USB协议实现的程序设计

Question

我有一个想要实现的 USB 协议，但我对实现它的最佳方法有点迷失。

USB 协议涉及来回交换数据和确认数据包，如下所示：

Device: data
Host: ACK
Host: reply
Device: ACK

但有时，数据包可能会像这样异步进入：

Device: data #1
Device: data #2
Host: ACK #1
...

我想要一个 API，它可以抽象出 USB 的所有细节，让程序只处理实际数据，而不必担心数据包标头或确认数据包或类似的事情。理想情况下，有一个write_to_device函数会阻塞直到设备确认数据包，一个函数read_from_device会阻塞直到收到数据包，还有一个is_data_available函数会立即返回队列上是否有任何数据。

我正在考虑运行一个单独的线程来处理 USB 事件。该线程将处理所有数据封装和确认。

当数据包进入时，处理线程将发送一个 ACK​​ 数据包，然后提取原始数据并将其写入管道。该read_from_device函数（从主线程调用）将简单地从此管道中读取并自然阻塞，直到有数据为止。但是如果我使用这个方案，我将没有一个干净的方法来实现一个is_data_available函数 - 没有办法在不读取数据的情况下检查管道中是否有数据。

像这样的东西：

[ Main thread    ][ Processing thread   ]
| Read from pipe ||                     |
|                || USB packet comes in |
|                || Send ACK packet     |
|                || Extract data        |
|                || Write data to pipe  |
| Read succeeds  ||                     |
| Return data    ||                     |

真正的问题是实现一个write_to_device功能。

[ Main thread                ][ Processing thread      ]
| Somehow signal write       ||                        |
| Wait for write to complete ||                        |
|                            || Send the data          |
|                            || Wait for ACK packet    |
|                            || Somehow signal that write completed
| Return                     ||                        |

如何干净地实现一种发送数据包、等待确认数据包然后返回的方法？

Answer 1

我建议您创建一个自定义管道类或结构或其他东西。为此，您定义一个 write 方法，该方法还等待信号量触发。如果您使用的是 Linux，sem_wait（来自信号量函数系列sem_*）就是您想要查看的内容。

然后，写入函数会将数据写入 FIFO 并等待信号量被标记。但是，写入线程如何知道所有数据何时通过您想要发送的管道到达？如果线程必须阻塞读取，这里可能会出现问题。

因此，我建议您在从主线程到处理线程的管道内使用微格式，发送一个整数大小，该整数大小定义您要写入的字节数。然后，处理线程将读取该数量的字节，将其转发到设备，并在标记所有数据后立即标记信号量。该write函数将等待信号量，因此处于非忙阻塞状态，直到处理线程完成。

这是自定义管道结构和概述的写入函数的起草方式：

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>

typedef struct {
    int write_to_pipe, read_from_pipe;
    sem_t *write_sem;
} MyPipe;

MyPipe *pipe_new() {
    int fds[2];
    if (pipe(fds)) {
        // handle error here
        return NULL;
    }

    sem_t *sem = NULL;
    if (sem_init(sem, 0, 0)) {
        // handle error here
        close(fds[0]);
        close(fds[1]);
        return NULL;
    }

    MyPipe *result = malloc(sizeof(MyPipe));
    result->write_to_pipe = fds[1];
    result->read_from_pipe = fds[0];
    result->write_sem = sem;
    return result;
}

void pipe_write(MyPipe *pipe, const unsigned char *buf, const int size) {
    write(pipe->write_to_pipe, &size, sizeof(int));
    write(pipe->write_to_pipe, buf, size);
    sem_wait(pipe->write_sem);
}

处理线程将知道该MyPipe实例并read_from_pipe在需要时进行读取。它首先读取主线程写入管道的字节数，然后读取任意块的所有字节。当所有数据发送到设备并被其确认后，它可以发送sem_post信号量，以便pipe_write返回。

或者，可以添加另一个信号量，该pipe_write信号量会发出信号以使处理线程仅在实际有可用数据时才读取数据。

免责声明：尚未测试代码，仅检查其是否可以编译。需要用 来构建-pthread，才能sem_*可用。