基于USB接口設(shè)備的固件程序設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC連接外設(shè)范圍的目地。它的最顯著優(yōu)點(diǎn)是支持熱插拔，當(dāng)用戶插入U(xiǎn)SB外設(shè)后，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別接入的外設(shè)，而不需要重新啟動(dòng)系統(tǒng)。
二、USB設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)
為了提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，也便于選擇高性能的單片機(jī)，以實(shí)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(shí)數(shù)據(jù)傳輸模式。芯片還提供了可編程時(shí)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(dòng)設(shè)備、設(shè)置地址、端點(diǎn)和工作模式。數(shù)據(jù)流命令用于管理USB 和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)流。很多數(shù)據(jù)流是通過一個(gè)發(fā)給單片機(jī)的中斷請(qǐng)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(hào)。
3. PDIUSBD12 與單片機(jī)的連接
以PDIUSBD12和89C52單片機(jī)之間的連接如圖所示，ALE接到單片機(jī)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(shí)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(shí)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(jì)
固件的設(shè)計(jì)要求非常熟悉USB設(shè)備的具體通信步驟以及單片機(jī)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(jì)的目標(biāo)是使D12在USB上能達(dá)到最快的傳輸率。外圍設(shè)備如打印機(jī)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(jì)成完全的中斷驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)CPU在處理前臺(tái)任務(wù)時(shí)，USB傳輸在后臺(tái)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(tái)中斷服務(wù)程序和前臺(tái)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(shí)現(xiàn)的。例如， D12主要的大量輸出端點(diǎn)用一個(gè)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(gè)中斷請(qǐng)求，CPU會(huì)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(gè)新的數(shù)據(jù)包。CPU能繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前前臺(tái)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(gè)前臺(tái)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(diǎn)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(chǔ)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(qǐng)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(qǐng)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? 主程序：發(fā)送USB設(shè)備請(qǐng)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(qǐng)求、用戶請(qǐng)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(tái)，這部分需要修改或增加內(nèi)容。
PDIUSBD12命令接口：為進(jìn)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(chǔ)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(jìn)一步的處理。它也包含人機(jī)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(qǐng)求，也處理具體的用戶請(qǐng)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(jìn)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(jì)算校驗(yàn)位，檢測并報(bào)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(qǐng)求，至少要響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的11種請(qǐng)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(diǎn)0、1外的所有端點(diǎn)；c.用Set Mode 命令斷開連接，延時(shí)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(jī)通過端點(diǎn)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(gè)USB 設(shè)備連接到主機(jī)上時(shí)，主機(jī)的USB總線驅(qū)動(dòng)、根集線器驅(qū)動(dòng)獲得設(shè)備連接的通知，開始列舉設(shè)備。在主機(jī)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(qǐng)求。在設(shè)備一端，則需要響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的請(qǐng)求。其順序如下：
a響應(yīng)獲取設(shè)備描述符的請(qǐng)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(qǐng)求，設(shè)備進(jìn)入編址態(tài)；c.連續(xù)三次響應(yīng)獲取設(shè)備描述符請(qǐng)求；d.響應(yīng)獲取配置描述符的的請(qǐng)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(shí)發(fā)送所有的接口描述符、端點(diǎn)描述符；
如果以上步驟都正確，則主機(jī)會(huì)提示找到新設(shè)備，安裝驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)
從上面的討論發(fā)現(xiàn)編寫USB設(shè)備的固件實(shí)質(zhì)上是處理各種主機(jī)提出的請(qǐng)求。其中，標(biāo)準(zhǔn)的11個(gè)請(qǐng)求是必須實(shí)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(qǐng)求。按照USB 2.0 中的定義，稱這些固件程序?yàn)閁SB設(shè)備的框架。下面介紹USB設(shè)備框架的實(shí)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(chǔ)器，定時(shí)器和中斷服務(wù)子程序。之后，MCU需要重新連接USB。這個(gè)程序很重要因?yàn)樗ＷC了在MCU未準(zhǔn)備好服務(wù)D12之前，D12不會(huì)動(dòng)作。
在主循環(huán)程序里面，MCU會(huì)詢問鍵盤上的任何動(dòng)作。如果任何一個(gè)具體的鍵被按下，處理鍵的命令就會(huì)執(zhí)行處理程序，之后返回主程序。這個(gè)程序僅是用來調(diào)試用。1ms定時(shí)是用來啟動(dòng)檢查被按下鍵的子程序。
當(dāng)詢問到達(dá)檢查Setup包時(shí)，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(qǐng)求到協(xié)議層進(jìn)行處理。下面的流程圖顯示了主程序在前臺(tái)執(zhí)行的情況。
4. 中斷服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)
PDIUSBD12固件是完全中斷驅(qū)動(dòng)的，因此中斷服務(wù)程序是整個(gè)固件編寫過程中非常重要的一環(huán)。在進(jìn)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”。