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使用 PDIUSBD12的 USB 系統(tǒng)固件程序設計
摘要：在設計 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)產品的數據傳輸速度。以 Phillips 公司的 USB 控制芯片 PDIUSBD12 為例，介紹了在設計開發(fā) 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(guī)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(guī)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(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用.但是使用上的方便則意味著開發(fā)上的復雜,主要是編程的復雜性大大的增加了.
在設計開發(fā)一個USB外設的時候,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(lián)系緊密,包括 USB 設備的連接 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合，開發(fā)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(fā)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(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(tǒng)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(fā)時間、風險和成本。該器件使開發(fā)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(guī)范，也能適應大多數設備類規(guī)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(tǒng)實現時節(jié)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(fā)出連接 USB 命令；
（2） 主機發(fā)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(huán)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(zhí)行。根據 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(zhí)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(fā)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(fā)命令，根據不同命令的要求再發(fā)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(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(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，主機先讀取設備描述符，然后發(fā)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(guī)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(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可以根據描述類型標識區(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;//設置模式 0
D12_DATA=0x03；//初始化頻率 12MHz
D12_COMMAND=0xd0；
{
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(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(qū)中的數據有效，可以發(fā)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(jié)數據。
固件程序的編程是整個 USB 外設開發(fā)中非常重要的一環(huán)，它直接影響到設計開發(fā)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(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(fā)出一個好的 USB 產品.
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(guī)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(guī)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(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用.但是使用上的方便則意味著開發(fā)上的復雜,主要是編程的復雜性大大的增加了.
在設計開發(fā)一個USB外設的時候,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(lián)系緊密,包括 USB 設備的連接 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合，開發(fā)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(fā)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(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(tǒng)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(fā)時間、風險和成本。該器件使開發(fā)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(guī)范，也能適應大多數設備類規(guī)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(tǒng)實現時節(jié)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(fā)出連接 USB 命令；
（2） 主機發(fā)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(huán)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(zhí)行。根據 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(zhí)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(fā)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(fā)命令，根據不同命令的要求再發(fā)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(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(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，主機先讀取設備描述符，然后發(fā)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(guī)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(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可以根據描述類型標識區(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;//設置模式 0
D12_DATA=0x03；//初始化頻率 12MHz
D12_COMMAND=0xd0；
{
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(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(qū)中的數據有效，可以發(fā)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(jié)數據。
固件程序的編程是整個 USB 外設開發(fā)中非常重要的一環(huán)，它直接影響到設計開發(fā)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(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(fā)出一個好的 USB 產品.
