據獲取回來，以便完成上次遺留的命令交互過程，然后再進行新命令的下發操作；如果不是響應包而是命令包，說明上次命令的響應包還未被下位機寫入，在判斷A/B區數據與緩存數據一致的情況下，上位機在等待下位機將該命令執行完并寫入響應包、響應數據包后，再獲取響應數據，以便完成上次未完成的命令，然后再發新命令。如果上位機發現A/B區數據與緩存數據不一致，將重寫A/B區以便上次的命令能夠正確執行，再進行上述操作。

2.2 基本型下位機執行過程

下位機模塊對于本方案的基本型命令執行流程如圖12所示。下位機均為以一定時間間隔輪詢A、B區的信息，以便及時判斷上位機是否有新命令下發。在獲取到上位機寫入的命令包后，確認命令包及數據包有效的情況下就會加載數據并執行該命令執行碼對應的操作，再把執行結果（響應包及響應數據）寫入指定地址中，從而完成一個命令碼的執行過程。

圖12 下位機接收命令并執行的流程

如果下位機檢查到A/B區數據不是合法的命令/數據包，可能為上次命令執行后寫入的正常響應包，或被破壞的命令/數據包，就不會執行任何操作，會等待一定時間再查詢A/B區數據，以便讓上位機讀取響應數據或在上位機重新下發正確的命令和數據包后才繼續命令執行過程。

按照上述方式，即使在下位機出現異常掉電、干擾等復位情況，也會在上電完成PC的枚舉識別后，先檢查A區是否存在有效的命令包，如果存在，則說明上次斷電前該命令未執行完成，下位機就會重新執行該命令，并會用執行完成后的響應包及數據覆蓋寫入到對應的A區、B區，以標志該命令執行完成。因此，本套機制對于異常掉電后的上電狀態仍舊適用。

2.3 擴展型執行過程

本方案擴展型的命令執行過程與基本型的基本原理一致，只不過上位機可以一次性下發多個命令及對應數據，而下位機則可以依次執行對應命令并寫回對應命令的命令執行響應包及響應數據包執行結果。根據實際使用需求可以每執行完成一步就寫回該步的執行結果，或整個命令集執行完成后再統一把每步的響應寫入對應位置，確保了需要多次命令操作才能夠執行完成某一功能的命令集合在掉電、異常重啟等情況下的執行有效性。

對于標準命令，將其含有命令、數據、校驗等信息的整個標準命令包作為數據包發送到B區，然后發送一條擴展命令到A區，標示該B區的數據為標準命令包，USB設備解析到該擴展命令后，即可從B區完整地取出該標準命令包，再按原有的標準命令執行功能執行該命令。

3 結 語

本文實現了一種確保下位機在未執行上位機命令而掉電后，仍舊能夠在下次上電繼續執行未完成操作的方案。設計方案覆蓋了基本型和擴展型兩種操作方式，對命令包格式和響應包格式進行了相應的描述。本方案可以確保Mass Storage類下位機對各類命令執行的可靠性，即使在掉電或受異常干擾中斷命令執行后也能夠在下次上電繼續執行未完成命令，特別適合數據操作要求高、傳輸量大、USB連接不可靠的場合。

在國內某手機芯片廠家的Cat1模塊實際生產射頻參數的校準、綜測中，采用了本文的技術方案后，因夾具或者工人操作導致的USB Mass Storage類設備異常斷電并重新上電后，可以繼續在上次中斷的地方進行校準、綜測，而不用重新開始，大大節約了繼續校準、綜測的時間，提高工作效率。

本文的技術方案不但可以用于通信終端的射頻參數校準、綜測環節，還可以運用于任何有如下要求的Mass Storage類設備：當遇到異常斷電并重新上電后需要繼續執行上次中斷地方的程序。