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采用PDIUSBD12的USB系統固件程序設計
摘要：在設計USB系統的過程中，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控制芯睡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快速、雙向、廉價、可以進行熱插撥的接口，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接口最高傳輸速度可達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的增加了.
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的程序: 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 固件要完成的主要工作
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時讓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。該器件使開發成本低且高效的USB外圍設備的一種有效途徑。PDIUSDB12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。現在很多用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；
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] & 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，主機會設備設備的配置值，如果必要的話會選擇合適的接口備選設備。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;
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<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：
①單片機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。
③在向IN端寫完數據后，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。
④讀寫數據后，一定調用命令F2H，以保證可以接收新的包。
⑤可以通過調用命令FDH，檢查PDIUSBD12是否工作。該命令要讀兩個字節數據。
固件程序的編程是整個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率發生很大的變化。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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