使用 PDIUSBD12的 USB 系統固件程序設計

estgdan

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 控制芯片 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

//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；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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