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的8051內(nèi)核于一體，具有全速度、全序列、易開發(fā)及軟配置等特點，是設(shè)計USB設(shè)備的首選器件。EZ-USB的串行接口引擎能自動完成主要USB協(xié)議處理，簡化了設(shè)備固件設(shè)計。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文件和注冊表的使用等問題，因此EZ-USB接口設(shè)備的軟配置方式和固件裝載技術(shù)是開發(fā)EZ-USB接口設(shè)備的關(guān)鍵問題。
1 EZ-USB處理器
EZ-USB的串行接口引擎能自動完成數(shù)據(jù)收發(fā)控制、位填充、數(shù)據(jù)編碼、CRC校驗、PID包解碼等USB協(xié)議處理。EZ-USB在連接時自動進行枚舉，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，相對標(biāo)準(zhǔn)的8051處理器進行了改進。以AN2131QC為例，主要有以下改進方面：
◇獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，總線周期為4個時鐘，平均運行速度提高了近3倍；
◇雙數(shù)據(jù)指針和自動指針提高了數(shù)據(jù)交換效率；
◇擴展的中斷系統(tǒng)支持13個中斷源，并支持自動中斷向量；
◇1個I2C接口以及2個UART接口，24個可配置I/O端口；
◇可變周期的MOVX 指令可以適合高低速存儲器芯片的接口；
◇3個16位內(nèi)置定時/計數(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)備無限制的升級或再配置。EZ-USB片內(nèi)集成的外部RAM可用于裝載固件。當(dāng)設(shè)備與主機連接時，固件從主機裝載到這里執(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、工作方式、設(shè)備功能等都可以通過改變固件進行再配置，達到軟配置目的，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現(xiàn)：自動配置和命令配置。
自動配置是指當(dāng)設(shè)備連接時，固件由專門的裝載驅(qū)動程序自動裝載到設(shè)備。這種方式下固件要捆綁在裝載驅(qū)動程序之中，固件與裝載驅(qū)動程序之間一一對應(yīng)，固件修改時要重新生成并重新安裝裝載驅(qū)動程序，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會找不到設(shè)備。
命令配置是指在應(yīng)用程序中通過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)動程序，可在任何時刻裝載任意固件。固件裝載后可以不用重枚舉操作，由EZ-USB內(nèi)核響應(yīng)主機請求，可以簡化固件設(shè)計。采用命令配置方式時，在應(yīng)用程序中要編寫固件裝載代碼。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請求復(fù)位8051內(nèi)核；
◇向EZ-USB請求固件下載，固件下傳至EZ-USB的內(nèi)部RAM；
◇向EZ-USB請求8051內(nèi)核脫離復(fù)位狀態(tài)；
⑤ 對EZ-USB外設(shè)接口和交替功能進行設(shè)置。
3 EZ-USB接口設(shè)備開發(fā)方法
USB設(shè)備開發(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。主機在設(shè)備枚舉時要獲取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)動信息。用戶可以通過修改固件中的描述符來改變設(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)行主機請求分析處理和數(shù)據(jù)交換處理功能。
設(shè)備驅(qū)動程序提供用戶訪問設(shè)備的接口。開發(fā)系統(tǒng)提供廠家的通用設(shè)備驅(qū)動程序。用戶也可以用相關(guān)驅(qū)動程序開發(fā)工具自己定制。自己定制的設(shè)備驅(qū)動程序要求符合WDM驅(qū)動程序規(guī)范。若采用自動配置方式，EZ-USB開發(fā)系統(tǒng)提供了裝載驅(qū)動程序開發(fā)模板，利用模板開發(fā)較簡單。采用命令配置方式則要用戶在應(yīng)用程序中編寫固件裝載代碼。
驅(qū)動程序一般通過INF文件來安裝，INF文件把設(shè)備的VID和PID綁定到設(shè)備驅(qū)動程序上，指定存放驅(qū)動程序的路徑，提供有關(guān)驅(qū)動程序的注冊和顯示信息。因此，Windows檢測到EZ-USB設(shè)備連接時，能根據(jù)注冊表自動將設(shè)備驅(qū)動程序裝入系統(tǒng)環(huán)境。
4 設(shè)計舉例
作者利用AN2131QC開發(fā)了一個通用的EZ-USB接口模塊。此通用模塊的軟硬件資源全部開放，并配置有測試驅(qū)動程序和固件示例。使用此通用模塊如同使用一片IC芯片，對設(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)成一臺專用的EZ-USB接口設(shè)備。
4.1 固件設(shè)計
通用EZ-USB模塊的固件包括描述符表和USB通信測試程序。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，主機要請求設(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)
| 描述符名稱 |
描述符參數(shù) |
| 設(shè)備描述符 | 版本：0x0001。包大?。?x40。VID：0x0547。PID：0x1011。配置號：0x01 |
| 配置描述符 | 接口數(shù)：0x01。配置值：0x01。屬性參數(shù)：0x80。最大功耗：0x32(100mA） |
| 接口描述符表 | 接口索引：0x00,交替設(shè)置：0x01。端點數(shù)：0x02 |
| 端點描述符表0 | 端點地址：0x82(端點2，輸入)。端點類型：BULK。最大包長度：0x0040 |
| 端點描述符表1 | 端點地址：0x02（端點2，輸出）。端點類型：BULK。最大包長度：0x0040 |
此通用模塊中的固件僅用于EZ-USB通信測試、設(shè)備驅(qū)動和固件裝載演示。通過實驗發(fā)現(xiàn)固件設(shè)計有兩點值得注意。
① 采用ezusb.sys通用驅(qū)動程序時，主機要用查詢方式接收從設(shè)備來的數(shù)據(jù)。若主機接收不到設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)時會長時間等待，甚至?xí)罊C。在本文的設(shè)計中，解決此問題的方法是數(shù)據(jù)上傳和下傳操作成對發(fā)生。主機每次下傳一個數(shù)據(jù)包時，設(shè)備就上傳一個數(shù)據(jù)包。此時如果設(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，否則返回一個空包。
② 初始化時應(yīng)清空一次相應(yīng)的端點緩沖區(qū)，否則有時會出現(xiàn)第一次傳輸出錯的現(xiàn)象，原因可能是復(fù)位不充分或者內(nèi)部RAM掉電延時。在實際中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備掉電相當(dāng)長一段時間，EZ-USB的RAM中數(shù)據(jù)仍然保持。
4.2 生成設(shè)備驅(qū)動程序
可以直接用廠家提供的通用設(shè)備驅(qū)動程序來驅(qū)動設(shè)備。但通用設(shè)備驅(qū)動程序只能執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請求和數(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)上進行擴充，重新用WDM DDK生成驅(qū)動程序。通用模塊中采用了通用驅(qū)動程序Ezusb.sys。采用查詢方式，并且使上傳和下傳對應(yīng)出現(xiàn)，實時性較好，能滿足一般設(shè)備要求。
4.3 生成裝載驅(qū)動程序
采用自動配置方式時，可根據(jù)EZ-USB開發(fā)系統(tǒng)提供的模板生成固件裝載驅(qū)動程序。
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)位并運行固件。裝載固件前要使EZ-USB8051內(nèi)核進入復(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)開始運行固件。三種操作共用一個函數(shù)，用傳遞不同的參數(shù)進行區(qū)別。
Set_InterFaceAlt()設(shè)置EZ-USB接口號和交替功能值，建立通信管道。
4.4 安裝驅(qū)動程序
驅(qū)動程序必須正確裝入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)動程序，使重枚舉后設(shè)備的VID和PID綁定到設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)置驅(qū)動程序的路徑為 C:，設(shè)置顯示的驅(qū)動程序字符串信息。重新啟動系統(tǒng)，按提示信息完成安裝過程。
4.5 應(yīng)用程序與設(shè)備接口
通用EZ-USB模塊的測試程序提供兩種方式訪問EZ-USB設(shè)備，一是直接通過I/O控制調(diào)用訪問設(shè)備，用CreateFile()函數(shù)打開設(shè)備，用DeviceIoControl()函數(shù)與設(shè)備進行通信；二是將復(fù)雜的訪問函數(shù)封裝為DLL，對用戶提供更簡潔的方法訪問外設(shè)。
結(jié) 語
利用通用EZ_USB接口模塊，開發(fā)了智能聲強測量系統(tǒng)和精密數(shù)控雕刻機設(shè)備，均獲得了成功。設(shè)備性能穩(wěn)定，開發(fā)周期短。
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