DSP系統(tǒng)PDIUSBD12的USB設計應用

     一 PDIUSBD12芯片介紹

　　進行USB開發(fā)之前要根據(jù)成本與性能選擇合適的USB接口芯片。目前USB控制器芯片通常可分成3種：

　　第一種是專為USB設計的芯片，這類芯片的主要來源是CYPRESS的M8系列和ScanLogic的SL11R系列芯片。這種芯片是為了使用在USB應用設備而特別設計的，而不是在舊的結構上改造出來的，因而其功能的實現(xiàn)能夠達到最佳化，但是開發(fā)起來比較困難，要學全新的指令集，而且價格較較貴。

　　第二種是與現(xiàn)有的芯片兼容。大部分和8051系列的芯片兼容，如AMD公司的AM186T和MOTOROLA的68HC05/8。這種芯片的優(yōu)點是開發(fā)者已經熟悉現(xiàn)有芯片的結構和指令集，開發(fā)起來會比較容易。

　　第三種是需要外部微處理器接口的USB芯片。這類芯片只負責處理USB通信，它要和另一塊單片機芯片一起工作。典型的主要有NS公司的USBN9603、NetChip公司的NET2888、Philip公司的PDIUSBD11/12等。使用這樣的芯片的最大的好處是硬件的結構有很大的靈活性，便于發(fā)揮單片機的優(yōu)良性能，同時價格便宜。

　　綜合考慮了以上幾種芯片后，本課題決定選用Philip公司的PDIUSBD12芯片。這樣可利用對DSP的熟悉的優(yōu)勢，加快產品的開發(fā)進程，同時還能提高系統(tǒng)的可擴展性，便于選擇高性能的單片機。本芯片只支持USB1.1協(xié)議，對于速度要求高的系統(tǒng)可采用后文提到的支持USB2.0協(xié)議的信號轉換板。

　　基于USB1.1的Philip公司的PDIUSBD12芯片結構比較簡單，它必須單片機配合才能完成USB通信功能。單片機以讀寫外部存儲器的方式執(zhí)行PDIUSBD12芯片的通信功能命令。芯片產商將給出其具體的USB操作命令。其管腳圖說明如圖1：

圖1 PDIUSBD12的管腳圖

　　二 USB-PC104轉換板設計

　　由于嵌入式主板價格昂貴，而在很多應用場合可以用一個成本低的USB外設替代。這里的USB外設意指嵌入式系統(tǒng)本身不能獨立運行，需要PC機的軟硬件支持。這樣的嵌入式系統(tǒng)最先要解決的問題是開發(fā)一塊USB-PC104信號轉換板來替代嵌入式主板。需要轉換USB總線與PC104總線的信號的原因在于這樣可以讓系統(tǒng)既擁有USB設備的優(yōu)點又有PC104總線設備的高可靠性。采用DSP芯片可以提高系統(tǒng)的速度達到和嵌入式主板總線的要求。[!--empirenews.page--]

　　1 硬件設計

　　硬件設計的主要框圖如圖2所示：

圖2 轉換板硬件主體框圖

　　它的主要工作原理是：從主機的應用程序發(fā)出的訪問PC-104總線設備的命令，經過底層的USB驅動程序將其轉換為相應的USB設備標準要求送到USB接口芯片PDIUSBD12(以下簡稱D12)，運行于DSP的固件程序接收到這個要求，就會向PC104總線執(zhí)行相應的命令，從而達到控制PC-104總線硬件的目的。

　　2 固件程序的開發(fā)

　　固件程序運行在USB外圍設備的單片機中，由它響應主機發(fā)送過來的USB的各種要求和數(shù)據(jù)傳輸。固件的組成主要有兩大部分，ISR(中斷程序)和主程序。中斷程序運行在后臺，負責USB芯片與單片機MPU的USB要求中斷響應與數(shù)據(jù)傳輸，中斷程序接收到主機發(fā)送來的USB要求和數(shù)據(jù)后就將它轉送給主程序并設置相應的標志位。主程序運行在前臺，它根據(jù)中斷程序傳給它的數(shù)據(jù)及標志位而進行實際的硬件動作。后臺ISR中斷服務程序和前臺主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換通過事件標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(xiàn)的。例如PDIUSBD12的批量輸出端點可使用循環(huán)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當PDIUSBD12 從USB收到一個數(shù)據(jù)包那么就對MPU 產生一個中斷請求，MPU立即響應中斷。在ISR中固件將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12內部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并且隨后清空PDIUSBD12的內部緩沖區(qū)以使能接收新的數(shù)據(jù)包。MPU可以繼續(xù)它當前的前臺任務，直到完成任務后返回到主循環(huán)。同時檢查循環(huán)緩沖區(qū)內是否有新的數(shù)據(jù)并開始其它的前臺任務編寫固件程序可用匯編語言或者C語言，用C語言得有KEIL C編譯器的支持。但總體上它們的程序框架是一樣的。主體程序框架如圖3所示：

圖3 固件主程序框架[!--empirenews.page--]

　　3 驅動程序開發(fā)

　　由于現(xiàn)代操作系統(tǒng)對內存、端口等資源均采取了保護措施。一般的應用程序不能夠直接訪問硬件，必須通過設備的驅動程序。設備驅動程序直接和硬件打交道的，并且運行于操作系統(tǒng)核心態(tài)，它像操作系統(tǒng)內核一樣具有最高的運行權限，所以它可以直接訪問硬件。

　　USB設備必須使用WDM（Win32 Driver Model）驅動程序模型，它是Microsoft公司定義的WIN32驅動程序模型。WDM是操作系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在的一種新型驅動程序模型，現(xiàn)在已經成為Windows操作系統(tǒng)驅動程序的主流。

　　在Windows系統(tǒng)下，和應用程序打交道主要有五層模型：硬件層、硬件抽象層、驅動程序、IO管理層和用戶運用程序。從用戶應用程序發(fā)出的請求一層一層地往下發(fā)送。USB的驅動程序還分為客戶驅動程序、根集線器驅動程序和總線驅動程序。用戶主要開發(fā)客戶驅動程序即可，蓁其余更底層的操作系統(tǒng)已經為用戶準備好?？蛻趄寗映绦蛴梢幌盗械睦?也即一般程序的函數(shù))組成，它沒有main()函數(shù)入口點。因此，USB設備和驅動程序打交道必須由操作系統(tǒng)的IO管理層參與，它使用了一種全局量叫作IO請求包即IRP。主要工作原理如下：

　　(1)開始時用戶應用程序向驅動程序發(fā)出請求(Windows API函數(shù))，并將相關的數(shù)據(jù)打包成IRP，IO管理器捕獲這個IRP包并進行相應的處理。

　　(2)IO管理器向客戶驅動程序發(fā)送IRP請求包，請求客戶驅動程序進行相應的處理。

　　(3)客戶驅動程序處理完接收到的IRP，設好相關環(huán)境后將之傳給更底層的驅動程序，最后由總線驅動程序完成對硬件的操作，并將結果返回。

　　用戶要做的事就是開發(fā)客戶驅動程序。本課題用的是基于WIN2000 DDK的DriverWorks驅動程序開發(fā)工具，同時還要VC++6.0編譯環(huán)境。這種工具可生成驅動程序框架，用戶進行修改并加入自己要實現(xiàn)的功能即可，大大縮短了開發(fā)的時間。

　　4 用戶應用程序

　　應用程序是實現(xiàn)硬件功能的全部體現(xiàn)。但應用程序不能直接訪問USB設備，它必須先與驅動程序通信，通過驅動程序來訪問USB設備。它的工作是向硬件發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，這些數(shù)據(jù)和命令由驅動程序經過層層處理，最后發(fā)送到硬件實現(xiàn)相關的動作。應用程序與驅動程序打交道主要是通過操作系統(tǒng)的API函數(shù)。

　　其工作原理如下：

　　(1)應用程序通過調用CreateFile API函數(shù)取得USB設備的句柄。該符號鏈接包含一個全域惟一標識符（globally unique identifier,GUID）。GUID是一個128位的號碼，Windows用來惟一識別一個設備對象。

　　(2)通過這個句柄，應用程序通過調用ReadFile和WriteFile API函數(shù)來讀寫USB設備，將數(shù)據(jù)返回到用戶緩沖區(qū)。

　　(3)通過這個句柄，應用程序通過調用DeviceIoControl API函數(shù)來向USB設備發(fā)出控制命令，以實現(xiàn)特定的要求，這個函數(shù)還可能有相應的數(shù)據(jù)傳輸。

　　(4)應用程序處理從USB設備接收到的數(shù)據(jù)，如果出錯，將給出相應的警告，如果成功，處理完后關閉設備的句柄。