基于虛擬存儲(chǔ)器的USB下載線設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，支持ISP(In-SystemProgramming)或IAP(In-Application Programming)的單片機(jī)芯片日益增加，這類單片機(jī)芯片的應(yīng)用程序?qū)懭氩捎昧嗽诰€下載的方式。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的連接端口也從串口或并口逐步過(guò)渡到USB(Universal SerialBus)口。由于USB口具有高速、使用靈活方便等特點(diǎn)，單片機(jī)程序下載連接口也更加廣泛地應(yīng)用USB口。但是，USB口與單片機(jī)連接的下載線在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上還是與串、并口連接一樣，不同的單片機(jī)采用不同的下載線，也對(duì)應(yīng)有不同的下載軟件和硬件驅(qū)動(dòng)程序。這些軟件和程序隨著功能的完善和操作改進(jìn)等原因具有不同的版本。這就造成下載線的使用者需要不斷更新軟件，也讓使用者在更換單片機(jī)時(shí)不僅更換下載線，還要熟悉新的下載軟件及使用方法。為此，如果能設(shè)計(jì)一種不需要下載軟件的下載線或統(tǒng)一操作的下載軟件，則能大大提高單片機(jī)程序下載線的通用性及操作效率。設(shè)計(jì)一種通用而不需下載軟件的USB接口的單片機(jī)的下載線就顯得尤其必要。

1．硬件設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)分析
    單片機(jī)USB接口下載線對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，就是一個(gè)USB外部設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中不需要安裝額外的下載線驅(qū)動(dòng)程序和操作軟件，盡可能使用操作系統(tǒng)已有的USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)命令或軟件作為下載線的驅(qū)動(dòng)程序及操作軟件。在對(duì)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行分析和比較下，目前計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中都帶有U盤的驅(qū)動(dòng)程序，資源管理器就是一個(gè)現(xiàn)有的磁盤操作軟件。若將下載線虛擬為一個(gè)U盤，即從計(jì)算機(jī)角度將下載線和目標(biāo)單片機(jī)視為一個(gè)虛擬磁盤，計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)單片機(jī)的程序下載變?yōu)橛?jì)算機(jī)對(duì)磁盤的寫操作。
    當(dāng)下載線系統(tǒng)接收到計(jì)算機(jī)寫入該磁盤的文件時(shí)，通過(guò)下載線系統(tǒng)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后把數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序下載。下載線系統(tǒng)完成對(duì)計(jì)算機(jī)的磁盤響應(yīng)和程序的控制和傳輸，這樣既能保證在所有計(jì)算機(jī)上都可以通用，又實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)中不需要專用的下載程序，只需要如磁盤操作一樣進(jìn)行復(fù)制、粘貼或其他文件復(fù)制操作即可將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。
    下載線硬件系統(tǒng)如圖1所示。

1．2 硬件設(shè)計(jì)
    在分析各種USB接口芯片后，選用Philips公司的PDIUSBDl2作為系統(tǒng)的USB接口芯片，實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口。該芯片采用了USB 1．1標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)采用USB 1．1及USB 2．O接口標(biāo)準(zhǔn)，采用PDIUSBDl2作為下載線與計(jì)算機(jī)的接口芯片能夠滿足設(shè)計(jì)需要。
    為了實(shí)現(xiàn)可靠的程序下載，對(duì)目標(biāo)單片機(jī)的接口電路選用原Altra的并口驅(qū)動(dòng)芯片74HC244作為下載線與目標(biāo)單片機(jī)的接口驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片是三態(tài)的總線驅(qū)動(dòng)芯片，在寫入和讀出目標(biāo)單片機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力和較小的延時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)正常的程序下載，在程序下載完成后，該芯片工作于高阻態(tài)，使下載線不影響目標(biāo)單片機(jī)的正常工作。系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

    在圖2中，PDIUSBDl2的數(shù)據(jù)端口連接到單片機(jī)的P0端口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PDIUSBDl2的數(shù)據(jù)交換通道。將PDIUSBDl2的讀寫控制分別接到P3.6和P3．7引腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)寫入和讀出PDIUSBDl2的數(shù)據(jù)。地址端A0接到P2．O引腳上，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)PDIUSBDl2的數(shù)據(jù)和地址選擇。PDIUSB Dl2從CLKOUT輸出時(shí)鐘信號(hào)，連接到單片機(jī)AT89S52的XTAL1上，作為單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)。
    下載線接口驅(qū)動(dòng)電路74HC244采用P2的部分引腳進(jìn)行控制。其中，P2．1接74HC244的門控端，輸出低電平時(shí)電路工作，在平時(shí)輸出高電平時(shí)使74HC244工作在高阻狀態(tài)，使下載線與目標(biāo)單片機(jī)脫離連接。P2．2接2Y4通過(guò)下載線接口作為SCK，實(shí)現(xiàn)ISP接口的同步脈沖。P2．3通過(guò)74HC244后接到下載線接口作為MOSI，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)芯片的串行數(shù)據(jù)讀出。下載線接口的MISO通過(guò)74HC244驅(qū)動(dòng)后接到P2．5，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)芯片的串行數(shù)據(jù)的讀出。P2．5通過(guò)74HC244控制目標(biāo)芯片的RESET引腳，使其進(jìn)入和退出串行程序下載模式。
    另外，在系統(tǒng)中保留了P3．O和P3．1作為異步串行通信端口，作為系統(tǒng)調(diào)試端口。P1．5，P1．6，P1．7和RESET與VCC，GND連接到系統(tǒng)控制芯片，作為系統(tǒng)控制芯片自身的程序?qū)懭虢涌凇?br />
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)架構(gòu)
    基于虛擬內(nèi)存的USB下載線，就是從計(jì)算機(jī)角度看，下載線與目標(biāo)單片機(jī)是計(jì)算機(jī)的一個(gè)通用的USB存儲(chǔ)器，在對(duì)目標(biāo)單片機(jī)程序進(jìn)行寫操作時(shí)，就像對(duì)磁盤(U盤)進(jìn)行寫操作一樣。
    在PC機(jī)端主要完成的任務(wù)是USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，即將USB設(shè)備(下載線)識(shí)別為U盤，實(shí)現(xiàn)文件的寫入和讀出操作。在Windows 2000及以后的操作系統(tǒng)中，將USB磁盤驅(qū)動(dòng)作為標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序，直接利用操作系統(tǒng)磁盤驅(qū)動(dòng)程序。文件的寫入和讀出，由操作系統(tǒng)完成相關(guān)功能，在本系統(tǒng)中不需要編寫程序。
    下載線與計(jì)算機(jī)連接采用PDIUSBD12作為接口芯片，要與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)，就需要對(duì)PDIUSBDl2芯片進(jìn)行操作，下載線系統(tǒng)需要PDIUSBDl2驅(qū)動(dòng)程序。要向計(jì)算機(jī)說(shuō)明下載線是一個(gè)U盤，下載線系統(tǒng)需要在計(jì)算機(jī)硬件詢問(wèn)時(shí)要按USB Disk應(yīng)答，下載線系統(tǒng)還需要構(gòu)建一個(gè)文件系統(tǒng)，由于下載線系統(tǒng)是面向單片機(jī)的程序下載，數(shù)據(jù)量小，采用FAT12作為下載線的文件系統(tǒng)。
    當(dāng)下載線接收到計(jì)算機(jī)傳送過(guò)來(lái)的一個(gè)程序文件時(shí)，需要將程序文件中的內(nèi)容分離出來(lái)。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要支持bin和HEX兩種格式，其中bin文件就是機(jī)器指令的數(shù)據(jù)，直接寫入單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中即可完成程序下載；Hex文件的INTEL格式是Intel公司提出的按地址排列的數(shù)據(jù)信息，并不是直接的機(jī)器指令代碼，因此還需要將HEX格式轉(zhuǎn)換為bin格式。
    在對(duì)目標(biāo)單片機(jī)進(jìn)行程序下載時(shí)，需要按照目標(biāo)單片機(jī)的程序下載時(shí)序，逐次將數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，下載系統(tǒng)需要控制下載接口電路實(shí)現(xiàn)程序時(shí)序。整個(gè)硬件電路結(jié)構(gòu)與軟件關(guān)系如圖3所示。

2．2 程序設(shè)計(jì)
   下載線是連接計(jì)算機(jī)與目標(biāo)單片機(jī)的中間設(shè)備，僅在計(jì)算機(jī)發(fā)出操作要求時(shí)才產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的操作響應(yīng)，因而下載線系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中以處理計(jì)算機(jī)端數(shù)據(jù)為主要目標(biāo)，根據(jù)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。為了程序編寫簡(jiǎn)潔和易于調(diào)試，設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序采用查詢方式對(duì)USB接口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)目標(biāo)單片機(jī)的程序下載寫入時(shí)，將其設(shè)為整個(gè)程序的一個(gè)功能模塊，僅當(dāng)需要下載寫入時(shí)調(diào)用該功能模塊，在程序編寫中將其定義為一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)。
    與PC的接口芯片采用了PDIUSBD12作為USB接口芯片，下載線為了處理來(lái)自USB接口的數(shù)據(jù)，必須完成對(duì)PDIUSBD12的處理。在設(shè)計(jì)中利用Philips提供的PDIUSBD12驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行修改加以實(shí)現(xiàn)。
    數(shù)據(jù)處理過(guò)程的系統(tǒng)主函數(shù)如下：


3 系統(tǒng)調(diào)試
    首先對(duì)下載線系統(tǒng)進(jìn)行程序?qū)懭牒统绦蛘{(diào)試，然后再進(jìn)行綜合調(diào)試。按下面步驟進(jìn)行。
3．1 調(diào)試下載線系統(tǒng)
    首先將下載系統(tǒng)控制程序?qū)懭胂到y(tǒng)單片機(jī)，然后進(jìn)行ISP下載調(diào)試。
    將BIN文件代碼寫進(jìn)下載線控制單片機(jī)程序內(nèi)部，采用程序直接將二進(jìn)制代碼寫進(jìn)目標(biāo)單片機(jī)，觀察目標(biāo)單片機(jī)的運(yùn)行情況來(lái)判斷程序是否寫入。
    將HEX文件內(nèi)的數(shù)據(jù)寫在下載線控制單片機(jī)的源程序內(nèi)部，通過(guò)單片機(jī)程序?qū)EX格式進(jìn)行解釋并寫入目標(biāo)單片機(jī)，觀察目標(biāo)單片機(jī)的運(yùn)行情況來(lái)判斷程序是否解釋并寫入正確。
3．2 硬件識(shí)別調(diào)試
    通過(guò)將下載線插入PC，在PC上發(fā)現(xiàn)USB設(shè)備，驗(yàn)證下載線硬件是否工作。通過(guò)對(duì)USB器件的應(yīng)答，能夠在計(jì)算機(jī)中出現(xiàn)一個(gè)USB盤符。
    通過(guò)對(duì)下載線內(nèi)部的磁盤啟動(dòng)扇區(qū)、FAT表和根目錄等信息的寫入，在PC上出現(xiàn)一個(gè)具體的磁盤，并能在磁盤上創(chuàng)建文件。
3．3 綜合調(diào)試
    在下載線所對(duì)應(yīng)的磁盤上寫入HEX文件，由下載線系統(tǒng)單片機(jī)對(duì)HEX文件進(jìn)行解釋，并寫入目標(biāo)單片機(jī)，在目標(biāo)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上觀察結(jié)果以判斷下載線是否完成功能。

4 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)下載系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，在計(jì)算機(jī)中不需要安裝驅(qū)動(dòng)程序，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中自帶的USB磁盤的驅(qū)動(dòng)程序，只需要復(fù)制、粘貼或其他文件復(fù)制操作即可將單片機(jī)應(yīng)用程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)通用的USB下載線的設(shè)計(jì)。