CN111274189B

CN111274189B - Usb设备及其实时通讯方法

Info

Publication number: CN111274189B
Application number: CN202010162977.9A
Authority: CN
Inventors: 邢齐军; 洪观洲
Original assignee: Guowei Group Shenzhen Co ltd
Current assignee: Guowei Group Shenzhen Co ltd
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2023-08-08
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: CN111274189A

Abstract

本发明公开了一种USB设备及其实时通讯方法。其中USB设备的实时通讯方法，当USB设备通过USB接口连接至主设备时，包括如下步骤：构建所述USB设备应当存储的每个文件及其对应簇地址信息的私有索引表；接收来自所述主设备的操作指令并解析得到指令类型、期望操作的簇地址以及数据长度；当所述指令类型为读指令时，根据所述簇地址从所述私有索引表中找到对应的文件，根据所述文件的名称从所述USB设备的缓存中找到对应的实时数据发送给主设备并反馈操作指令的本次执行状态直至达到所述主设备要求的数据长度。本发明可以实现USB设备的实时通讯，模拟出更大的USB设备的存储空间，并且延长USB设备的使用寿命。

Description

USB设备及其实时通讯方法

技术领域

本发明涉及USB设备，尤其涉及基于USB通讯协议的实时通讯方法，以及对应的USB设备。

背景技术

近年来，随着USB技术和多媒体等技术的高速发展，用户在工作和生活中越来越多的用到USB外设，这些形形色色的USB外设（USB Device）极大的方便了我们的生活，常见的USB外设有键盘、鼠标、U盘、移动硬盘、USB摄像头、USB WIFI（无线路由器）、USB Dongle（适配器）等。其中，U盘/移动硬盘在USB标准中作为大容量存储设备（Mass StorageClassDevice），在为用户提供数据存储的便利外，还方便数据或文件能在多平台分享。

USB驱动设备（USB Mass Storage Device，即USB外设，以下简称USB设备）与USB主设备（USBHost，以下简称Host）之间一般通过文件系统的读取/写入来进行数据交互和通讯，在USB设备接入到Host后，Host读取并识别USB设备的文件系统和文件结构、大小，并挂载到Host的文件目录路径上，由Host对这些文件进行读取或写入。在这个过程中，USB设备自己更新文件，不能被Host识别和读取，除非再次接入到Host完成再次挂载；另外，Host往USB设备发送的读取或写入命令，往往受Host系统的一些机制影响而不能完成实时的通讯，如Linux的Page Cache（页面缓冲存储机制）和Windows下的File Buffering（文件缓冲机制），这些系统的缓存机制，会牺牲实时性，来提高读写性能。

也就是说，现有技术的USB Host与USB设备的通讯并非实时性的，USB Host对USB设备的读取和写入，往往会受到Host系统的缓存机制影响。USB设备无法更新数据给Host，文件和内容只能以一种“静态”的方式呈现给Host，只有Host才能动态的更新这些文件和内容。再次，对Mass Storage Device的读写，最终都会实际操作到磁盘，频繁的读写USB设备的磁盘Flash，这就会涉及到USB设备的寿命问题，因为对于存储设备，磁盘的写入次数是有限的。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中USB设备的文件不能被动态读取等技术问题，提出一种USB设备及其实时通讯方法。

本发明提出的USB设备的实时通讯方法，当USB设备通过USB接口连接至主设备时，包括如下步骤：

构建所述USB设备应当存储的每个文件及其对应簇地址信息的私有索引表；

接收来自所述主设备的操作指令并解析得到指令类型、期望操作的簇地址以及数据长度；

当所述指令类型为读指令时，根据所述簇地址从所述私有索引表中找到对应的文件，根据所述文件的名称从所述USB设备的缓存中找到对应的实时数据发送给主设备并反馈操作指令的本次执行状态直至达到所述主设备要求的数据长度。

当所述指令类型为写指令时，将所述主设备传输的数据存储至所述USB设备的缓存（如RAM）中。

优选的，所述USB设备内烧录有用于记录其文件系统格式、设备大小以及应当存储的所有文件的信息的文件系统信息表，所述主设备根据所述文件系统信息表来访问所述USB设备的文件并发送所述操作指令。

所述文件系统信息表烧录在所述USB设备的快闪存储器中。所述文件的信息包括文件的名称、文件的大小和文件的访问权限当中的至少一种。

具体的，所述操作指令为SCSI指令集中的CSW命令块。所述CSW命令块包括指令类型、期望读取的数据长度以及数据的簇地址信息。

本发明提出的USB设备，采用上述技术方案所述的实时通讯方法与主设备进行实时通讯。

进一步，USB设备包括：

SCSI指令/数据模块、USB驱动模块和USB接口；

数据接收模块，用于从实时数据源接收所述实时数据；

数据缓存模块，用于缓存所述实时数据；

操作指令解析模块，用于解析所述SCSI指令/数据模块接收的操作指令，得到所述簇地址信息以及主设备要求的数据长度；

文件检索模块，用于在上电时构建所述私有索引表，并在所述指令类型为读指令时，根据所述簇地址信息找到所述主设备要读取的文件；

第一数据传输模块，用于搬运所述数据缓存模块中所述主设备要读取的文件对应的实时数据至所述USB接口。

进一步还包括：第二数据传输模块，用于搬运所述主设备写入的数据；

主设备数据处理模块，在指令类型为写指令或者是控制指令时，处理所述主设备通过USB接口传送的数据或操作指令。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的技术方案使现有的需要采集实时数据或者是接收实时数据的USB设备仅需使用较小的FLASH闪存，可以虚拟成很大的存储设备。例如，实际物理存储大小为4MB或者8MB的FLASH闪存可以模拟成2GB或者更大的USB设备（Device）。由于主设备（Host）系统一般有Page Cache或者File Buffering之类的缓存机制，对于容量较小的USB存储设备，Host可以将USB设备（Device）中的文件数据全部读取到Host的缓存中，以后每次Host对USB设备（Device）的文件读取/写入，实际都仅需要操作缓存，而不需要发送命令到USB设备（Device），达到双向实时通讯的目的，因此本专利模拟成存储容量更大的Device可以完美解决了USB设备的实时通讯问题。

由于实际的FLASH存储并没有虚拟的那么大，当Host来读取文件时，需要用RAM中的数据返回给Host，考虑到USB设备（Device）的RAM数据可以动态更新，因此Device不再是一个存储设备，它可以将自身不断更新的数据送至Host，这项技术可以广泛的应用在需要动态传输数据给Host的USB设备（Device）上，如摄像头可以做成Mass Storage ClassDevice，将捕捉到的音视频放在RAM中，通过Host对USB设备（Device）文件的读写送至PC或移动终端，数字电视USB Dongle可以将电视网络下接收到的MPEG-TS流以同样的方式送至PC或移动终端等等。

由于Host对Device文件的读写，实际并没有真正操作到磁盘FLASH，因此完全可以不用考虑因频繁读写FLASH导致的寿命问题，此外，RAM数据的处理效率远远超过了FLASH，整个双向数据通讯的效率非常高，具有很高的实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实时通讯流程图。

图2为本发明的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所指的USB设备包括但不限于键盘、鼠标、U盘、移动硬盘、USB摄像头、USBWIFI（无线路由器）、USB Dongle（适配器）这些设备，这些USB设备随着其使用的广泛性，人们对其数据的存储能力、数据的快速传输能力都有了进一步的需求。为了解决这一问题，下面将结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。

如图1所示，当本发明的USB设备接入至主设备时，例如带有USB接口的摄像头（USB设备）通过该USB接口接入到一台电脑（主设备）。此时，该USB设备上电，以Mass StorageClass类型进行枚举，且Device描述符使用SCSI指令集Command Block，即USB DeviceClass=0x08，subClass=0x06。该步骤工作主要由图2中的USB驱动模块完成。

本发明预先在USB设备（摄像头）的快闪存储器中烧录一份文件系统信息表，虽然也可以将文件系统信息表烧录在USB设备的其他存储模块中，但是这样会造成额外的内存开销。该文件系统信息表包含USB设备的文件系统格式、USB设备的存储容量及所有文件信息（包含文件的名称、大小、权限等当中的至少一种），主设备Host（电脑）与USB设备一连接就可以立即读取到该文件系统信息表，可以根据这个标准的文件系统信息表获取到相关的内容。除此之外，USB设备查询每个文件所在的簇地址信息，如文件A所在簇地址为0,3,11…，文件B所在簇地址为1,4,5,7…, 最后生成一张与各文件所在簇地址的私有索引表，每次USB设备上电启动都会构建一张这样的私有索引表，如下表所示。生成的操作主要由图2中的文件检索模块完成。

表1 私有索引表

USB设备发起硬件中断去接收主设备发送的操作指令，由图2中的SCSI指令接收/数据处理模块完成，操作指令为标准的SCSI指令，USB设备根据SCSI指令语法对主设备发送的CBW命令块进行解析，具体是由图2中的操作指令解析模块来执行，得到主设备发送的操作指令的指令类型、期望操作的簇地址以及数据长度。CBW命令块中的指令类型描述了当前指令是查询指令、读指令、写指令或其他控制指令。CBW命令块一共16字节，例如首字节为0x28（CBW.CB[0]==0x28），即为读指令。此外，主设备期望读取的长度和簇地址信息，可以在CBW命令块的CBLength字段，和CBW命令块16字节中找到。

当指令类型为读指令时，根据解析得到的簇地址从私有索引表中找到对应的文件，例如主设备期望访问的簇地址为11，则本次读取的目标文件为文件A，USB设备再根据文件的名称从其缓存中找到对应的实时数据（如摄像头正在拍摄的视频数据）发送给主设备，并反馈操作指令的本次执行状态，即回复CSW状态块至主设备。如果主设备读取的数据长度CBLength较大，那么USB设备查找文件名称、拉取对应的实时数据以及反馈CSW状态块这一系列步骤会重复多次直至达到主设备要求的数据长度。

当指令类型为写指令或者其他的控制指令时，例如16字节的CBW命令块中，首字节为0x2A（CBW.CB[0]==0x2A）时，即为写指令。同样的，主设备期望写入的长度和簇地址信息，可以在CBW命令块的CBLength字段，和CBW命令块16字节中找到。由于本发明的磁盘大小是虚拟的，对于读和写，USB设备都不会将主设备传输的数据写入到实际的FLASH，也就是不会更新磁盘数据，私有索引表中包括了各文件的地址信息，也不会变。图 2的流程图中描述了主设备的数据会拷贝到USB设备的RAM里面，然后根据USB设备的具体的产品类型，可能有不同的处理方式。

当指令类型为写指令时，USB设备将存储数据保存至缓存（如RAM）中，然后回复CSW状态块至主设备。当指令类型为控制指令时，USB设备同样也是存储在缓存中对控制指令进行解析处理，实现对USB设备的操作和控制。

除了读写指令外，其余类型的指令按照标准进行处理。

图2给出了本发明USB设备的一个具体模块图。本发明的USB设备包括常规的SCSI指令/数据模块、USB驱动模块和USB接口。除此之外，还包括数据接收模块、数据缓存模块、操作指令解析模块（CBW解析模块）、文件检索模块、第一数据传输模块、第二数据传输模块、主设备数据处理模块。

其中数据接收模块、数据缓存模块以及第一数据传输模块主要负责读指令时的操作。第二数据传输模块以及主设备数据处理模块主要负责写指令以及其他的控制指令时的操作。

数据接收模块用来从实时数据源接收实时数据，例如本实施例中就是从摄像头的摄像模组接收到实时的视频数据。除了摄像头这个具体的实施例，数据接收模块也可以是声音、图像采集设备，或者无线、数字电视信号等接收设备，数据采集模块接收到的实时数据，用户期望通过主设备（如台式电脑、移动终端或智能电视等）来呈现。

数据缓存模块用来缓存数据接收模块接收到的或者是采集到的实时数据，保存在USB设备的RAM中，由于USB设备无法主动发送数据到主设备（Host），因此需要有缓存机制保存从外部接收的实时数据。

第一数据传输模块主要负责搬运数据缓存模块中的数据，具体是搬运数据缓存模块中主设备要读取的文件对应的实时数据至USB接口，使得这部分数据最后流进主设备（Host）。

操作指令解析模块用来解析SCSI指令/数据模块接收的操作指令，得到簇地址信息以及主设备要求的数据长度。

文件检索模块在上电时会构建私有索引表，并在主设备发送的操作指令的指令类型为读指令时，根据簇地址信息找到主设备要读取的文件，来精准定位到主设备想操作哪一个文件。

第二数据传输模块用来搬运主设备写入的数据；

主设备数据处理模块（Host数据处理模块）在指令类型为写指令或者是控制指令时，处理主设备通过USB接口传送的数据或操作指令。在实际应用场景中，主设备可能需要实时操控USB设备，或者发送一些数据到USB设备，如控制USB设备暂停/恢复数据传输的命令等，这部分数据进入USB设备后，是在这个模块进行处理的。

图2右侧的主设备展示的是现有技术中常见的主设备系统构架，常见的Host系统架构，包含用户应用程序、内核文件系统等，其中用户应用程序主要用于实时呈现USB设备的数据内容，例如将USB设备采集的声音或者图像，实时的通过扬声器播放或者显示器进行显示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种USB设备的实时通讯方法，其特征在于，USB设备内烧录有用于记录其文件系统格式、设备大小以及应当存储的所有文件的信息的文件系统信息表，主设备根据所述文件系统信息表来访问所述USB设备的文件并发送操作指令，当USB设备通过USB接口连接至主设备时，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的USB设备的实时通讯方法，其特征在于，当所述指令类型为写指令时，将所述主设备传输的数据存储至USB设备的缓存中。

3.如权利要求1所述的USB设备的实时通讯方法，其特征在于，所述文件系统信息表烧录在所述USB设备的快闪存储器中。

4.如权利要求1所述的USB设备的实时通讯方法，其特征在于，所述文件的信息包括文件的名称、文件的大小和文件的访问权限当中的至少一种。

5.如权利要求1所述的USB设备的实时通讯方法，其特征在于，所述操作指令为SCSI指令集中的CBW命令块。

6.如权利要求5所述的USB设备的实时通讯方法，其特征在于，所述CBW命令块包括指令类型、期望读取的数据长度以及数据的簇地址信息。

7.一种USB设备，采用如权利要求1至6任意一项所述的实时通讯方法与主设备进行实时通讯。

8.如权利要求7所述的USB设备，其特征在于，包括：

SCSI指令/数据模块、USB驱动模块和USB接口；

数据接收模块，用于从实时数据源接收所述实时数据；

数据缓存模块，用于缓存所述实时数据；

9.如权利要求7所述的USB设备，其特征在于，还包括：

第二数据传输模块，用于搬运所述主设备写入的数据；主设备数据处理模块，在指令类型为写指令或者是控制指令时，处理所述主设备通过USB接口传送的数据或操作指令。