USB固件編程學習 - 全文

?

　　USB固件編程之一：固件編程的工作內容

　　USB固件編程可以用以下語句來精練地進行描述：

　　Device的固件編程，要搞定的是那幾個端點。端點多少和配置情況受所用的Device芯片決定，具體可以看芯片資料。芯片一般提供一個中斷信號，與單片機接口時，只要端點接受到數據，或發(fā)送數據成功后，便后產生中斷，在固件里面，只要對些中斷進行響應即可。當Device接收到數據時，對這些數據進行分析處理(端點0遵守標準的數據格式，其他端點受端點類型的不同，有不同的數據格式)，一般來說，這些數據是主機對設備發(fā)出的請求，設備只要響應主機的這些請求即可。Device芯片發(fā)送完數據后也會產生中斷，這個中斷信號告訴與之接口的單片機，可以繼續(xù)發(fā)送后續(xù)的數據。USB固件，好比一個有“妻管炎”的男人，而主機，則好是一個女管家。一般來說，主機讓干啥就干啥，所以，USB固件程序的結構一般是基于中斷處理的。平時，主程序做完必要的初始化工作后，就什么事也不做了，等待USB中斷的產生，中斷產生后，根據中斷狀態(tài)對相應的端點讀取數據，或是向相應的端點發(fā)送數據。這一點是USB通訊協議的主-從模式先天決定的。但讓人不可思議的是，這還有點象是母系氏族時期，因為，一個USB總線上，只能有一個主機，可以有多個設備，整個USB總線上通訊的協議和處理，發(fā)起與中止，基本上是主機控制的。因此，固件編程中，只要滿足了主機的要求，就萬事大吉了，可以確保自己的氏族中的應有地位

　　U盤固件編程之二:固件編程的幾個主要部分

　　在整個U盤固件中,程序從功能模塊上分成兩個部分:USB協議的處理和對Flash的讀寫.USB協議的處理又分成兩個方面.

　　一是端點0的配置過程.所有USB設備在插入USB端口時，主機都通過地址0與設備的端口0進行通訊。在這個過程中,主機發(fā)出一系列得到描述符的請求,通過這些請求,主機得到所有感興趣的設備的描述符,從而知道設備的情況,然后通過Set Address為設備設置一個唯一的地址,配置過程完成以后,主機就通過為設備所設定的地址與設備通訊,而不再是使用默認地址0.配置地址后,可能還要獲取一次描述符,然后設置配置(Set Configuration)，之后便完成了對新插入USB總線的設備的配置過程。

　　二是其他端點的數據通訊過程。在配置階段中，主機已經知道了設備的端點的使用情況，以后，便可以通過這些端點來進行特定傳輸方式的通訊了。對于U盤來說，有兩種傳輸方式，BULK ONLY和CBI方式，一般使用Bulk Only較多。這種傳輸方式要使用特定的Bulk端點，然后還要為其選擇一種命令集。比如UFI或SCSI，因為Bulk端點的數據沒有特定的數據格式，因此，需要使用某種命令集，來約定所傳數據的格式。對于U盤固件編程來講，就是要處理BULK端點的各種數據通訊。除了對各個相關的端點的USB協議的處理，剩下的就是FLASH的讀寫問題。這里存在兩個層面的問題。

　　一是解決Flash讀寫的問題，就是說你使用的Flash，先要實現成功的讀寫和擦除，這部分內容，是比較成熟的，一般都使用三星公司出的K9FXX08系列的，有16M(2808)，32M(5608)，64M(1208)，138M(1G08)。它們的封裝一致，只需要軟件編程中稍做修改，便可以進行適應于另一種容量的存儲器。

　　第二個層面的問題，就是在U盤通訊過程中的問題了。NAND型的Flash有個特點，不可隨機存取，擦除操作一次對16K的內容進行。所以，在U盤響應過程中，不可避免要對數據進行緩存。如果你的U盤方案中有較寬裕的RAM(超過16K)，這個問題變得簡單，只需要開一個16K的數組，把數據存到這16K中，最后再寫入Flash即可。否則，在緩沖上面是要花一些功夫的。最基本的思路是用Flash的另外一個Block做緩沖空間。但這種方式會引發(fā)下列問題：1、速度;2、Flash的那個用來做緩存的塊將比別的塊使用頻度大幅上升，磨損最嚴重，最先壞，這影響整個Flash的壽命。在實際處理中，引入了一系列的折中方案，比如，對Write命令所寫的Block號進行判斷，如果是整個的數據Block，則直接擦除原有內容，將數據寫入。再如，對于非整個Block的數據進行緩沖，而對于整個Block的讀寫，不緩沖直接寫入。再就是對于前面文件分配表、目錄項所在的Block進行緩沖，等等。經過這些處理，可以盡可能地提高Write的速度。

　　U盤固件編程之三:合理的USB通訊調試方法和思路是成功的關鍵

　　在介紹更多細節(jié)內容之前，我不得不談談我對USB調試方法的理解。USB通訊過程是一個動態(tài)的過程，是不太好使用硬件仿真器來設斷點調試的，因為每一次USB的傳輸過程，都有時效要求，等待時間過長，通訊過程也就中止了。但也不排除可以巧妙地使用斷點仿真的方法進行調試。但個人認為，使用串口輔助編程過程，卻是一種經濟有效的方法。所謂用串口輔助調試過程，也就是在固件代碼中加入類似于Printf的語句，向串口輸出一些信息。這些信息可以是幾個字符(如A、B、C)，或是某個變量或寄存器的值。程序運行到此處時，便會輸出這些信息，借此，便可以知道：1、程序是否運行到此處;2、運行到此處時相應變量或寄存器值。這不就是硬件仿真調試的功能么?如果想使用這種方式來調試，在硬件上必須增加一個RS232串口電平轉換芯片，而且所使用的MCU得要有串口，并且，一般要自己編寫Printf函數的實現方式。這個翻翻串口控制方面的書籍，很容易就可以搞定。

　　串口調試的方法，還可以推廣到其他的單片機應用中，在簡單系統中，它基本可以替代掉硬件仿真器，降低開發(fā)者的門檻和投資。在USB通訊過程中，有兩個階段，一是通過端點0完成對設備的配置，在此階段，把從USB端點得到的數據輸出到串口，就對通訊所處的階段一目了然了。一旦完成配置階段，Bus Hound便可以粉墨登場了，因為此時，Bus Hound中已經可以看到設備了，看到設備后，便可以選擇設備，對主機與此設備間的通訊數據進行分析和監(jiān)視。串口調試和Bus Hound這兩種手段配合使用，可以使USB通訊過程的調試更加容易。比如，剛開始時，端點0的數據量本來就少，因此，使用串口調試比較方便。而對于Bulk端點的數據傳送過程，再使用串口就不太方便了，因為數據量大，串口輸出的數據太多，延時會比較嚴重，影響USB通訊過程，所以改用BUS HOUND來監(jiān)視USB總線上的數據。這個時候很有趣的一件事情是，Bus Hound在PC機上，而串口實際上在單片機端。所以，利用這兩種手段，里應外合，有助于我們確定一方發(fā)時另一方收的數據是否正確。比如，單片機上發(fā)出的一組數，將其輸出到串口，然后看看Bus Hound上是否收到的是這些數，如果正確，則說明硬件通訊過程沒有問題，如果不正確，則說明通訊的某一方有問題，進一步可以定位此問題，排除之。正確的調試思路，將使調試過程事半功倍。比如，在調試端點0 的配置過程時，可以先用Switch...Case語句建立對于端點0的數據的分支響應，對照標準請求的數據格式，可以得到什么情況下是Get Device Descriptor，什么時候是Get Configuration Descriptor，每個分支處理時對應一個函數，在這個函數里向串口標志信息。這個工作完成以后，便一個一個地來處理請求，處理完一個后，主機會自動進入下一個階段，這時，通過串口可以看到相應的狀態(tài)，按步就班地一個一個處理余下的請求，即可完成端點0的設備配置過程的固件程序的編寫?！τ贐ulk端點也是一樣，先建立程序框架，然后再一個一個地處理請求。這種自上而下，逐步求精的思路并不稀奇，在USB調試過程中十分受用。最忌一上來就處理請求，不講求結構，不講求代碼的條理性，最后可能弄得自己都是一頭霧水

　　U盤固件編程之四:玩轉你的端點

　　接上面hewx，我來談談端點的問題。前面提到過，端點是由USB設備端的接口芯片決定的。你選擇了什么樣的芯片，那么端點的配置情況屬性就已經決定了，你只能使用將就這些特定的情況。這些端點的配置，具體要參考你所使用的接口芯片的芯片資料，比如說，端點0當然都為控制端點，其MaxPacketSize可能為8，16，32，64;端點1可能是Bulk-In端點，2是Bulk-Out端點，其字長也有可能是8，16，32，64，但一般是64。其他端點可能有同步端點，或者同一端點既可被配置成同步傳輸方式，也可以工作在Bulk傳輸方式下，等等，不一而足。USB協議精妙之處就在于枚舉過程。主機最初發(fā)過來的包，一定是8個字符長的。所以，你的端點的MaxPacketSize至少必須是8，能滿足與主機之間最基本的通訊過程。對于主機的第一個請求Get Device Descriptor，你也只用回復8個字符就OK了，因為主機在第一次只對這8個字符感興趣，在后面逐漸的獲取描述符的過程中，主機逐漸得到設備使用那些端點，每個端點的最大字長(這些內容在Endpoint Descriptor中，通過Configuration Descriptor提供)是多少，等等，總之，通過枚舉，主機便知道你的端點的情況了，以后就會用這些端點來與設備進行通訊。對于Hewx的問題，我想是你在Endpoint Descriptor中沒有正確進行端點的設置，因為，如果進行了正確的端點配置，主機是會自動通過Bulk端點來發(fā)Inquiry命令的，而不會從你說的Endpoint1(16B)來發(fā)送這一信息。而且，主機會自動對要發(fā)送的信息進行分割，每次以不高于相應端點的MaxPacketSize長度來發(fā)送。除了描述符中要給出正確的端點描述符的描述，有些時候在芯片中也需要設備相應的控制位，在決定你要使用哪些及如何使用這些端點，這個也得根據具體的芯片資料來設置。

　　U盤固件編程之四:玩轉你的端點(增補)

　　對于某種設備來說，需要使用到的端點是固定的。比如說，Mass Storage設備吧，就只需要用到一個Bulk-In端點和一個Bulk-Out端點。而不需要幾個此類端點。至于到底需要幾個端點，完全需要根據有關協議中的說明進行，描述符也據此進行提供，而不是沒有根據地在描述符中提供許多端點。至于哪些端點可以做何種方式來使用，這也要看接口芯片的資料，比如，很可能，有的端點只能用作同步方式，那你就不要勉強將其用作批量方式，控制端點就只能用作控制傳輸方式，就不能為同步方式......搞清楚這個概念，在固件編程中才好正確地提供描述符。