EZ-USB接口設(shè)備的軟配置技術(shù)

關(guān)鍵詞：EZ-USB 軟配置 固件裝載

引 言

　　EZ-USB是Cypress公司帶智能內(nèi)核的USB接口器件，集USB通信控制引擎和改進(jìn)的8051內(nèi)核于一體，具有全速度、全序列、易開(kāi)發(fā)及軟配置等特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)USB設(shè)備的首選器件。EZ-USB的串行接口引擎能自動(dòng)完成主要USB協(xié)議處理，簡(jiǎn)化了設(shè)備固件設(shè)計(jì)。但其軟配置與枚舉涉及到Windows編程、Windows PnP技術(shù)以及Windows DDK工具、INF文件和注冊(cè)表的使用等問(wèn)題，因此EZ-USB接口設(shè)備的軟配置方式和固件裝載技術(shù)是開(kāi)發(fā)EZ-USB接口設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 EZ-USB處理器

　　EZ-USB的串行接口引擎能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)收發(fā)控制、位填充、數(shù)據(jù)編碼、CRC校驗(yàn)、PID包解碼等USB協(xié)議處理。EZ-USB在連接時(shí)自動(dòng)進(jìn)行枚舉，建立默認(rèn)的EZ-USB設(shè)備。首次枚舉成功后，還可以通過(guò)軟配置由8051內(nèi)核重新枚舉建立用戶定制的設(shè)備。

　　內(nèi)置的8051處理器，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的8051處理器進(jìn)行了改進(jìn)。以AN2131QC為例，主要有以下改進(jìn)方面：

◇獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，總線周期為4個(gè)時(shí)鐘，平均運(yùn)行速度提高了近3倍；

◇雙數(shù)據(jù)指針和自動(dòng)指針提高了數(shù)據(jù)交換效率；

◇擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)支持13個(gè)中斷源，并支持自動(dòng)中斷向量；

◇1個(gè)I2C接口以及2個(gè)UART接口，24個(gè)可配置I/O端口；

◇可變周期的MOVX 指令可以適合高低速存儲(chǔ)器芯片的接口；

◇3個(gè)16位內(nèi)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器、256字節(jié)內(nèi)部寄存器RAM；

◇芯片內(nèi)部集成有8KB外部RAM，8051內(nèi)核要用MOVX指令訪問(wèn)此RAM區(qū)。

2 EZ-USB軟配置特性

2.1 軟配置特性

　　軟配置特性是EZ-USB最重要的特性。軟配置特性允許設(shè)備無(wú)限制的升級(jí)或再配置。EZ-USB片內(nèi)集成的外部RAM可用于裝載固件。當(dāng)設(shè)備與主機(jī)連接時(shí)，固件從主機(jī)裝載到這里執(zhí)行，而不是固化在ROM中。因此，裝載不同的固件設(shè)備就呈現(xiàn)出不同的特性，如設(shè)備配置、有效端點(diǎn)、工作方式、設(shè)備功能等都可以通過(guò)改變固件進(jìn)行再配置，達(dá)到軟配置目的，這就是EZ-USB的軟配置特性。

2.2 配置方式

　　軟配置可采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：自動(dòng)配置和命令配置。

　　自動(dòng)配置是指當(dāng)設(shè)備連接時(shí)，固件由專門(mén)的裝載驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)裝載到設(shè)備。這種方式下固件要捆綁在裝載驅(qū)動(dòng)程序之中，固件與裝載驅(qū)動(dòng)程序之間一一對(duì)應(yīng)，固件修改時(shí)要重新生成并重新安裝裝載驅(qū)動(dòng)程序，固件裝載后要重新枚舉，以建立定制的USB設(shè)備，如果不重新枚舉主機(jī)會(huì)找不到設(shè)備。

　　命令配置是指在應(yīng)用程序中通過(guò)命令操作將固件裝載到設(shè)備。這種方式不需要專用的裝載驅(qū)動(dòng)程序，可在任何時(shí)刻裝載任意固件。固件裝載后可以不用重枚舉操作，由EZ-USB內(nèi)核響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求，可以簡(jiǎn)化固件設(shè)計(jì)。采用命令配置方式時(shí)，在應(yīng)用程序中要編寫(xiě)固件裝載代碼。固件裝載代碼主要完成下列操作：

◇從Intel Hex格式文件中提取出有效的固件代碼；

◇向EZ-USB請(qǐng)求復(fù)位8051內(nèi)核；

◇向EZ-USB請(qǐng)求固件下載，固件下傳至EZ-USB的內(nèi)部RAM；

◇向EZ-USB請(qǐng)求8051內(nèi)核脫離復(fù)位狀態(tài)；

⑤ 對(duì)EZ-USB外設(shè)接口和交替功能進(jìn)行設(shè)置。

3 EZ-USB接口設(shè)備開(kāi)發(fā)方法

　　USB設(shè)備開(kāi)發(fā)的一般步驟和內(nèi)容如圖1所示。其中面向設(shè)備的固件主要包括設(shè)備描述符信息、設(shè)備功能代碼和通信控制功能代碼。設(shè)備描述信息描述USB設(shè)備的一般特性和配置，如設(shè)備類別、接口配置、VID和PID等。主機(jī)在設(shè)備枚舉時(shí)要獲取USB設(shè)備的描述符，從而獲得設(shè)備的配置信息和相關(guān)驅(qū)動(dòng)信息。用戶可以通過(guò)修改固件中的描述符來(lái)改變?cè)O(shè)備的特性。設(shè)備功能代碼由設(shè)備的功能需求決定。通信控制功能代碼執(zhí)行主機(jī)請(qǐng)求分析處理和數(shù)據(jù)交換處理功能。

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供用戶訪問(wèn)設(shè)備的接口。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供廠家的通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。用戶也可以用相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具自己定制。自己定制的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要求符合WDM驅(qū)動(dòng)程序規(guī)范。若采用自動(dòng)配置方式，EZ-USB開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供了裝載驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)模板，利用模板開(kāi)發(fā)較簡(jiǎn)單。采用命令配置方式則要用戶在應(yīng)用程序中編寫(xiě)固件裝載代碼。

　　驅(qū)動(dòng)程序一般通過(guò)INF文件來(lái)安裝，INF文件把設(shè)備的VID和PID綁定到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上，指定存放驅(qū)動(dòng)程序的路徑，提供有關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)和顯示信息。因此，Windows檢測(cè)到EZ-USB設(shè)備連接時(shí)，能根據(jù)注冊(cè)表自動(dòng)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序裝入系統(tǒng)環(huán)境。

4 設(shè)計(jì)舉例

　　作者利用AN2131QC開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用的EZ-USB接口模塊。此通用模塊的軟硬件資源全部開(kāi)放，并配置有測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序和固件示例。使用此通用模塊如同使用一片IC芯片，對(duì)設(shè)備的描述信息和INF文件稍作修改，并添加設(shè)備功能代碼，即可構(gòu)成一臺(tái)專用的EZ-USB接口設(shè)備。

4.1 固件設(shè)計(jì)

　　通用EZ-USB模塊的固件包括描述符表和USB通信測(cè)試程序。描述符表是一組符合USB規(guī)范及描述設(shè)備特性的結(jié)構(gòu)化信息，賦予其中變量不同的值，設(shè)備就呈現(xiàn)出不同的特性。在設(shè)備連接時(shí)，主機(jī)要請(qǐng)求設(shè)備提供描述符表，因此描述符表是固件的一部分。本通用模塊中定義了5種描述符表，表1所列是各描述符的主要參數(shù)。

表1 通用EZ-USB接口模塊描述符及主要參數(shù)

　　此通用模塊中的固件僅用于EZ-USB通信測(cè)試、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和固件裝載演示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固件設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)值得注意。

① 采用ezusb.sys通用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，主機(jī)要用查詢方式接收從設(shè)備來(lái)的數(shù)據(jù)。若主機(jī)接收不到設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間等待，甚至?xí)罊C(jī)。在本文的設(shè)計(jì)中，解決此問(wèn)題的方法是數(shù)據(jù)上傳和下傳操作成對(duì)發(fā)生。主機(jī)每次下傳一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，設(shè)備就上傳一個(gè)數(shù)據(jù)包。此時(shí)如果設(shè)備有數(shù)據(jù)上傳就將數(shù)據(jù)置入上傳數(shù)據(jù)包中，否則返回一個(gè)空包。

② 初始化時(shí)應(yīng)清空一次相應(yīng)的端點(diǎn)緩沖區(qū)，否則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)第一次傳輸出錯(cuò)的現(xiàn)象，原因可能是復(fù)位不充分或者內(nèi)部RAM掉電延時(shí)。在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備掉電相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，EZ-USB的RAM中數(shù)據(jù)仍然保持。

4.2 生成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

　　可以直接用廠家提供的通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。但通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只能執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請(qǐng)求和數(shù)據(jù)傳輸，而且只支持查詢方式與設(shè)備通信。如果不能滿足用戶需要，用戶可以在模板的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，重新用WDM DDK生成驅(qū)動(dòng)程序。通用模塊中采用了通用驅(qū)動(dòng)程序Ezusb.sys。采用查詢方式，并且使上傳和下傳對(duì)應(yīng)出現(xiàn)，實(shí)時(shí)性較好，能滿足一般設(shè)備要求。

4.3 生成裝載驅(qū)動(dòng)程序

　　采用自動(dòng)配置方式時(shí)，可根據(jù)EZ-USB開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供的模板生成固件裝載驅(qū)動(dòng)程序。

　　通用模塊中固件裝載采用命令配置方式。其操作流程如圖2所示，其中主要定義了以下4個(gè)函數(shù)以完成固件裝載。

　　Read_Intel_Hex() 從Intel格式的Hex文件中讀出固件代碼到緩沖區(qū)。

　　Hex_To_Bin() 移去Intel格式的Hex文件中格式描述部分，轉(zhuǎn)換為純固件代碼。

　　Download_Bin() EZ-USB8051內(nèi)核復(fù)位、固件裝載到設(shè)備、8051內(nèi)核解復(fù)位并運(yùn)行固件。裝載固件前要使EZ-USB8051內(nèi)核進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，然后裝載固件，裝載結(jié)束后使EZ-USB脫離復(fù)位狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行固件。三種操作共用一個(gè)函數(shù)，用傳遞不同的參數(shù)進(jìn)行區(qū)別。

　　Set_InterFaceAlt()設(shè)置EZ-USB接口號(hào)和交替功能值，建立通信管道。

4.4 安裝驅(qū)動(dòng)程序

　　驅(qū)動(dòng)程序必須正確裝入Windows環(huán)境之后，才能起作用。編輯INF文件，使首次枚舉設(shè)備的VID和PID綁定到固件裝載驅(qū)動(dòng)程序，使重枚舉后設(shè)備的VID和PID綁定到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序的路徑為 C:，設(shè)置顯示的驅(qū)動(dòng)程序字符串信息。重新啟動(dòng)系統(tǒng)，按提示信息完成安裝過(guò)程。

4.5 應(yīng)用程序與設(shè)備接口

　　通用EZ-USB模塊的測(cè)試程序提供兩種方式訪問(wèn)EZ-USB設(shè)備，一是直接通過(guò)I/O控制調(diào)用訪問(wèn)設(shè)備，用CreateFile()函數(shù)打開(kāi)設(shè)備，用DeviceIoControl()函數(shù)與設(shè)備進(jìn)行通信；二是將復(fù)雜的訪問(wèn)函數(shù)封裝為DLL，對(duì)用戶提供更簡(jiǎn)潔的方法訪問(wèn)外設(shè)。

結(jié) 語(yǔ)

　　利用通用EZ_USB接口模塊，開(kāi)發(fā)了智能聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)和精密數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)備，均獲得了成功。設(shè)備性能穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)周期短。