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采用PDIUSBD12的USB系統(tǒng)固件程序設(shè)計
摘要：在設(shè)計USB系統(tǒng)的過程中，固件程序的編寫是非常重要的一個環(huán)節(jié)，它直接影響到開發(fā)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸速度。以Phillips公司的USB控制芯睡PDIUSBD12為例，介紹了在設(shè)計開發(fā)USB外設(shè)中。固件的作用以及固件程序的編寫流程，并給出了相應(yīng)程序。關(guān)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(xiàn)在非常流行的一種快速、雙向、廉價、可以進(jìn)行熱插撥的接口，在現(xiàn)在的每一臺PC機上都可以找到一對USB接口。在遵循USB1.1規(guī)范的基礎(chǔ)上，USB接口最高傳輸速度可達(dá)12Mb/ｓ：而在最新的USB2.0規(guī)范下,更可以達(dá)到480Mｂ／ｓ.同時它可以連接127個USB設(shè)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(shè)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(tǒng)中直接汲取電流,無需單獨的供電系統(tǒng).USB的這些特點使它獲得了廣泛的應(yīng)用.但是使用上的方便則意味著開發(fā)上的復(fù)雜,主要是編程的復(fù)雜性大大的增加了.
在設(shè)計開發(fā)一個USB外設(shè)的時候,開發(fā)者主要需要編寫三部分的程序: ①固件程序;②USB驅(qū)動程序;③客戶應(yīng)用程序.本文主要闡述固件程序的編寫.
1 固件要完成的主要工作
固件是FIREWARE的對應(yīng)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(lián)系緊密,包括USB設(shè)備的連接USB協(xié)議、中斷處理等，它不是單純的軟件，而是軟件和硬件的結(jié)合，開發(fā)者需要對端口、中斷和硬件結(jié)構(gòu)非常熟悉。固件程序一般放入MCU中，當(dāng)把設(shè)備連接到主機上（USB連接線插入插孔）時，上位機可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)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時讓W(xué)indows可以檢測和識別設(shè)備。
2 PDIUSBD12芯片特點
PDIUSBD12是一個性能優(yōu)化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統(tǒng)，并通過高速通用并行接口與微控制器進(jìn)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(xiàn)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(tǒng)微控制器，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發(fā)時間、風(fēng)險和成本。該器件使開發(fā)成本低且高效的USB外圍設(shè)備的一種有效途徑。PDIUSDB12完全符合USB1.1規(guī)范，也能適應(yīng)大多數(shù)設(shè)備類規(guī)范的設(shè)計，如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設(shè)備等。因此，PDIUSBD12非常適合做很多外圍設(shè)備，如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器（Zip驅(qū)動器）和數(shù)碼相機等�，F(xiàn)在很多用SCSI實現(xiàn)的很多設(shè)備如果用USB來實現(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)時節(jié)省成本，同時在外圍設(shè)備上很容易實現(xiàn)更高級的USB功能。
3 PDIUSBD12固件程序的編寫
USB設(shè)備啟動流程如下：
（1） USB設(shè)備接入USB口，發(fā)出連接USB命令；
（2） 主機發(fā)出讀設(shè)備描述符兩次；
（3） 主機根據(jù)設(shè)備描述符——廠商ID、產(chǎn)品ID，啟動相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動程序；
（4） 設(shè)備驅(qū)動程序初始化USB設(shè)備；
①讀設(shè)備描述符；
②讀配置描述符；
③選擇接口、端點（管道），確定傳輸方式。
圖1 PDIUSBD12測試電路連接圖
圖1是PDIUSBD12的電路連接圖。
USB固件程序程序由三部分組成：①初始化單片機和所有的外圍電路（包括PDIUSBD12）；②主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷的；③中斷服務(wù)程序，其任務(wù)是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。根據(jù)USB協(xié)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(fā)令牌包給USB設(shè)備（這里是PDIUSBD12），PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機發(fā)中斷。單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作。在USB單片機程序中，要完成對各種令牌包的響應(yīng)，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(fā)命令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字。PDIUSBD12數(shù)據(jù)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(fā)命令，根據(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù)。因此，可以將每種命令做成函數(shù)，用函數(shù)實現(xiàn)各個命令，以后直接調(diào)用函數(shù)即可。
下面的程序是處理主機的標(biāo)準(zhǔn)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(qū)ENDPOINT_A0_FIFO
…
if((ENDPOINT_A0_FIFO[0] & 0b011000000)==0x00)
{
if(ENDPOINT_A0_FIFO[1]<=0C)
{
(*StandardFunctionTable[ENDPOINT_A0_FIFO[1]])();
return;
}
}
…
const void (*StandardFunctionTable[])(void)=
{
GetSatus,ClearFeature,USB_Reserved,SetFeature,
USB_Reserved,SetAddress,GetDescriptor,SetDescriptor,
GetConfiguration,SetConfiguration,GetInterface,
SetInterface,SynchFrame
}；
USB設(shè)備在正常使用以前，必須由主機配置設(shè)備。主機一般會從USB設(shè)備獲取配置信息后再確定此設(shè)備有哪些功能。
作為配置操作的一部分，主機會設(shè)備設(shè)備的配置值，如果必要的話會選擇合適的接口備選設(shè)備。其初始化函數(shù)為：
void D12_int()
{ XmtBuff.pNum=16；
D12_COMMAND=0xf4；//讀中斷寄存器
ist=D12_DATA;
ist=D12_DATA;
if(ist & 0x01) //ENDP0_OUT
{XmtBuff.out=0;
XmtBuff.in=1;
D12_COMMAND=0x40; //讀OUT最后狀態(tài)
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(tài)
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(tài)
ist=D12_DATA;
read_out()；
}
else if(ist & 0x08)//ENDP1_IN
{ XmtBuff.in=3;
D12_COMMAND=0x43;//讀in最后狀態(tài)
ist=D12_DATA;
XmtBuff.b[0]=5;
XmtBuff.wrLength=1;
XmtBuff.p=XmtBuff.b;
USB_submit()；
}
……
在發(fā)出連接USB命令后，主機先讀取設(shè)備描述符，然后發(fā)出設(shè)置USB地址SETUP包，設(shè)置USB地址后，進(jìn)行主機客戶驅(qū)動與設(shè)備初始化。其余端點（ENDPOINT）依此類推。
在其頭文件里需定義USB規(guī)范中的各種描述符格式，包括設(shè)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(fā)送配置[,接口（1），端點（1），接口（2），端點（2），…，類，廠商等]聯(lián)合描述表時，主機USBD可以根據(jù)描述類型標(biāo)識區(qū)分各種分描述表。
下面是固件程序的主循環(huán)部分：
#include<reg51.h>
//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(shè)置模式0
D12_DATA=0x03；//初始化頻率12MHz
D12_COMMAND=0xd0；
D12_DATA=0x80;//設(shè)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：
①單片機的中斷應(yīng)設(shè)置為電平觸發(fā)；中斷后一定要讀上次傳輸狀態(tài)寄存器（命令40～45H），以清除中斷寄存器中的中斷標(biāo)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(diào)用D8命令重新使能端口0。
③在向IN端寫完數(shù)據(jù)后，一定調(diào)用命令FAH，指明緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)有效，可以發(fā)送到主機。
④讀寫數(shù)據(jù)后，一定調(diào)用命令F2H，以保證可以接收新的包。
⑤可以通過調(diào)用命令FDH，檢查PDIUSBD12是否工作。該命令要讀兩個字節(jié)數(shù)據(jù)。
固件程序的編程是整個USB外設(shè)開發(fā)中非常重要的一環(huán)，它直接影響到設(shè)計開發(fā)的產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸速度。例如，采用不同的傳輸類型、設(shè)置不同的分組大小、是否采用DMA方式、傳輸緩沖區(qū)的大小等都會使得傳輸速率發(fā)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(nèi)容。
總之，在USB技術(shù)應(yīng)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(fā)出一個好的USB產(chǎn)品。
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