摘? 要: 在設(shè)計(jì)USB系統(tǒng)的過(guò)程中,固件" title="固件">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" 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title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" 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title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序" title="固件程序">固件程序的編寫是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),它直接影響到開發(fā)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸速度。以Phillips公司的USB控制芯片PDIUSBD12為例,介紹了在設(shè)計(jì)開發(fā)USB外設(shè)中,固件的作用以及固件程序的編寫流程,并給出了相應(yīng)程序。

　　關(guān)鍵詞: USB? 固件程序? PDIUSBD12? 端點(diǎn)? 單片機(jī)

?

　　USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線,是現(xiàn)在非常流行的一種技術(shù)。USB接口是一種快速、雙向、廉價(jià)、可以進(jìn)行熱插拔的串行接口,在現(xiàn)在的每一臺(tái)PC機(jī)上都可以找到一對(duì)USB接口。在遵循USB1.1規(guī)范的基礎(chǔ)上,USB接口最高傳輸速率可達(dá)12Mb/s;而在最新的USB2.0規(guī)范下,更可以達(dá)到480Mb/s。同時(shí)它可以支持多個(gè)不同設(shè)備的串聯(lián)連接,理論上可以連接127個(gè)USB設(shè)備,而且連接的方式也十分靈活,既可以使用串行連接,也可以使用集線器(Hub)把多個(gè)設(shè)備連接在一起,再同PC機(jī)的USB接口相連。此外,它還可以從系統(tǒng)中直接汲取電流,無(wú)需單獨(dú)的供電系統(tǒng)。USB的這些特點(diǎn)使它獲得了廣泛的應(yīng)用。但是使用上的方便則意味著開發(fā)上的復(fù)雜,主要是編程的復(fù)雜性大大增加了。

　　在設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)USB外設(shè)的時(shí)候,開發(fā)者主要需要編寫三部分程序:①固件程序;②USB驅(qū)動(dòng)程序;③客戶應(yīng)用程序。本文主要闡述固件程序的編寫。

1 固件要完成的工作

　　固件是FIREWARE的對(duì)應(yīng)中文詞,它實(shí)際上是單片機(jī)的程序文件,其編寫語(yǔ)言可以采用C語(yǔ)言或是匯編語(yǔ)言。它的操作方式與硬件聯(lián)系緊密,包括USB設(shè)備的連接、USB協(xié)議、中斷處理等,它不是單純的軟件,而是軟件和硬件的結(jié)合,開發(fā)者需要對(duì)端口、中斷和硬件結(jié)構(gòu)非常熟悉。固件程序一般放入MCU中,當(dāng)把設(shè)備連接到主機(jī)上(USB連接線插入插孔)時(shí),上位機(jī)可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備,然后建立連接。因此,編寫固件程序的一個(gè)最主要的目的就是讓W(xué)indows可以檢測(cè)和識(shí)別設(shè)備。

2 PDIUSBD12芯片特點(diǎn)

　　PDIUSBD12是一個(gè)性能優(yōu)化的USB器件,通常用于基于微控制器" title="微控制器">微控制器的系統(tǒng),并通過(guò)高速通用并行接口與微控制器進(jìn)行通信,而且支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)USB接口,允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統(tǒng)微控制器,允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發(fā)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)和成本。該器件是開發(fā)成本低且高效的USB外圍設(shè)備的一種有效途徑。PDIUSBD12完全符合USB1.1規(guī)范,也能適應(yīng)大多數(shù)設(shè)備類規(guī)范的設(shè)計(jì),如成像類、大容量存儲(chǔ)類、通信類、打印類和人工輸入設(shè)備等。因此,PDIUSBD12非常適合做很多外圍設(shè)備,如打印機(jī)、掃描儀、外部大容量存儲(chǔ)器(Zip驅(qū)動(dòng)器)和數(shù)碼相機(jī)等?，F(xiàn)在很多用SCSI實(shí)現(xiàn)的很多設(shè)備如果用USB來(lái)實(shí)現(xiàn)可以直接降低成本。

　　PDIUSBD12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)節(jié)省成本,同時(shí)在外圍設(shè)備上很容易實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的USB功能。

3 PDIUSBD12固件程序的編寫

　　USB設(shè)備啟動(dòng)流程如下:

　　(1)USB設(shè)備接入U(xiǎn)SB口,發(fā)出連接USB命令;

　　(2)主機(jī)發(fā)出讀設(shè)備描述符" title="描述符">描述符兩次;

　　(3)主機(jī)根據(jù)設(shè)備描述符——廠商ID、產(chǎn)品ID,啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;

　　(4)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化USB設(shè)備;

????①讀設(shè)備描述符;

　?、谧x配置描述符;

　?、圻x擇接口、端點(diǎn)(管道),確定傳輸方式。

　　圖1是PDIUSBD12的電路連接圖。

?

?

　　USB固件程序通常由三部分組成:①初始化單片機(jī)和所有的外圍電路(包括PDIUSBD12);②主循環(huán)部分,其任務(wù)是可以中斷的;③中斷服務(wù)程序,其任務(wù)是對(duì)時(shí) 間敏感的,必須馬上執(zhí)行。根據(jù)USB協(xié)議,任何傳輸都是由主機(jī)(Host)開始的,單片機(jī)作它的前臺(tái)工作,等待中斷。主機(jī)首先要發(fā)令牌" title="令牌">令牌包給USB設(shè)備(這里是PDIUSBD12),PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機(jī)發(fā)中斷。單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序,首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器,判斷USB令牌包的類型,然后執(zhí)行相應(yīng)的操作。在USB單片機(jī)程序中,要完成對(duì)各種令牌包的響應(yīng),其中比較難處理的是SETUP包,主要是端口0的編程。

　　單片機(jī)與PDIUSBD12的通信主要是靠單片機(jī)給PDIUSBD12發(fā)命令和數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PDIUSBD12的命令字分為三種:初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字。PDIUSBD12數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了各種命令的代碼和地址。單片機(jī)先給PDIUSBD12的命令地址發(fā)命令,根據(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù)。因此,可以將每種命令做成函數(shù),用函數(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)命令,以后直接調(diào)用函數(shù)即可。

　　下面的程序是處理主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)控制請(qǐng)求的一個(gè)模板:

　　unsigned char ENDPOINT_A0_FIFO[8];

????//判斷輸入的是SETUP請(qǐng)求，并將其讀入緩沖區(qū)ENDPOINT_A0_FIFO

????...

????if((ENDPOINT_A0_FIFO[0] & 0b01100000)==0x00) ??????????? ??{

　　　　{????

??????? ?if (ENDPOINT_A0_FIFO[1] <= 0x0C)

??? ?????? ?{

?????????? (*StandardFunctionTable[ENDPOINT_A0_FIFO[1]])()；

??????????? return；

????????? ? }

????}

????...

??????const void (* StandardFunctionTable[])(void)=

????{

?????????? GetStatus，ClearFeature，USB_Reserved，SetFeature，

?????????? USB_Reserved，SetAddress，GetDescriptor，SetDescriptor，

?????????? GetConfiguration，SetConfiguration，GetInterface，

?????????? SetInterface，SynchFrame

????}；

　　USB設(shè)備在正常使用以前,必須由主機(jī)配置設(shè)備。主機(jī)一般會(huì)從USB設(shè)備獲取配置信息后再確定此設(shè)備有哪些功能。

作為配置操作的一部分,主機(jī)會(huì)設(shè)置設(shè)備的配置值,如果必要的話會(huì)選擇合適的接口備選設(shè)置。其初始化函數(shù)為:

　　void D12_int()

　　{? XmtBuff.pNum = 16；

?????? ? D12_COMMAND = 0xf4；??????? // 讀中斷寄存器

?????? ? ist = D12_DATA；

?????? ? if(ist & 0x01)????????????? //ENDP0_OUT

?????? ? {? XmtBuff.out = 0；

????????????? XmtBuff.in? = 1；

????????????? D12_COMMAND = 0x40；??? //讀 OUT 最后狀態(tài)

????????????? ist= D12_DATA；

　　if (ist & 0x20)??????????????????? //收到 SETUP 包

??????? {? Setup_read()；

?????????? Setup_control()；

??????? }

??????? else

????????????? {???? Setup_read()；

????????????? }

?????　 }

?????? else if(ist & 0x02)????????? //ENDP0_IN

?????? {???? XmtBuff.in? = 1；

???????????? D12_COMMAND = 0x41；?? //讀 in 最后狀態(tài)

???????????? ist = D12_DATA；

??? 　 USB_submit()；

?????? }

?????? else if(ist & 0x04)??????? //ENDP1_OUT

?????? {???? XmtBuff.out = 2；

???????????? XmtBuff.in? = 3；

???????????? D12_COMMAND = 0x42；? //讀 out 最后狀態(tài)

?????? ist = D12_DATA；

?????? read_out()；

　　}

?????? else if(ist & 0x08)//ENDP1_IN

?????? {???? XmtBuff.in? = 3；

?????? ??? D12_COMMAND = 0x43；?? //讀 in 最后狀態(tài)

?????? ??? ist = D12_DATA；

??? 　　　 XmtBuff.b[0] = 5；

??? 　　?? XmtBuff.wrLength = 1；

??? 　　?? XmtBuff.p = XmtBuff.b；

??? 　　?? USB_submit()；

?????? }

　　……

　　在發(fā)出連接USB命令后,主機(jī)先讀取設(shè)備描述符,然后發(fā)出設(shè)置USB地址SETUP包,設(shè)置USB地址后,進(jìn)行主機(jī)客戶驅(qū)動(dòng)與設(shè)備初始化。其余端點(diǎn)(ENDPOINT)依此類推。

　　在其頭文件里需定義USB規(guī)范中的各種描述符格式,包括設(shè)備描述表、配置描述表、接口描述表、端點(diǎn)描述表、字符串描述表以及描述表類型。這樣,在發(fā)送配置[,接口(1)，端點(diǎn)(1)，接口(2)，端點(diǎn)(2)，...，類，廠商等]聯(lián)合描述表時(shí),主機(jī)USBD可以根據(jù)描述表類型標(biāo)識(shí)區(qū)分各種分描述表。

　　下面是固件程序的主循環(huán)部分:

　　#include

　　//指向外部D12訪問(wèn)地址

　　#define D12_COMMAND(*(unsigned char xdata *)0xff01)

　　#define D12_DATA ??? (*(unsigned char xdata *)0x7f02)

　　extern void D12_int()；

　　sbit D12_suspend=P1^0；

　　sbit D12_int_n=P1^1；

　　sbit D12_eot_n=P1^2；

　　sbit D12_DMAck_n=P1^3；

　　sbit D12_DMAreq=P1^4；

　　void main(void)

　　{

　　unsigned char ist；

　　??? P1 = 0xff；

??? 　　D12_COMMAND = 0xf3；

??? 　　D12_DATA = 0x06；//設(shè)置模式0

??? 　　D12_DATA = 0x03；//初始化頻率 12MHz

??? 　　D12_COMMAND = 0xd0；

??? 　　D12_DATA = 0x80；//設(shè)置地址 0 使能

??? 　　D12_COMMAND = 0xf3；//連接主機(jī)

??? 　　D12_DATA = 0x16；

??? 　　while(1)

??? 　　{? if(!D12_int_n)

??????? 　　{??

??????????????????? D12_int()；

??????? 　　}

??? 　　}

　　}

　　在編寫USB的固件程序時(shí),需要注意:

　　①單片機(jī)的中斷應(yīng)設(shè)置為電平觸發(fā);中斷后一定要讀上次傳輸狀態(tài)寄存器(命令40~45H)，以清除中斷寄存器中的中斷標(biāo)志。這樣,PDIUSBD12的中斷輸出才能變回高電平,這一點(diǎn)非常重要。

　?、谠诮邮盏絊etup包后,一定要調(diào)用D8命令重新使能端口0。

　　③在向IN端點(diǎn)寫完數(shù)據(jù)后,一定調(diào)用命令FAH,指明緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)有效,可以發(fā)送到主機(jī)。

　　④讀完數(shù)據(jù)后,一定調(diào)用命令F2H,以保證可以接收新的包。

　?、菘梢酝ㄟ^(guò)調(diào)用命令FDH,檢查PDIUSBD12是否工作。該命令要讀兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　固件程序的編寫是整個(gè)USB外設(shè)開發(fā)中非常重要的一環(huán),它直接影響到設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸速度。例如,采用不同的傳輸類型、設(shè)置不同的分組大小、是否采用DMA方式、傳輸緩沖區(qū)的大小等都會(huì)使得傳輸速度發(fā)生很大的變化。還有在高速情況下的超時(shí)處理等,也包含了很多的內(nèi)容。

　　總之,在USB技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛的今天,只有掌握了固件程序的編寫,才可能開發(fā)出一個(gè)好的USB產(chǎn)品。

?

參考文獻(xiàn)

1 張念淮,江浩. USB總線接口開發(fā)指南.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001

2 Jan Axelson.USB大全.北京:中國(guó)電力出版社,2001

3 Chris Cant.Windows WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)指南.北京:機(jī)械工業(yè)出版所,2000

4 Universal Serial Bus Specification Revision 1.1，1998.9