采用PDIUSBD12的USB系统固件程序设计
2008-09-16
作者：周 涛 张 辉
摘 要: 在设计USB系统的过程中,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" 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">固件程序的编写是非常重要的一个环节,它直接影响到开发产品的数据传输速度。以Phillips公司的USB控制芯片PDIUSBD12为例,介绍了在设计开发USB外设中,固件的作用以及固件程序的编写流程,并给出了相应程序。
关键词: USB 固件程序 PDIUSBD12 端点 单片机
USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线,是现在非常流行的一种技术。USB接口是一种快速、双向、廉价、可以进行热插拔的串行接口,在现在的每一台PC机上都可以找到一对USB接口。在遵循USB1.1规范的基础上,USB接口最高传输速率可达12Mb/s;而在最新的USB2.0规范下,更可以达到480Mb/s。同时它可以支持多个不同设备的串联连接,理论上可以连接127个USB设备,而且连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器(Hub)把多个设备连接在一起,再同PC机的USB接口相连。此外,它还可以从系统中直接汲取电流,无需单独的供电系统。USB的这些特点使它获得了广泛的应用。但是使用上的方便则意味着开发上的复杂,主要是编程的复杂性大大增加了。
在设计开发一个USB外设的时候,开发者主要需要编写三部分程序:①固件程序;②USB驱动程序;③客户应用程序。本文主要阐述固件程序的编写。
1 固件要完成的工作
固件是FIREWARE的对应中文词,它实际上是单片机的程序文件,其编写语言可以采用C语言或是汇编语言。它的操作方式与硬件联系紧密,包括USB设备的连接、USB协议、中断处理等,它不是单纯的软件,而是软件和硬件的结合,开发者需要对端口、中断和硬件结构非常熟悉。固件程序一般放入MCU中,当把设备连接到主机上(USB连接线插入插孔)时,上位机可以发现新设备,然后建立连接。因此,编写固件程序的一个最主要的目的就是让Windows可以检测和识别设备。
2 PDIUSBD12芯片特点
PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件,通常用于基于微控制器" title="微控制器">微控制器的系统,并通过高速通用并行接口与微控制器进行通信,而且支持本地DMA传输。该器件采用模块化的方法实现一个USB接口,允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器,允许使用现存的体系结构使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本。该器件是开发成本低且高效的USB外围设备的一种有效途径。PDIUSBD12完全符合USB1.1规范,也能适应大多数设备类规范的设计,如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等。因此,PDIUSBD12非常适合做很多外围设备,如打印机、扫描仪、外部大容量存储器(Zip驱动器)和数码相机等。现在很多用SCSI实现的很多设备如果用USB来实现可以直接降低成本。
PDIUSBD12还集成了SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本,同时在外围设备上很容易实现更高级的USB功能。
3 PDIUSBD12固件程序的编写
USB设备启动流程如下:
(1)USB设备接入USB口,发出连接USB命令;
(2)主机发出读设备描述符" title="描述符">描述符两次;
(3)主机根据设备描述符——厂商ID、产品ID,启动相应设备驱动程序;
(4)设备驱动程序初始化USB设备;
①读设备描述符;
②读配置描述符;
③选择接口、端点(管道),确定传输方式。
图1是PDIUSBD12的电路连接图。
USB固件程序通常由三部分组成:①初始化单片机和所有的外围电路(包括PDIUSBD12);②主循环部分,其任务是可以中断的;③中断服务程序,其任务是对时 间敏感的,必须马上执行。根据USB协议,任何传输都是由主机(Host)开始的,单片机作它的前台工作,等待中断。主机首先要发令牌" title="令牌">令牌包给USB设备(这里是PDIUSBD12),PDIUSBD12接收到令牌包后就给单片机发中断。单片机进入中断服务程序,首先读PDIUSBD12的中断寄存器,判断USB令牌包的类型,然后执行相应的操作。在USB单片机程序中,要完成对各种令牌包的响应,其中比较难处理的是SETUP包,主要是端口0的编程。
单片机与PDIUSBD12的通信主要是靠单片机给PDIUSBD12发命令和数据来实现的。PDIUSBD12的命令字分为三种:初始化命令字、数据流命令字和通用命令字。PDIUSBD12数据手册给出了各种命令的代码和地址。单片机先给PDIUSBD12的命令地址发命令,根据不同命令的要求再发送或读出不同的数据。因此,可以将每种命令做成函数,用函数实现各个命令,以后直接调用函数即可。
下面的程序是处理主机的标准控制请求的一个模板:
unsigned char ENDPOINT_A0_FIFO[8];
//判断输入的是SETUP请求，并将其读入缓冲区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设备在正常使用以前,必须由主机配置设备。主机一般会从USB设备获取配置信息后再确定此设备有哪些功能。
作为配置操作的一部分,主机会设置设备的配置值,如果必要的话会选择合适的接口备选设置。其初始化函数为:
void D12_int()
{ XmtBuff.pNum = 16；
D12_COMMAND = 0xf4； // 读中断寄存器
ist = D12_DATA；
if(ist & 0x01) //ENDP0_OUT
{ XmtBuff.out = 0；
XmtBuff.in = 1；
D12_COMMAND = 0x40； //读 OUT 最后状态
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； //读 in 最后状态
ist = D12_DATA；
USB_submit()；
}
else if(ist & 0x04) //ENDP1_OUT
{ XmtBuff.out = 2；
XmtBuff.in = 3；
D12_COMMAND = 0x42； //读 out 最后状态
ist = D12_DATA；
read_out()；
}
else if(ist & 0x08)//ENDP1_IN
{ XmtBuff.in = 3；
D12_COMMAND = 0x43； //读 in 最后状态
ist = D12_DATA；
XmtBuff.b[0] = 5；
XmtBuff.wrLength = 1；
XmtBuff.p = XmtBuff.b；
USB_submit()；
}
……
在发出连接USB命令后,主机先读取设备描述符,然后发出设置USB地址SETUP包,设置USB地址后,进行主机客户驱动与设备初始化。其余端点(ENDPOINT)依此类推。
在其头文件里需定义USB规范中的各种描述符格式,包括设备描述表、配置描述表、接口描述表、端点描述表、字符串描述表以及描述表类型。这样,在发送配置[,接口(1)，端点(1)，接口(2)，端点(2)，...，类，厂商等]联合描述表时,主机USBD可以根据描述表类型标识区分各种分描述表。
下面是固件程序的主循环部分:
#include
//指向外部D12访问地址
#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；//设置模式0
D12_DATA = 0x03；//初始化频率 12MHz
D12_COMMAND = 0xd0；
D12_DATA = 0x80；//设置地址 0 使能
D12_COMMAND = 0xf3；//连接主机
D12_DATA = 0x16；
while(1)
{ if(!D12_int_n)
{
D12_int()；
}
}
}
在编写USB的固件程序时,需要注意:
①单片机的中断应设置为电平触发;中断后一定要读上次传输状态寄存器(命令40~45H)，以清除中断寄存器中的中断标志。这样,PDIUSBD12的中断输出才能变回高电平,这一点非常重要。
②在接收到Setup包后,一定要调用D8命令重新使能端口0。
③在向IN端点写完数据后,一定调用命令FAH,指明缓冲区中的数据有效,可以发送到主机。
④读完数据后,一定调用命令F2H,以保证可以接收新的包。
⑤可以通过调用命令FDH,检查PDIUSBD12是否工作。该命令要读两个字节数据。
固件程序的编写是整个USB外设开发中非常重要的一环,它直接影响到设计开发的产品的数据传输速度。例如,采用不同的传输类型、设置不同的分组大小、是否采用DMA方式、传输缓冲区的大小等都会使得传输速度发生很大的变化。还有在高速情况下的超时处理等,也包含了很多的内容。
总之,在USB技术应用越来越广泛的今天,只有掌握了固件程序的编写,才可能开发出一个好的USB产品。
参考文献
1 张念淮,江浩. USB总线接口开发指南.北京:国防工业出版社,2001
2 Jan Axelson.USB大全.北京:中国电力出版社,2001
3 Chris Cant.Windows WDM设备驱动程序开发指南.北京:机械工业出版所,2000
4 Universal Serial Bus Specification Revision 1.1，1998.9
5 PDIUSBD12数据手册， 2001