USB固件程序開發(fā)的實現(xiàn)

前言

隨著計算機(jī)技術(shù)的更新?lián)Q代，USB接口已經(jīng)成為個人計算機(jī)上最重要的外部設(shè)備擴(kuò)展接口，在進(jìn)行USB外設(shè)開發(fā)的過程中需要編寫其固件程序。在此對USB接口固件程序進(jìn)行了開發(fā)，在Keil C51軟件環(huán)境中，采用C語言開發(fā)。介紹了固件程序的主要功能，給出了固件程序的流程、結(jié)構(gòu)和端點配置，并給出了重點地方的具體程序。該固件編寫采用分層結(jié)構(gòu)簡潔且易于修改和測試，既增加了代碼的可讀性，又增加了程序的通用性和移植性。

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3部分的程序：固件程序、USB驅(qū)動程序和客戶端應(yīng)用程序。當(dāng)把設(shè)備連接到主機(jī)上(USB連接線插入插孔)時，上位機(jī)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是讓W(xué)indows可以檢測和識別設(shè)備。固件程序可以在Keil C51軟件環(huán)境中，用C語言開發(fā)。Keil C51是美國KeilSOFtware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，KeilC51軟件提供了大量的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，使用的是全Windows界面，具有方便實用的特點。另外，Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。因此，本文考慮采用此方法開發(fā)PDIUSBD12芯片的USB固件程序。

1 固件程序主要完成的工作

固件設(shè)計的目標(biāo)就是完成主機(jī)與設(shè)備之間的命令與數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換，使PDIUSBD12在USB上達(dá)到最大的傳輸速率。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。在系統(tǒng)中，當(dāng)PDIUSBD12從USB接收到一個數(shù)據(jù)包，就對CPU產(chǎn)生一個中斷請求，CPU立即響應(yīng)中斷。在ISR(中斷服務(wù)程序)中，固件讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)值保存到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，隨后置相應(yīng)事件的標(biāo)志位，CPU繼續(xù)前臺程序，檢測事件標(biāo)志，執(zhí)行完成相應(yīng)的事件任務(wù)。

USB單片機(jī)固件程序通常由3部分組成：初始化單片機(jī)和所有的外圍電路(包括PDIUSBD12)；主循環(huán)部分：這部分是可中斷的；中斷服務(wù)程序，可以中斷執(zhí)行。根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機(jī)開始的，這樣單片機(jī)作它的前臺工作，等待中斷。主機(jī)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(jī)發(fā)中斷，單片機(jī)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，因此，USB單片機(jī)程序主要就是中斷服務(wù)程序的編寫，在USB單片機(jī)程序中要完成對各種令牌包的響應(yīng)。

單片機(jī)與PDIUSBD12的通信主要是靠單片機(jī)給PDIUSBD12發(fā)命令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。PDIUSBD12的命令字分為3種：初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字。PDIUSBD12給出了各種命令的代碼和地址，單片機(jī)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。

2 固件程序的流程及結(jié)構(gòu)

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(jī)發(fā)出讀設(shè)備描述符2次；

(3)主機(jī)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。

在編寫USB的單片機(jī)固件程序時，單片機(jī)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40H～45H)，以清除中斷寄存器中的中斷標(biāo)志，這樣PDIUSBD12的中斷輸出變回為高電平。

PDIUSBD12固件編寫采用分層結(jié)構(gòu)簡潔且易于修改和測試，既增加了代碼的可讀性，又增加了程序的通用性。PDIUSBD12固件的開發(fā)一般都是在周立功單片機(jī)公司提供的固件源碼的基礎(chǔ)上做相應(yīng)的修改。由于該固件采用分層分模塊的結(jié)構(gòu)，在做移植的時候只要修改部分代碼就可以運(yùn)行于特定的平臺，比較方便。

固件程序采取如圖1的積木式結(jié)構(gòu)。

2．1 硬件提取層

epphal．c文件是固件中的最底層代碼，由于在具體應(yīng)用時所提供的硬件平臺都是不同的，因此該文件必須進(jìn)行修改以適應(yīng)當(dāng)前應(yīng)用。該文件里主要包含了讀寫PDIUSBD12寄存器的函數(shù)，PDIUSBD12芯片各控制線與單片機(jī)I／O口的連接等。

讀寫PDIUSBD12主要有2種方式：多路復(fù)用地址／數(shù)據(jù)總線方式和A0地址位方式。不同的方式其電路連接完全不同，因此其讀寫函數(shù)也完全不同。本處采用多路復(fù)用地址／數(shù)據(jù)總線方式，即用地址／數(shù)據(jù)總線的最低位標(biāo)識總線上是數(shù)據(jù)還是命令，1代表命令，0則代表數(shù)據(jù)。

2．2 D12命令接口

d12ci．c文件中定義了一套訪問D12功能的命令接口。

D12的命令包括：4個初始化命令、24個數(shù)據(jù)流命令和2個普通命令。該文件包含了單片機(jī)對上述命令的實現(xiàn)函數(shù)，基本無須修改。

2．3 中斷服務(wù)程序

isr．c部分的代碼主要處理PDIUSBD12產(chǎn)生的中斷請求。

硬件設(shè)計中，將PDIUSBD12中斷一般連到單片機(jī)的外部中斷0或者1中。由于只有一個中斷源，如果要知道是什么中斷，就需要讀取PDIU SBD12中的中斷寄存器的值進(jìn)行判斷。該文件包含了需要處理的各個中斷的處理函數(shù)。其中許多處理函數(shù)僅僅是將相應(yīng)標(biāo)志位置1，用來在主函數(shù)中處理各類事務(wù)。在各個輸入／輸出端點引發(fā)的中斷處理函數(shù)中，分別進(jìn)行了讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)等動作。其中，控制輸入端點的中斷處理函數(shù)還將相應(yīng)控制位置1，以用來在主函數(shù)中觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求和廠商請求。

2．4 主循環(huán)

主函數(shù)文件mainloop．c是一個大循環(huán)。在該文件中要執(zhí)行各個初始化函數(shù)，發(fā)送USB請求和處理USB總線事件等。設(shè)備的各項功能需要在該文件中添加。

首先，初始化I／O口；然后初始化定時器2，設(shè)置中斷，設(shè)置DMA(設(shè)備未用到DMA方式，置為00)等，通過連接指令指示D12完成軟連接(SOFtConnect)后，電腦就會檢測到新設(shè)備。

在進(jìn)入主循環(huán)后，需要用51的定時器2每隔1 ms檢測一次電鍵的電平高低，并且將此信號通過USB接口發(fā)送出去，同時將P1．2口取反，以產(chǎn)生500Hz的方波信號作為電鍵音。

2．5 協(xié)議層

chap_9．c：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求文件。該文件包含了所有設(shè)備相關(guān)的描述符，以及各個USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)請求的實現(xiàn)函數(shù)。一個USB設(shè)備的各個特性都包含在了其所有的描述符內(nèi)，而各個設(shè)備都有各自的特點，因此每個設(shè)備的描述符都要進(jìn)行相應(yīng)修改。其中，設(shè)備描述符里的idVendor與idProduct是聯(lián)系PC端驅(qū)動的標(biāo)志，必須與驅(qū)動一致。而各類標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求是每個標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備都要能夠響應(yīng)的，因此也就無須修改了。

protodma．c：該文件用來描述廠商請求。如果USB設(shè)備需要響應(yīng)廠商請求，那么就要編寫該廠商請求的實現(xiàn)函數(shù)。由于終端操作平臺無須定義特殊的廠商請求，因此該文件不用修改。

3 端點配置

在D12芯片內(nèi)存在三套輸入／輸出端點，根據(jù)配置不同可完成不同的工作，終端操作平臺中的固件中是按照表1配置的。

根據(jù)端點的配置和各端點的特點，設(shè)置端點1為控制命令的傳輸端點，接收來自電腦的狀態(tài)控制指令，共兩個字節(jié)，如表2所示。

設(shè)置端點2為電鍵信號傳輸端口，手電鍵的按下或抬起通過00和01來標(biāo)識，傳輸間隔為1 ms。

4 固件程序

多路復(fù)用地址／數(shù)據(jù)總線方式的實現(xiàn)，通過地址線的最低位來分辨命令和數(shù)據(jù)：

主循環(huán)程序首先做初始化I／O口，設(shè)置中斷等準(zhǔn)備工作，然后進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)內(nèi)查詢事件標(biāo)志，并做出相應(yīng)處理。

5 結(jié)語

本文實現(xiàn)了USB固件程序的開發(fā)。該固件編寫采用分層結(jié)構(gòu)簡潔且易于修改和測試，既增加了代碼的可讀性，又增加了程序的通用性和移植性。