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使用 PDIUSBD12的 USB 系统固件程序设计
摘要：在设计 USB 系统的过程中，固件程序的编写是非常重要的一个环节，它直接影响到开发产品的数据传输速度。以 Phillips 公司的 USB 控制芯片 PDIUSBD12 为例，介绍了在设计开发 USB 外设中。固件的作用以及固件程序的编写流程，并给出了相应程序。
关键词：USB 固件程序 PDIUSBD12 端点 单片机
USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是现在非常流行的一种快速、双向、廉价、可以进行热插拨的接口，在现在的每一台 PC 机上都可以找到一对 USB 接口。在遵循 USB1.1 规范的基础上，USB接口最高传输速度可达 12Mb/ｓ：而在最新的 USB2.0 规范下,更可以达到 480Mｂ／ｓ.同时它可以连接127个USB设备,而且连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器(Hub)把多个设
备连接在一起,再同 PC 机的 USB 接口相连.此外,它还可以从系统中直接汲取电流,无需单独的供电系统.USB 的这些特点使它获得了广泛的应用.但是使用上的方便则意味着开发上的复杂,主要是编程的复杂性大大的增加了.
在设计开发一个USB外设的时候,开发者主要需要编写三部分的程序: ①固件程序;②USB驱动程序;③客户应用程序.本文主要阐述固件程序的编写.
1 固件要完成的主要工作
固件是 FIREWARE 的对应中文词,它实际上是单片机的程序文件,其编写语言可以采用 C 语言或是汇编语言.它的操作方式与硬件联系紧密,包括 USB 设备的连接 USB协议、中断处理等，它不是单纯的软件，而是软件和硬件的结合，开发者需要对端口、中断和硬件结构非常熟悉。固件程序一般放入 MCU 中，当把设备连接到主机上（USB 连接线插入插孔）时，上位机可以发现新设备，然后建立连接。因此。编写固件
程序的一个最主要的目的就时让 Windows 可以检测和识别设备。
2 PDIUSBD12芯片特点
PDIUSBD12 是一个性能优化的 USB 器件，通常用于基于微控制器的系统，并通过高速通用并行接口与微控制器进行通信，而且支持本地 DMA 传输。该器件采用模块化的方法实现一个 USB 接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存的体系结构使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本。该器件使开发成本低且高效的 USB 外围设备的一种有效途径。
PDIUSDB12 完全符合 USB1.1 规范，也能适应大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等。因此，PDIUSBD12非常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器（Zip 驱动器）和数码相机等。现在很多用 SCSI 实现的很多设备如果用 USB 来实现可以直接降低成本。
PDIUSBD12还集成了 SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上很容易实现更高级的 USB 功能。
3 PDIUSBD12固件程序的编写
USB 设备启动流程如下：
（1） USB设备接入 USB 口，发出连接 USB 命令；
（2） 主机发出读设备描述符两次；
（3） 主机根据设备描述符——厂商 ID、产品ID，启动相应设备驱动程序；
（4） 设备驱动程序初始化 USB 设备；
①读设备描述符；
②读配置描述符；
③选择接口、端点（管道），确定传输方式。
图 1 PDIUSBD12测试电路连接图
图 1是PDIUSBD12的电路连接图。
USB 固件程序程序由三部分组成：①初始化单片机和所有的外围电路（包括 PDIUSBD12）；②主循环部分，其任务是可以中断的；③中断服务程序，其任务是对时间敏感的，必须马上执行。根据 USB 协议，任何传输都是由主机（Host）开始的。单片机作它的前台工作，等待中断。主机首先要发令牌包给 USB设备（这里是 PDIUSBD12），PDIUSBD12 接收到令牌包后就给单片机发中断。单片机进入中断服务程
序，首先读 PDIUSBD12 的中断寄存器，判断 USB 令牌包的类型，然后执行相应的操作。在 USB 单片机程序中，要完成对各种令牌包的响应，其中比较难处理的是 SETUP包，主要是端口 0的编程。
单片机与 PDIUSBD12的通信主要是靠单片机给 PDIUSBD12发命令和数据来实现的。PDIUSBD12的命令字分为三种：初始化命令字、数据流命令字和通用命令字。PDIUSBD12数据手册给出了各种命令的代码和地址。单片机先给 PDIUSBD12 的命令地址发命令，根据不同命令的要求再发送或读出不同的数据。因此，可以将每种命令做成函数，用函数实现各个命令，以后直接调用函数即可。
下面的程序是处理主机的标准控制请求的一个模板：
unsigned char ENDPOINT_A0_FIFO[8]；
//判断输入的是 SETUP请求，并将其读入缓冲区 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 设备在正常使用以前，必须由主机配置设备。主机一般会从 USB设备获取配置信息后再确定此设备有哪些功能。
作为配置操作的一部分，主机会设备设备的配置值，如果必要的话会选择合适的接口备选设备。其初始化函数为：
void D12_int()
{ XmtBuff.pNum=16；
D12_COMMAND=0xf4；//读中断寄存器
ist=D12_DATA;
ist=D12_DATA;
if(ist & 0x01) //ENDP0_OUT
{XmtBuff.out=0;
XmtBuff.in=1;
D12_COMMAND=0x40; //读 OUT 最后状态
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;//读 in 最后状态
ist=D12_DATA;
USB_submit()；
}
else if(ist & 0x04)//ENDP1_OUT
{ XmtBuff.out=2;
XmtBuff.in=3;
D12_COMMAND=0x42;//读 out 最后状态
ist=D12_DATA;
read_out()；
}
else if(ist & 0x08)//ENDP1_IN
{ XmtBuff.in=3;
D12_COMMAND=0x43;//读 in 最后状态
ist=D12_DATA;
XmtBuff.b[0]=5;
XmtBuff.wrLength=1;
XmtBuff.p=XmtBuff.b;
USB_submit()；
}
……
在发出连接 USB 命令后，主机先读取设备描述符，然后发出设置 USB 地址 SETUP 包，设置 USB 地址后，进行主机客户驱动与设备初始化。其余端点（ENDPOINT）依此类推。
在其头文件里需定义 USB 规范中的各种描述符格式，包括设备描述表、配置描述表、接口描述表、端点描述表、字符串描述表以及描述表类型。这样，在发送配置[,接口（1），端点（1），接口（2），端点（2），…，类，厂商等]联合描述表时，主机 USBD可以根据描述类型标识区分各种分描述表。
下面是固件程序的主循环部分：
#include<reg51.h>
//指向外部 D12访问地址
#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;//设置模式 0
D12_DATA=0x03；//初始化频率 12MHz
D12_COMMAND=0xd0；
{
D12_int();
}
}
}
在编写 USB的固件程序时，需要注意：
①单片机的中断应设置为电平触发；中断后一定要读上次传输状态寄存器（命令 40～45H），以清除中断寄存器中的中断标志。这样，PDIUSBD12的中断输出才能变回高电平，这一点非常重要。
②在接收到 Setup 包后，一定要调用 D8命令重新使能端口 0。
③在向 IN 端写完数据后，一定调用命令 FAH，指明缓冲区中的数据有效，可以发送到主机。
④读写数据后，一定调用命令 F2H，以保证可以接收新的包。
⑤可以通过调用命令 FDH，检查 PDIUSBD12是否工作。该命令要读两个字节数据。
固件程序的编程是整个 USB 外设开发中非常重要的一环，它直接影响到设计开发的产品的数据传输速度。例如，采用不同的传输类型、设置不同的分组大小、是否采用 DMA 方式、传输缓冲区的大小等都会使得传输速率发生很大的变化。还有在高速情况下的超时处理等，也包含了很多的内容。
总之，在 USB 技术应用越来越广泛的今天，只有掌握了固件程序的编写，才可能开发出一个好的 USB 产品.
关键词：USB 固件程序 PDIUSBD12 端点 单片机
USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是现在非常流行的一种快速、双向、廉价、可以进行热插拨的接口，在现在的每一台 PC 机上都可以找到一对 USB 接口。在遵循 USB1.1 规范的基础上，USB接口最高传输速度可达 12Mb/ｓ：而在最新的 USB2.0 规范下,更可以达到 480Mｂ／ｓ.同时它可以连接127个USB设备,而且连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器(Hub)把多个设
备连接在一起,再同 PC 机的 USB 接口相连.此外,它还可以从系统中直接汲取电流,无需单独的供电系统.USB 的这些特点使它获得了广泛的应用.但是使用上的方便则意味着开发上的复杂,主要是编程的复杂性大大的增加了.
在设计开发一个USB外设的时候,开发者主要需要编写三部分的程序: ①固件程序;②USB驱动程序;③客户应用程序.本文主要阐述固件程序的编写.
1 固件要完成的主要工作
固件是 FIREWARE 的对应中文词,它实际上是单片机的程序文件,其编写语言可以采用 C 语言或是汇编语言.它的操作方式与硬件联系紧密,包括 USB 设备的连接 USB协议、中断处理等，它不是单纯的软件，而是软件和硬件的结合，开发者需要对端口、中断和硬件结构非常熟悉。固件程序一般放入 MCU 中，当把设备连接到主机上（USB 连接线插入插孔）时，上位机可以发现新设备，然后建立连接。因此。编写固件
程序的一个最主要的目的就时让 Windows 可以检测和识别设备。
2 PDIUSBD12芯片特点
PDIUSBD12 是一个性能优化的 USB 器件，通常用于基于微控制器的系统，并通过高速通用并行接口与微控制器进行通信，而且支持本地 DMA 传输。该器件采用模块化的方法实现一个 USB 接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存的体系结构使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本。该器件使开发成本低且高效的 USB 外围设备的一种有效途径。
PDIUSDB12 完全符合 USB1.1 规范，也能适应大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等。因此，PDIUSBD12非常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器（Zip 驱动器）和数码相机等。现在很多用 SCSI 实现的很多设备如果用 USB 来实现可以直接降低成本。
PDIUSBD12还集成了 SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上很容易实现更高级的 USB 功能。
3 PDIUSBD12固件程序的编写
USB 设备启动流程如下：
（1） USB设备接入 USB 口，发出连接 USB 命令；
（2） 主机发出读设备描述符两次；
（3） 主机根据设备描述符——厂商 ID、产品ID，启动相应设备驱动程序；
（4） 设备驱动程序初始化 USB 设备；
①读设备描述符；
②读配置描述符；
③选择接口、端点（管道），确定传输方式。
图 1 PDIUSBD12测试电路连接图
图 1是PDIUSBD12的电路连接图。
USB 固件程序程序由三部分组成：①初始化单片机和所有的外围电路（包括 PDIUSBD12）；②主循环部分，其任务是可以中断的；③中断服务程序，其任务是对时间敏感的，必须马上执行。根据 USB 协议，任何传输都是由主机（Host）开始的。单片机作它的前台工作，等待中断。主机首先要发令牌包给 USB设备（这里是 PDIUSBD12），PDIUSBD12 接收到令牌包后就给单片机发中断。单片机进入中断服务程
序，首先读 PDIUSBD12 的中断寄存器，判断 USB 令牌包的类型，然后执行相应的操作。在 USB 单片机程序中，要完成对各种令牌包的响应，其中比较难处理的是 SETUP包，主要是端口 0的编程。
单片机与 PDIUSBD12的通信主要是靠单片机给 PDIUSBD12发命令和数据来实现的。PDIUSBD12的命令字分为三种：初始化命令字、数据流命令字和通用命令字。PDIUSBD12数据手册给出了各种命令的代码和地址。单片机先给 PDIUSBD12 的命令地址发命令，根据不同命令的要求再发送或读出不同的数据。因此，可以将每种命令做成函数，用函数实现各个命令，以后直接调用函数即可。
下面的程序是处理主机的标准控制请求的一个模板：
unsigned char ENDPOINT_A0_FIFO[8]；
//判断输入的是 SETUP请求，并将其读入缓冲区 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 设备在正常使用以前，必须由主机配置设备。主机一般会从 USB设备获取配置信息后再确定此设备有哪些功能。
作为配置操作的一部分，主机会设备设备的配置值，如果必要的话会选择合适的接口备选设备。其初始化函数为：
void D12_int()
{ XmtBuff.pNum=16；
D12_COMMAND=0xf4；//读中断寄存器
ist=D12_DATA;
ist=D12_DATA;
if(ist & 0x01) //ENDP0_OUT
{XmtBuff.out=0;
XmtBuff.in=1;
D12_COMMAND=0x40; //读 OUT 最后状态
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;//读 in 最后状态
ist=D12_DATA;
USB_submit()；
}
else if(ist & 0x04)//ENDP1_OUT
{ XmtBuff.out=2;
XmtBuff.in=3;
D12_COMMAND=0x42;//读 out 最后状态
ist=D12_DATA;
read_out()；
}
else if(ist & 0x08)//ENDP1_IN
{ XmtBuff.in=3;
D12_COMMAND=0x43;//读 in 最后状态
ist=D12_DATA;
XmtBuff.b[0]=5;
XmtBuff.wrLength=1;
XmtBuff.p=XmtBuff.b;
USB_submit()；
}
……
在发出连接 USB 命令后，主机先读取设备描述符，然后发出设置 USB 地址 SETUP 包，设置 USB 地址后，进行主机客户驱动与设备初始化。其余端点（ENDPOINT）依此类推。
在其头文件里需定义 USB 规范中的各种描述符格式，包括设备描述表、配置描述表、接口描述表、端点描述表、字符串描述表以及描述表类型。这样，在发送配置[,接口（1），端点（1），接口（2），端点（2），…，类，厂商等]联合描述表时，主机 USBD可以根据描述类型标识区分各种分描述表。
下面是固件程序的主循环部分：
#include<reg51.h>
//指向外部 D12访问地址
#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;//设置模式 0
D12_DATA=0x03；//初始化频率 12MHz
D12_COMMAND=0xd0；
{
D12_int();
}
}
}
在编写 USB的固件程序时，需要注意：
①单片机的中断应设置为电平触发；中断后一定要读上次传输状态寄存器（命令 40～45H），以清除中断寄存器中的中断标志。这样，PDIUSBD12的中断输出才能变回高电平，这一点非常重要。
②在接收到 Setup 包后，一定要调用 D8命令重新使能端口 0。
③在向 IN 端写完数据后，一定调用命令 FAH，指明缓冲区中的数据有效，可以发送到主机。
④读写数据后，一定调用命令 F2H，以保证可以接收新的包。
⑤可以通过调用命令 FDH，检查 PDIUSBD12是否工作。该命令要读两个字节数据。
固件程序的编程是整个 USB 外设开发中非常重要的一环，它直接影响到设计开发的产品的数据传输速度。例如，采用不同的传输类型、设置不同的分组大小、是否采用 DMA 方式、传输缓冲区的大小等都会使得传输速率发生很大的变化。还有在高速情况下的超时处理等，也包含了很多的内容。
总之，在 USB 技术应用越来越广泛的今天，只有掌握了固件程序的编写，才可能开发出一个好的 USB 产品.
