摘? 要: 在設計USB系統的過程中,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" 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" 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">固件程序的編寫是非常重要的一個環節,它直接影響到開發產品的數據傳輸速度。以Phillips公司的USB控制芯片PDIUSBD12為例,介紹了在設計開發USB外設中,固件的作用以及固件程序的編寫流程,并給出了相應程序。

　　關鍵詞: USB? 固件程序? PDIUSBD12? 端點? 單片機

?

　　USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線,是現在非常流行的一種技術。USB接口是一種快速、雙向、廉價、可以進行熱插拔的串行接口,在現在的每一臺PC機上都可以找到一對USB接口。在遵循USB1.1規范的基礎上,USB接口最高傳輸速率可達12Mb/s;而在最新的USB2.0規范下,更可以達到480Mb/s。同時它可以支持多個不同設備的串聯連接,理論上可以連接127個USB設備,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)把多個設備連接在一起,再同PC機的USB接口相連。此外,它還可以從系統中直接汲取電流,無需單獨的供電系統。USB的這些特點使它獲得了廣泛的應用。但是使用上的方便則意味著開發上的復雜,主要是編程的復雜性大大增加了。

　　在設計開發一個USB外設的時候,開發者主要需要編寫三部分程序:①固件程序;②USB驅動程序;③客戶應用程序。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的對應中文詞,它實際上是單片機的程序文件,其編寫語言可以采用C語言或是匯編語言。它的操作方式與硬件聯系緊密,包括USB設備的連接、USB協議、中斷處理等,它不是單純的軟件,而是軟件和硬件的結合,開發者需要對端口、中斷和硬件結構非常熟悉。固件程序一般放入MCU中,當把設備連接到主機上(USB連接線插入插孔)時,上位機可以發現新設備,然后建立連接。因此,編寫固件程序的一個最主要的目的就是讓Windows可以檢測和識別設備。

2 PDIUSBD12芯片特點

　　PDIUSBD12是一個性能優化的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,并通過高速通用并行接口與微控制器進行通信,而且支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實現一個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微控制器,允許使用現存的體系結構使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發時間、風險和成本。該器件是開發成本低且高效的USB外圍設備的一種有效途徑。PDIUSBD12完全符合USB1.1規范,也能適應大多數設備類規范的設計,如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設備等。因此,PDIUSBD12非常適合做很多外圍設備,如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器(Zip驅動器)和數碼相機等?，F在很多用SCSI實現的很多設備如果用USB來實現可以直接降低成本。

　　PDIUSBD12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統實現時節省成本,同時在外圍設備上很容易實現更高級的USB功能。

3 PDIUSBD12固件程序的編寫

　　USB設備啟動流程如下:

　　(1)USB設備接入USB口,發出連接USB命令;

　　(2)主機發出讀設備描述符" title="描述符">描述符兩次;

　　(3)主機根據設備描述符——廠商ID、產品ID,啟動相應設備驅動程序;

　　(4)設備驅動程序初始化USB設備;

????①讀設備描述符;

　?、谧x配置描述符;

　?、圻x擇接口、端點(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初始化單片機和所有的外圍電路(包括PDIUSBD12);②主循環部分,其任務是可以中斷的;③中斷服務程序,其任務是對時 間敏感的,必須馬上執行。根據USB協議,任何傳輸都是由主機(Host)開始的,單片機作它的前臺工作,等待中斷。主機首先要發令牌" title="令牌">令牌包給USB設備(這里是PDIUSBD12),PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機發中斷。單片機進入中斷服務程序,首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器,判斷USB令牌包的類型,然后執行相應的操作。在USB單片機程序中,要完成對各種令牌包的響應,其中比較難處理的是SETUP包,主要是端口0的編程。

　　單片機與PDIUSBD12的通信主要是靠單片機給PDIUSBD12發命令和數據來實現的。PDIUSBD12的命令字分為三種:初始化命令字、數據流命令字和通用命令字。PDIUSBD12數據手冊給出了各種命令的代碼和地址。單片機先給PDIUSBD12的命令地址發命令,根據不同命令的要求再發送或讀出不同的數據。因此,可以將每種命令做成函數,用函數實現各個命令,以后直接調用函數即可。

　　下面的程序是處理主機的標準控制請求的一個模板:

　　unsigned char ENDPOINT_A0_FIFO[8];

????//判斷輸入的是SETUP請求，并將其讀入緩沖區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設備在正常使用以前,必須由主機配置設備。主機一般會從USB設備獲取配置信息后再確定此設備有哪些功能。

作為配置操作的一部分,主機會設置設備的配置值,如果必要的話會選擇合適的接口備選設置。其初始化函數為:

　　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

????????????? 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

???????????? 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

?????? ist = D12_DATA；

?????? read_out()；

　　}

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

?????? {???? XmtBuff.in? = 3；

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

?????? ??? ist = D12_DATA；

??? 　　　 XmtBuff.b[0] = 5；

??? 　　?? XmtBuff.wrLength = 1；

??? 　　?? XmtBuff.p = XmtBuff.b；

??? 　　?? USB_submit()；

?????? }

　　……

　　在發出連接USB命令后,主機先讀取設備描述符,然后發出設置USB地址SETUP包,設置USB地址后,進行主機客戶驅動與設備初始化。其余端點(ENDPOINT)依此類推。

　　在其頭文件里需定義USB規范中的各種描述符格式,包括設備描述表、配置描述表、接口描述表、端點描述表、字符串描述表以及描述表類型。這樣,在發送配置[,接口(1)，端點(1)，接口(2)，端點(2)，...，類，廠商等]聯合描述表時,主機USBD可以根據描述表類型標識區分各種分描述表。

　　下面是固件程序的主循環部分:

　　#include

　　//指向外部D12訪問地址

　　#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；//設置模式0

??? 　　D12_DATA = 0x03；//初始化頻率 12MHz

??? 　　D12_COMMAND = 0xd0；

??? 　　D12_DATA = 0x80；//設置地址 0 使能

??? 　　D12_COMMAND = 0xf3；//連接主機

??? 　　D12_DATA = 0x16；

??? 　　while(1)

??? 　　{? if(!D12_int_n)

??????? 　　{??

??????????????????? D12_int()；

??????? 　　}

??? 　　}

　　}

　　在編寫USB的固件程序時,需要注意:

　?、賳纹瑱C的中斷應設置為電平觸發;中斷后一定要讀上次傳輸狀態寄存器(命令40~45H)，以清除中斷寄存器中的中斷標志。這樣,PDIUSBD12的中斷輸出才能變回高電平,這一點非常重要。

　　②在接收到Setup包后,一定要調用D8命令重新使能端口0。

　?、墼谙騃N端點寫完數據后,一定調用命令FAH,指明緩沖區中的數據有效,可以發送到主機。

　?、茏x完數據后,一定調用命令F2H,以保證可以接收新的包。

　?、菘梢酝ㄟ^調用命令FDH,檢查PDIUSBD12是否工作。該命令要讀兩個字節數據。

　　固件程序的編寫是整個USB外設開發中非常重要的一環,它直接影響到設計開發的產品的數據傳輸速度。例如,采用不同的傳輸類型、設置不同的分組大小、是否采用DMA方式、傳輸緩沖區的大小等都會使得傳輸速度發生很大的變化。還有在高速情況下的超時處理等,也包含了很多的內容。

　　總之,在USB技術應用越來越廣泛的今天,只有掌握了固件程序的編寫,才可能開發出一個好的USB產品。

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參考文獻

1 張念淮,江浩. USB總線接口開發指南.北京:國防工業出版社,2001

2 Jan Axelson.USB大全.北京:中國電力出版社,2001

3 Chris Cant.Windows WDM設備驅動程序開發指南.北京:機械工業出版所,2000

4 Universal Serial Bus Specification Revision 1.1，1998.9