基于單片機實現(xiàn)USB設(shè)備固件的應(yīng)用設(shè)計

作者：涂望明;魏友國;陳運濤;段道聚

一、 引言

USB是應(yīng)用在PC領(lǐng)域中的新型接口技術(shù)，它由三部分組成：具有USB接口的PC系統(tǒng)，能夠支持USB的系統(tǒng)軟件和使用USB接口的設(shè)備。它的提出是基于采用通用連接技術(shù)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設(shè)范圍的目地。它的最顯著優(yōu)點是支持熱插拔，當(dāng)用戶插入USB外設(shè)后，計算機能夠自動識別接入的外設(shè)，而不需要重新啟動系統(tǒng)。

二、USB設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

為了提高系統(tǒng)的可擴展性，也便于選擇高性能的單片機，以實現(xiàn)更多的功能，我們使用較為廣泛的Philip公司的單純的接口芯片PDIUSBD12。下面介紹USB設(shè)備硬件的相關(guān)情況。

1. PDIUSBD12芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

芯片內(nèi)部集成SIE、320B的FIFO緩存、收發(fā)器以及電壓調(diào)整電路和終結(jié)電阻器，提供2MB/s速率的并行接口，具有全自治本地DMA功能，芯片提供的多重中斷模式有利于批量和等時數(shù)據(jù)傳輸模式。芯片還提供了可編程時鐘、上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路。

2. PDIUSBD12芯片的控制字

D12的控制字分為初始化命令、數(shù)據(jù)流命令和通用命令三種基本類型。在USB 設(shè)備列舉過程中使用初始化命令，這些命令用來啟動設(shè)備、設(shè)置地址、端點和工作模式。數(shù)據(jù)流命令用于管理USB 和單片機之間的數(shù)據(jù)流。很多數(shù)據(jù)流是通過一個發(fā)給單片機的中斷請求開始的。控制器使用數(shù)據(jù)流命令來存取數(shù)據(jù)，確認(rèn)在FIFO中的數(shù)據(jù)是否有效。通用命令主要在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用，包括恢復(fù)和讀取當(dāng)前幀號。

3. PDIUSBD12 與單片機的連接

以PDIUSBD12和89C52單片機之間的連接如圖所示，ALE接到單片機的ALE上，使用地址總線復(fù)用方式。A0通過電阻接VCC。VCC接+5V，VOUT3.3通過電容接地，同時腳20RESET_N和腳18DMACK_N接高電平。GND接地。8根數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線。腳11CS_N端接至控制器或譯碼器的相應(yīng)端， PDIUSBD12可以通過CS_N端，映射為控制器的任何地址。腳14中斷接至控制器的中斷線，并用電阻拉高。XTAL1和XTAL2接6MHZ晶振，EOT_N拉高，D-、D+分別接到USB 總線的D-、D+上。在實際產(chǎn)品中，腳21GL_N可接LED顯示設(shè)備狀態(tài)。

三、USB設(shè)備固件的設(shè)計

固件的設(shè)計要求非常熟悉USB設(shè)備的具體通信步驟以及單片機的指令系統(tǒng)。

1. 固件介紹

PDIUSBD12是一種高速并行總線的USB接口設(shè)備，支持本地DMA傳輸。固件設(shè)計的目標(biāo)是使D12在USB上能達到最快的傳輸率。外圍設(shè)備如打印機等使用D12傳送大量的數(shù)據(jù)。這些設(shè)備中的CPU忙于處理許多任務(wù)象設(shè)備控制，數(shù)據(jù)和圖象處理。D12的固件設(shè)計成完全的中斷驅(qū)動模式。當(dāng)CPU在處理前臺任務(wù)時，USB傳輸在后臺被處理。這保證了最好的傳輸率和較好的軟件結(jié)構(gòu)，簡化了編程和調(diào)試。

在后臺中斷服務(wù)程序和前臺主程序之間的數(shù)據(jù)交換是通過標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(xiàn)的。例如， D12主要的大量輸出端點用一個圓形的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)D12從USB接收到數(shù)據(jù)封包，就向CPU產(chǎn)生一個中斷請求，CPU會馬上執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序內(nèi)部，固件把數(shù)據(jù)封包從D12的內(nèi)部緩沖區(qū)送到圓形緩沖區(qū)，然后清除PDIUSBD12的內(nèi)部緩沖區(qū)使它能接收下一個新的數(shù)據(jù)包。CPU能繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前前臺的任務(wù)直到完成。然后它返回到主循環(huán)，檢查圓形緩沖區(qū)是否有新的數(shù)據(jù)，開始另外一個前臺任務(wù)。

使用這種結(jié)構(gòu)，主函數(shù)不關(guān)心數(shù)據(jù)源是來自USB設(shè)備，串行口還是并行口。主函數(shù)只檢查圓形緩沖區(qū)是否有新數(shù)據(jù)需要處理。因此，主函數(shù)將目標(biāo)定為數(shù)據(jù)處理，而中斷服務(wù)程序做的工作是以可能的最快速度傳送數(shù)據(jù)。類似地，控制端點在數(shù)據(jù)封包處理上使用了同樣的概念。中斷服務(wù)程序在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里接收和存儲控制傳輸內(nèi)容并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志寄存器。主函數(shù)將發(fā)送請求到協(xié)議處理程序。一旦所有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，類，和用戶請求在協(xié)議處理程序處理了，中斷服務(wù)程序就能保持它的效率。

2. 固件結(jié)構(gòu)和任務(wù)

1） 固件結(jié)構(gòu)

固件由6部分組成，它們?nèi)缦拢?主程序：發(fā)送USB設(shè)備請求，讀測試鍵，控制發(fā)光二極管，處理USB總線事務(wù)，等等、標(biāo)準(zhǔn)請求、用戶請求、中斷服務(wù)程序、PDIUSBD12命令接口、硬件層。下面依次簡略介紹：

硬件層：這是固件中最低的層，它完成向PDIUSBD12的硬件通道。當(dāng)固件轉(zhuǎn)向其他的CPU 平臺，這部分需要修改或增加內(nèi)容。

PDIUSBD12命令接口：為進一步簡化用PDIUSBD12編程，固件定義了一系列命令接口，它們壓縮了使用PDIUSBD12的所有功能。

中斷服務(wù)程序：這部分代碼處理由PDIUSBD12產(chǎn)生的中斷。它接收從PDIUSBD12內(nèi)部的FIFO區(qū)到CPU存儲器的數(shù)據(jù)，并且建立合適的標(biāo)志以通知主程序處理。

主程序：主程序檢查事件的標(biāo)志，轉(zhuǎn)移到合適的子程序做進一步的處理。它也包含人機接口代碼，例如，發(fā)光二極管和鍵盤掃描。

協(xié)議層：協(xié)議層處理標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請求，也處理具體的用戶請求諸如DMA和TWAIN。

2） 固件任務(wù)

在編寫固件程序的過程中，PDIUSBD12 作為接口芯片硬件為我們做了大量的工作，其中包括：

a.檢測新的進入事務(wù)；翻譯從USB 總線上獲得的信息；b. 檢測事務(wù)的目的地址，以決定是否響應(yīng)；e. 確定事務(wù)的類型；d. 從USB 總線上接收數(shù)據(jù)到FIFO；e. 從FIFO 中發(fā)送數(shù)據(jù)到USB 總線上；f. 計算校驗位，檢測并報告結(jié)果。

但還有相當(dāng)一部分的工作由固件程序來完成。這部分任務(wù)包括：

a.初始化PDIUSBD12并處理PDIUSBD12的中斷；b.響應(yīng)各種請求，至少要響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的11種請求；c.選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)寫入PDIUSBD12的FIFO；d.從PDIUSBD12的FIFO中讀取數(shù)據(jù)；

3） PDIUSBD12 的初始化

與一般的接口芯片一樣，PDIUSBD12必須先初始化以后再使用，初始化的步驟如下：

a.用Set Address/Enable命令使能芯片功能，地址應(yīng)設(shè)為0；b.用Set Endpoint Enable命令使能芯片上除端點0、1外的所有端點；c.用Set Mode 命令斷開連接，延時1-2s；用Set Mode 命令連接；d. 用命令Read Interrupt Register清空中斷寄存器；

初始化完后，D12就可以接收USB 總線上的信息了。之后，主機通過端點0、1來讀取設(shè)備信息，配置設(shè)備、設(shè)置設(shè)備地址，完成設(shè)備列舉。

4） USB 設(shè)備的列舉

當(dāng)有一個USB 設(shè)備連接到主機上時，主機的USB總線驅(qū)動、根集線器驅(qū)動獲得設(shè)備連接的通知，開始列舉設(shè)備。在主機一端，列舉設(shè)備的過程是向設(shè)備發(fā)出一系列的標(biāo)準(zhǔn)請求。在設(shè)備一端，則需要響應(yīng)主機發(fā)出的請求。其順序如下：

a響應(yīng)獲取設(shè)備描述符的請求。務(wù)必保證設(shè)備描述符的正確發(fā)送；b.響應(yīng)設(shè)置地址的請求，設(shè)備進入編址態(tài)；c.連續(xù)三次響應(yīng)獲取設(shè)備描述符請求；d.響應(yīng)獲取配置描述符的的請求，務(wù)必保證配置描述符的正確發(fā)送；e.發(fā)送全部的配置描述符，同時發(fā)送所有的接口描述符、端點描述符；

如果以上步驟都正確，則主機會提示找到新設(shè)備，安裝驅(qū)動程序。否則，提示找到未知設(shè)備，設(shè)備不可用。

5） USB 設(shè)備固件框架的實現(xiàn)

從上面的討論發(fā)現(xiàn)編寫USB設(shè)備的固件實質(zhì)上是處理各種主機提出的請求。其中，標(biāo)準(zhǔn)的11個請求是必須實現(xiàn)的，如果要求設(shè)備有其它的功能還必須加入自定義的請求。按照USB 2.0 中的定義，稱這些固件程序為USB設(shè)備的框架。下面介紹USB設(shè)備框架的實現(xiàn)。

3. 主程序的結(jié)構(gòu)

一旦加電，MCU就要初始化所有的端口，存儲器，定時器和中斷服務(wù)子程序。之后，MCU需要重新連接USB。這個程序很重要因為它保證了在MCU未準(zhǔn)備好服務(wù)D12之前，D12不會動作。

在主循環(huán)程序里面，MCU會詢問鍵盤上的任何動作。如果任何一個具體的鍵被按下，處理鍵的命令就會執(zhí)行處理程序，之后返回主程序。這個程序僅是用來調(diào)試用。1ms定時是用來啟動檢查被按下鍵的子程序。

當(dāng)詢問到達檢查Setup包時，它需要先確定setup標(biāo)志是否建立。如果setup標(biāo)志已經(jīng)確立，它將發(fā)送設(shè)備請求到協(xié)議層進行處理。下面的流程圖顯示了主程序在前臺執(zhí)行的情況。

4. 中斷服務(wù)程序的實現(xiàn)

PDIUSBD12固件是完全中斷驅(qū)動的，因此中斷服務(wù)程序是整個固件編寫過程中非常重要的一環(huán)。在進入中斷服務(wù)程序后首先要發(fā)用命令Read Interrupt Register（控制字為F4H）讀取中斷寄存器，根據(jù)中斷寄存器的內(nèi)容判斷中斷源，然后跳轉(zhuǎn)到不同的服務(wù)程序中去處理中斷。

中斷服務(wù)程序（ISR）與主程序通信是通過事件標(biāo)志“EPPFLAG”和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)“Control-XFER”。

主程序和中斷服務(wù)程序（ISR）之間任務(wù)分配是，ISR從D12收集數(shù)據(jù)，主程序?qū)⑻幚磉@些數(shù)據(jù)。ISR只在它收集了足夠的數(shù)據(jù)才通知主程序準(zhǔn)備處理，這樣會減少不必要的主程序服務(wù)時間，也簡化了主程序。

總線重置和空閑在ISR里面不需要特殊的處理。ISR要么設(shè)置總線重置標(biāo)志，要么在EPPFLAG里暫停這一位并退出。

控制型傳輸總是以setup階段開始的，接著是數(shù)據(jù)階段。然后以狀態(tài)階段結(jié)束。

下面以處理Control OUT和Control IN這兩個最復(fù)雜最重要的中斷子程序為例，說明編寫中斷服務(wù)程序的一些問題。

Control OUT主要是主機用來傳遞控制請求的，也可用于傳輸數(shù)據(jù)，進入服務(wù)程序后首先要發(fā)送控制字Read Last Transaction Status（40H）給PDIUSBD12，讀取管道狀態(tài)，根據(jù)讀取的狀態(tài)判斷是因為有數(shù)據(jù)包還是有SETUP包的到來而中斷。當(dāng)SETUP包被USB設(shè)備的D12接收后，設(shè)備將會向MCU產(chǎn)生中斷。微控制器將通過讀取D12中斷寄存器的內(nèi)容判斷封包是送到Control端點還是Genric端點而進行處理。如果封包是送到Control端點，MCU將會進一步通過讀D12的“Read Last Transaction Status Register”判斷數(shù)據(jù)是不是SETUP 封包。對于獲取描述符設(shè)備請求，第一個封包必須是SETUP封包。

之后，MCU需要讀出SETUP封包的內(nèi)容通過選擇Control Out端點來判斷這個端點是滿的還是空的。如果控制端點是滿的，MCU就從緩沖區(qū)中讀出它的內(nèi)容并將它存在存儲器里。然后，它將從存儲器里去驗證主機設(shè)備請求是否合法。如果是合法請求，MCU必須送“Acknowledge Setup command”到Control Out端點使能接收下一個封包。下一步，MCU需要確定控制傳輸是控制讀還是控制寫。這可以通過從SETUP 封包里讀bmRequestType的8個字節(jié)來完成。控制傳輸是控制讀，設(shè)備需要在下一個數(shù)據(jù)時相回送數(shù)據(jù)包給主機。MCU需要建立一個標(biāo)志，表明USB設(shè)備現(xiàn)在正處于傳送模式。應(yīng)主機的要求準(zhǔn)備送數(shù)據(jù)。

Control IN主要是用來向主機傳送數(shù)據(jù)的，進入服務(wù)子程序后，首先要通過讀Read Last Transaction Status（40H）來清除Control-In interrupt Bit，在確認(rèn)D12是處于傳送模式下后，MCU將數(shù)據(jù)包送往主機。但是，由于D12只有16字節(jié)的FIFO，所以MCU必須控制好傳送的總量，如果要求的長度大于16字節(jié)的話。MCU必須檢查當(dāng)前和剩下的要送往主機的數(shù)據(jù)，如果剩下的字節(jié)大于16字節(jié)的話，MCU將先送頭16字節(jié)。在下一個Control-IN令牌包到來的時候，MCU將先判斷剩下的字節(jié)是否為0，如果是，MCU將發(fā)一個空包給主機，通知它數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送完畢。

結(jié)束語：

功能強大的USB規(guī)格已經(jīng)成為PC的眾多標(biāo)準(zhǔn)之一，鉆研計算機科技的種種發(fā)展，都離不開USB的相關(guān)知識。本文創(chuàng)新點：使用USB通信方面的具體協(xié)議，用單片機匯編語言編程，利用單片機的指令系統(tǒng)去實現(xiàn)USB設(shè)備與PC主機的具體通信，設(shè)計出適合用戶需求的USB設(shè)備。

責(zé)任編輯：gt