采用PDIUSBD12的USB系统固件程序设计

摘要：在设计USB系统的过程中，固件程序的编写是非常重要的一个环节，它直接影响到开发产品的数据传输速度。以Phillips公司的USB控制芯片PDIUSBD12为例，介绍了在设计开发USB外设中。固件的作用以及固件程序的编写流程，并给出了相应程序。
    关键词：USB固件程序PDIUSBD12端点单片机
    USB（UniversalSerialBus）即通用串行总线，是现在非常流行的一种快速、双向、廉价、可以进行热插拨的接口，在现在的每一台PC机上都可以找到一对USB接口。在遵循USB1.1规范的基础上，USB接口最高传输速度可达12Mb/ｓ：而在最新的USB2.0规范下,更可以达到480Mｂ／ｓ.同时它可以连接127个USB设备,而且连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器(Hub)把多个设备连接在一起,再同PC机的USB接口相连.此外,它还可以从系统中直接汲取电流,无需单独的供电系统.USB的这些特点使它获得了广泛的应用.但是使用上的方便则意味着开发上的复杂,主要是编程的复杂性大大的增加了.
    在设计开发一个USB外设的时候,开发者主要需要编写三部分的程序:①固件程序;②USB驱动程序;③客户应用程序.本文主要阐述固件程序的编写.
    1固件要完成的主要工作
    固件是FIREWARE的对应中文词,它实际上是单片机的程序文件,其编写语言可以采用C语言或是汇编语言.它的操作方式与硬件联系紧密,包括USB设备的连接USB协议、中断处理等，它不是单纯的软件，而是软件和硬件的结合，开发者需要对端口、中断和硬件结构非常熟悉。固件程序一般放入MCU中，当把设备连接到主机上（USB连接线插入插孔）时，上位机可以发现新设备，然后建立连接。因此。编写固件程序的一个最主要的目的就时让Windows可以检测和识别设备。
    2PDIUSBD12芯片特点
    PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件，通常用于基于微控制器的系统，并通过高速通用并行接口与微控制器进行通信，而且支持本地DMA传输。该器件采用模块化的方法实现一个USB接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存的体系结构使固件投资减到最校这种灵活性减少了开发时间、风险和成本。该器件使开发成本低且高效的USB外围设备的一种有效途径。PDIUSDB12完全符合USB1.1规范，也能适应大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等。因此，PDIUSBD12非常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器（Zip驱动器）和数码相机等。现在很多用SCSI实现的很多设备如果用USB来实现可以直接降低成本。
    PDIUSBD12还集成了SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上很容易实现更高级的USB功能。
    3PDIUSBD12固件程序的编写
    USB设备启动流程如下：
    （1）USB设备接入USB口，发出连接USB命令；
    （2）主机发出读设备描述符两次；
    （3）主机根据设备描述符——厂商ID、产品ID，启动相应设备驱动程序；
    （4）设备驱动程序初始化USB设备；
    ①读设备描述符；
    ②读配置描述符；
    ③选择接口、端点（管道），确定传输方式。
    图1PDIUSBD12测试电路连接图
    图1是PDIUSBD12的电路连接图。
    USB固件程序程序由三部分组成：①初始化单片机和所有的外围电路（包括PDIUSBD12）；②主循环部分，其任务是可以中断的；③中断服务程序，其任务是对时间敏感的，必须马上执行。根据USB协议，任何传输都是由主机（Host）开始的。单片机作它的前台工作，等待中断。主机首先要发令牌包给USB设备（这里是PDIUSBD12），PDIUSBD12接收到令牌包后就给单片机发中断。单片机进入中断服务程序，首先读PDIUSBD12的中断寄存器，判断USB令牌包的类型，然后执行相应的操作。在USB单片机程序中，要完成对各种令牌包的响应，其中比较难处理的是SETUP包，主要是端口0的编程。
    单片机与PDIUSBD12的通信主要是靠单片机给PDIUSBD12发命令和数据来实现的。PDIUSBD12的命令字分为三种：初始化命令字、数据流命令字和通用命令字。PDIUSBD12数据手册给出了各种命令的代码和地址。单片机先给PDIUSBD12的命令地址发命令，根据不同命令的要求再发送或读出不同的数据。因此，可以将每种命令做成函数，用函数实现各个命令，以后直接调用函数即可。
    下面的程序是处理主机的标准控制请求的一个模板：
    unsignedcharENDPOINT_A0_FIFO[8]；
    //判断输入的是SETUP请求，并将其读入缓冲区ENDPOINT_A0_FIFO
    …
    if((ENDPOINT_A0_FIFO[0]&0b011000000)==0x00)
    {
    if(ENDPOINT_A0_FIFO[1]<=0C)
    {
    (*StandardFunctionTable[ENDPOINT_A0_FIFO[1]])();
    return;
    }
    }
    …
    constvoid(*StandardFunctionTable[])(void)=
    {
    GetSatus,ClearFeature,USB_Reserved,SetFeature,
    USB_Reserved,SetAddress,GetDescriptor,SetDescriptor,
    GetConfiguration,SetConfiguration,GetInterface,
    SetInterface,SynchFrame
    }；
    USB设备在正常使用以前，必须由主机配置设备。主机一般会从USB设备获取配置信息后再确定此设备有哪些功能。
    作为配置操作的一部分，主机会设备设备的配置值，如果必要的话会选择合适的接口备选设备。其初始化函数为：
    voidD12_int()
    {XmtBuff.pNum=16；
    D12_COMMAND=0xf4；//读中断寄存器
    ist=D12_DATA;
    ist=D12_DATA;
    if(ist&0x01)//ENDP0_OUT
    {XmtBuff.out=0;
    XmtBuff.in=1;
    D12_COMMAND=0x40;//读OUT最后状态
    ist=D12_DATA;
    if(ist&0x20)//收到SETUP包
    {Setup_read();
    Setup_control();
    }
    else
    {Setup_read();
    }
    }
    elseif(ist&0x02)//ENDP0_IN
    {XmtBuff.in=1;
    D12_COMMAND=0x41;//读in最后状态
    ist=D12_DATA;
    USB_submit()；
    }
    elseif(ist&0x04)//ENDP1_OUT
    {XmtBuff.out=2;
    XmtBuff.in=3;
    D12_COMMAND=0x42;//读out最后状态
    ist=D12_DATA;
    read_out()；
    }
    elseif(ist&0x08)//ENDP1_IN
    {XmtBuff.in=3;
    D12_COMMAND=0x43;//读in最后状态
    ist=D12_DATA;
    XmtBuff.b[0]=5;
    XmtBuff.wrLength=1;
    XmtBuff.p=XmtBuff.b;
    USB_submit()；
    }
    ……
    在发出连接USB命令后，主机先读取设备描述符，然后发出设置USB地址SETUP包，设置USB地址后，进行主机客户驱动与设备初始化。其余端点（ENDPOINT）依此类推。
    在其头文件里需定义USB规范中的各种描述符格式，包括设备描述表、配置描述表、接口描述表、端点描述表、字符串描述表以及描述表类型。这样，在发送配置[,接口（1），端点（1），接口（2），端点（2），…，类，厂商等]联合描述表时，主机USBD可以根据描述类型标识区分各种分描述表。
    下面是固件程序的主循环部分：
    ＃i nclude
    //指向外部D12访问地址
    #defineD12_COMMAND(*（unsignedcharxdata*）0xff01)
    #defineD12_DATA(*(unsignedcharxdata*)0x7f02)
    externvoidD12_int();
    ***itD12_suspend=P1^0;
    ***itD12_int_n=P1^1;
    ***itD12_eot_n=P1^2;
    ***itD12_DMAck_n=P1^3;
    ***itD12_DMAreq=P1^4;
    voidmain(void)
    {
    unsignedcharist;
    P1=0xff;
    D12_COMMAND=0xf3;
    D12_DATA=0x06;//设置模式0
    D12_DATA=0x03；//初始化频率12MHz
    D12_COMMAND=0xd0；
    D12_DATA=0x80;//设置地址0使能
    D12_COMMAND=0xf3;//连接主机
    D12_DATA=0x16；
    while(1)
    {if(!D12_int_n)
    {
    D12_int();
    }
    }
    }
    在编写USB的固件程序时，需要注意：
    ①单片机的中断应设置为电平触发；中断后一定要读上次传输状态寄存器（命令40～45H），以清除中断寄存器中的中断标志。这样，PDIUSBD12的中断输出才能变回高电平，这一点非常重要。
    ②在接收到Setup包后，一定要调用D8命令重新使能端口0。
    ③在向IN端写完数据后，一定调用命令FAH，指明缓冲区中的数据有效，可以发送到主机。
    ④读写数据后，一定调用命令F2H，以保证可以接收新的包。
    ⑤可以通过调用命令FDH，检查PDIUSBD12是否工作。该命令要读两个字节数据。
    固件程序的编程是整个USB外设开发中非常重要的一环，它直接影响到设计开发的产品的数据传输速度。例如，采用不同的传输类型、设置不同的分组大孝是否采用DMA方式、传输缓冲区的大小等都会使得传输速率发生很大的变化。还有在高速情况下的超时处理等，也包含了很多的内容。
    总之，在USB技术应用越来越广泛的今天，只有掌握了固件程序的编写，才可能开发出一个好的USB产品。

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