基于USB接口設備的固件程序設計

一、 引言
USB是應用在PC領域中的新型接口技術，它由三部分組成：具有USB接口的PC系統(tǒng)，能夠支持USB的系統(tǒng)軟件和使用USB接口的設備。它的提出是基于采用通用連接技術，實現(xiàn)外設的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設范圍的目地。它的最顯著優(yōu)點是支持熱插拔，當用戶插入USB外設后，計算機能夠自動識別接入的外設，而不需要重新啟動系統(tǒng)。
二、USB設備硬件結構
為了提高系統(tǒng)的可擴展性，也便于選擇高性能的單片機，以實現(xiàn)更多的功能，我們使用較為廣泛的Philip公司的單純的接口芯片PDIUSBD12。下面介紹USB設備硬件的相關情況。
1. PDIUSBD12芯片的內(nèi)部結構
芯片內(nèi)部集成SIE、320B的FIFO緩存、收發(fā)器以及電壓調(diào)整電路和終結電阻器，提供2MB/s速率的并行接口，具有全自治本地DMA功能，芯片提供的多重中斷模式有利于批量和等時數(shù)據(jù)傳輸模式。芯片還提供了可編程時鐘、上電復位和低電壓復位電路。
2. PDIUSBD12芯片的控制字
D12的控制字分為初始化命令、數(shù)據(jù)流命令和通用命令三種基本類型。在USB 設備列舉過程中使用初始化命令，這些命令用來啟動設備、設置地址、端點和工作模式。數(shù)據(jù)流命令用于管理USB 和單片機之間的數(shù)據(jù)流。很多數(shù)據(jù)流是通過一個發(fā)給單片機的中斷請求開始的?？刂破魇褂脭?shù)據(jù)流命令來存取數(shù)據(jù)，確認在FIFO中的數(shù)據(jù)是否有效。通用命令主要在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用，包括恢復和讀取當前幀號。
3. PDIUSBD12 與單片機的連接
以PDIUSBD12和89C52單片機之間的連接如圖所示，ALE接到單片機的ALE上，使用地址總線復用方式。A0通過電阻接VCC。VCC接+5V，VOUT3.3通過電容接地，同時腳20RESET_N和腳18DMACK_N接高電平。GND接地。8根數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線。腳11CS_N端接至控制器或譯碼器的相應端， PDIUSBD12可以通過CS_N端，映射為控制器的任何地址。腳14中斷接至控制器的中斷線，并用電阻拉高。XTAL1和XTAL2接6MHZ晶振，EOT_N拉高，D-、D+分別接到USB 總線的D-、D+上。在實際產(chǎn)品中，腳21GL_N可接LED顯示設備狀態(tài)。

三、USB設備固件的設計
固件的設計要求非常熟悉USB設備的具體通信步驟以及單片機的指令系統(tǒng)。
1. 固件介紹
PDIUSBD12是一種高速并行總線的USB接口設備,支持本地DMA傳輸.固件設計的目標是使D12在USB上能達到最快的傳輸率。外圍設備如打印機等使用D12傳送大量的數(shù)據(jù)。這些設備中的CPU忙于處理許多任務象設備控制，數(shù)據(jù)和圖象處理。D12的固件設計成完全的中斷驅(qū)動模式。當CPU在處理前臺任務時，USB傳輸在后臺被處理。這保證了最好的傳輸率和較好的軟件結構，簡化了編程和調(diào)試。
在后臺中斷服務程序和前臺主程序之間的數(shù)據(jù)交換是通過標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(xiàn)的。例如， D12主要的大量輸出端點用一個圓形的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當D12從USB接收到數(shù)據(jù)封包，就向CPU產(chǎn)生一個中斷請求，CPU會馬上執(zhí)行中斷服務程序。在中斷服務程序內(nèi)部，固件把數(shù)據(jù)封包從D12的內(nèi)部緩沖區(qū)送到圓形緩沖區(qū)，然后清除PDIUSBD12的內(nèi)部緩沖區(qū)使它能接收下一個新的數(shù)據(jù)包。CPU能繼續(xù)執(zhí)行當前前臺的任務直到完成。然后它返回到主循環(huán)，檢查圓形緩沖區(qū)是否有新的數(shù)據(jù)，開始另外一個前臺任務。
使用這種結構，主函數(shù)不關心數(shù)據(jù)源是來自USB設備，串行口還是并行口。主函數(shù)只檢查圓形緩沖區(qū)是否有新數(shù)據(jù)需要處理。因此，主函數(shù)將目標定為數(shù)據(jù)處理，而中斷服務程序做的工作是以可能的最快速度傳送數(shù)據(jù)。類似地，控制端點在數(shù)據(jù)封包處理上使用了同樣的概念。中斷服務程序在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里接收和存儲控制傳輸內(nèi)容并設置相應的標志寄存器。主函數(shù)將發(fā)送請求到協(xié)議處理程序。一旦所有的標準設備，類，和用戶請求在協(xié)議處理程序處理了，中斷服務程序就能保持它的效率。
2. 固件結構和任務
1) 固件結構
固件由6部分組成,它們?nèi)缦? 主程序：發(fā)送USB設備請求,讀測試鍵,控制發(fā)光二極管,處理USB總線事務,等等、標準請求、用戶請求、中斷服務程序、PDIUSBD12命令接口、硬件層。下面依次簡略介紹：