摘要：隨著USB技術(shù)日趨成熟，USB開發(fā)者只需要關(guān)注頂層開發(fā)即可，這樣雖然戰(zhàn)少了工作量，但容易使開發(fā)者忽略USB基礎(chǔ)理論與概念，導(dǎo)致的弊端在于開發(fā)者一旦遇到問題，往往不知如何解決。作者基于多年USB開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，針對當(dāng)前很多USB開發(fā)者容易混淆的概念，進(jìn)行深入淺出的剖析，針對枚舉和重枚舉的區(qū)別、不同啟動(dòng)方式的區(qū)別等問題，進(jìn)行了歸納總結(jié)。本文從對比的角度分析問題，有助于開發(fā)者理清USB的工作機(jī)理。
關(guān)鍵詞：USB；枚舉；重枚舉；重王；固件程序；EZ-USB

    USB(Universal Serial Bus)通訊具有傳輸速度快、可靠性高、支持即插即用等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鞣绞?，獲得了廣泛的應(yīng)用。
    然而，在USB應(yīng)用技術(shù)越來越成熟的同時(shí)，開發(fā)人員對于USB技術(shù)的運(yùn)用越來越傾向于頂層使用，對于USB的底層原理與基礎(chǔ)協(xié)議關(guān)注的很少，這會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際開發(fā)過程中，遇到問題之后不知從何處著手解決。只有了解了USB的傳輸協(xié)議或者是底層傳輸通訊原理，才能很好的找出解決途徑。
    文中基于作者多年的USB開發(fā)使用經(jīng)驗(yàn)，并且結(jié)合目前研究與生產(chǎn)中廣泛使用的幾種USB控制芯片，包括Cypress公司的enCoRe系列芯片、EZ-USB芯片以及Netchip公司的NET2888芯片等等，總結(jié)了它們在開發(fā)使用中最容易遇到而又非常重要的幾個(gè)問題：USB設(shè)備與主機(jī)建立通訊過程中枚舉和重枚舉的區(qū)別，這個(gè)區(qū)別體現(xiàn)在不同的USB控制芯片當(dāng)中，它對于設(shè)備的啟動(dòng)以及連接主機(jī)都有深刻影響；重枚舉與重置的區(qū)別，很多把這個(gè)概念混淆，導(dǎo)致在應(yīng)用中出錯(cuò)；固件程序控制多種啟動(dòng)方式的區(qū)別，同樣的代碼控制著不同的啟動(dòng)方式，理解了這個(gè)過程才能很好地控制芯片的工作。

1 USB通訊中的重要概念
1．1 枚舉與重枚舉的區(qū)別
    在USB通訊協(xié)議中，有一個(gè)重要的概念是檢測設(shè)備，也可稱為枚舉，它是主機(jī)在應(yīng)用程序與USB設(shè)備通信之前，了解該設(shè)備的設(shè)置與能力并且給該設(shè)備指定一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的過程，它是任何USB設(shè)備正常工作所必須的部分。
    對于普通的USB設(shè)備，主機(jī)通過枚舉的過程獲取設(shè)備的描述符，了解設(shè)備并根據(jù)設(shè)備描述符中的PID(產(chǎn)品識(shí)別碼)與VID(供應(yīng)商識(shí)別碼)值選擇合適的驅(qū)動(dòng)程序安裝，這樣就與設(shè)備建立了USB連接，之后就可以進(jìn)行正常USB通訊，枚舉的過程如圖1所示。

    然而，對于目前很多USB設(shè)備來說，它們與主機(jī)建立USB通訊的過程并不完全與上述過程一致，其原因在于當(dāng)前各型號(hào)的USB功能芯片啟動(dòng)固件程序的方式有很大的區(qū)別，這些啟動(dòng)方式大致可以分為兩種類型：
    1)固件程序從非易失存儲(chǔ)器中啟動(dòng)：每次啟動(dòng)直接從程序內(nèi)存中讀取固件代碼，然后在枚舉時(shí)直接啟動(dòng)運(yùn)行，這樣的程序內(nèi)存包括ROM(read-only memory)、EPROM(Erasable Programmed ROM)、EEPROM(Electrically Erasable Progra-mmed ROM)、OPT(One-Time Programm able)PROM或是FlashEPROM(閃存)；
    2)固件程序從隨機(jī)存儲(chǔ)器中啟動(dòng)：每次啟動(dòng)后，從外部非易失存儲(chǔ)器中讀取固件程序并存儲(chǔ)在RAM(Random-Access Memory)中，然后啟動(dòng)運(yùn)行。RAM可以任意刪減和重寫數(shù)據(jù)，并且關(guān)機(jī)后RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)即告消失，所以在每次開機(jī)時(shí)，都需要從外部加載固件代碼。
    正因?yàn)槎嗔思虞d固件代碼這個(gè)步驟，使得第二類芯片在啟動(dòng)時(shí)，如果從主機(jī)讀取固件程序，那么建立USB通訊的過程與上述枚舉有很大區(qū)別，它的流程如圖2所示。

    從圖2可以看出，第二類USB功能芯片啟動(dòng)方式每次都需要從主機(jī)下載固件程序，相比上述第一種類型，它具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢：
    1)用戶可根據(jù)需求自己編寫固件程序，適應(yīng)性很廣；
    2)開發(fā)中調(diào)試非常方便，斷電即可重新下載固件代碼。
    因此，這種方式工作的USB功能芯片在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，這樣的方式下，芯片與主機(jī)建立通訊的過程我們稱之為“重枚舉”。
    重枚舉和枚舉的最重要區(qū)別在于，重枚舉需要兩次讀取設(shè)備的描述符，獲取兩次不同的PID／VID值然后安裝不同的驅(qū)動(dòng)，而枚舉只需要讀取一次描述符并只安裝一次驅(qū)動(dòng)。這其中，第一次是讀取的是設(shè)備默認(rèn)的描述符，用于建立默認(rèn)狀態(tài)下的USB通訊，然后下載固件程序，第二次讀取的是根據(jù)需求自己編寫或者從廠家下載而來的描述符，使得設(shè)備實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所需的通訊功能。
    在使用不同的芯片或者不同的程序下載方式時(shí)，開發(fā)人員往往會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)安裝不對導(dǎo)致通訊不上、設(shè)備描述符編寫錯(cuò)誤導(dǎo)致設(shè)備工作效率低下、固件程序無法正常啟動(dòng)等突發(fā)狀況，例如，作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的USB設(shè)備在使用中，經(jīng)常會(huì)遇到USB設(shè)備與數(shù)據(jù)源設(shè)備以及主機(jī)接收軟件在不同的啟動(dòng)順序下產(chǎn)生不同效果、甚至導(dǎo)致通訊錯(cuò)誤的情況，如果不能深刻理解枚舉與重枚舉的過程和意義，這些問題很難得到根本的解決。
1．2 重枚舉與重置的區(qū)別
    需要特別指出的是，“重枚舉”與枚舉過程中的“重置”有重要區(qū)別，很多USB開發(fā)人員對這兩個(gè)概念理解混淆，認(rèn)為枚舉中的“重置”就是我們所稱的“重枚舉”，但它們除了在現(xiàn)象上有點(diǎn)相似外，過程與意義上是有本質(zhì)區(qū)別的：
    1)“重枚舉”指的是有些USB芯片或者外圍設(shè)備在初次枚舉后，通過某種方式更改了其提交給主機(jī)的描述符(包括VID／PID值)以及固件程序，從而引起了主機(jī)對設(shè)備的再次枚舉，通過新的描述符再次識(shí)別設(shè)備的過程；
    2)而“重置”是每次枚舉過程中主機(jī)在設(shè)備剛連接后要求集線器將USB電纜中D+和D-兩個(gè)信號(hào)都置為邏輯低位(正常時(shí)，這兩信號(hào)有相反的邏輯狀態(tài))，這個(gè)過程中主機(jī)與設(shè)備也類似斷開再連接，與“重枚舉”在現(xiàn)象上有點(diǎn)相似，但是它只是枚舉中的一部分，它是為了確認(rèn)設(shè)備與主機(jī)準(zhǔn)備好了下一步配置通信而做的操作，不涉及描述符的變化也就不會(huì)使得設(shè)備請求再次枚舉。
1．3 固件程序?qū)γ杜e和重牧舉的不同控制方式
    固件程序是CPU要執(zhí)行的程序代碼，是USB芯片的核心部分，它不僅控制著設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)控制著重枚舉的實(shí)現(xiàn)。Cypress公司的EZ-USB系列芯片是使用RAM來存儲(chǔ)固件程序的第一批芯片，也是目前市場上使用最廣泛的一種USB功能芯片。在此，我們以這種芯片為例深入研究芯片對于不同的啟動(dòng)方式下重枚舉與枚舉的控制方法。

    如圖3流程圖所示，固件程序的一個(gè)重要工作在于對重枚舉的控制，在EZ-USB芯片的固件程序中，都需要以下代碼來控制芯片的重枚舉：
   
    重枚舉的控制主要依靠USBCS寄存器中的RENUM位和DISCON位，這兩位的功能與作用分別如下：
    1)RENUM位代表的是EZ-USB芯片使用默認(rèn)狀態(tài)或者固件程序來處理枚舉過程，可用于判斷這一位的值，來確定是否需要重枚舉，RENUM位為0時(shí)，使用默認(rèn)方式進(jìn)行枚舉，等待固件程序的下載，這一位為1時(shí)，使用固件程序與下載的設(shè)備描述符處理枚舉過程；
    2)DISCON位用來控制USB的斷開與再連接，每次DISCON位的值變化為1時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)與主機(jī)斷開連接(其實(shí)是一種模擬斷開的狀態(tài))，這一位變成0的時(shí)候，芯片又會(huì)與主機(jī)進(jìn)行重新連接。
    這些RAM存儲(chǔ)固件程序的芯片，包括EZ-USB，除了使用RAM外，也都是可以使用其他程序內(nèi)存的，這種特性在芯片的開發(fā)過程與工程應(yīng)用中非常完美的起到了互補(bǔ)作用。開發(fā)中，我們使用RAM每次下載固件程序便于調(diào)試，而應(yīng)用中，又可將固件程序固化到例如Flash EPROM或者EEPROM等存儲(chǔ)器。
    然而，這種模式下，兩種不同的下載固件程序方法對于固件程序的調(diào)用卻不完全一樣，許多開發(fā)人員很長一段時(shí)間內(nèi)都沒有理解清楚它們之間的區(qū)別，導(dǎo)致程序編寫和運(yùn)行中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)各式錯(cuò)誤，例如在重枚舉的時(shí)候讀取設(shè)備描述符的位置錯(cuò)誤，或者多次通電、斷電重復(fù)操作后部分控制重枚舉的寄存器的值沒有按照預(yù)期變化，導(dǎo)致突發(fā)狀況。
    了解固件程序?qū)τ诿杜e、重枚舉的控制方式，有利于我們追蹤錯(cuò)誤并解決這些問題。在EZ-USB系列芯片中，固件程序?qū)闹鳈C(jī)下載固件程序和EEPROM存儲(chǔ)程序的兩種方式的控制區(qū)別，就主要體現(xiàn)在RENUM位的控制上；
    1)從主機(jī)下載固件程序時(shí)，芯片通電后因?yàn)闆]有從任何方式讀取到固件程序，所以RENUM位默認(rèn)為0，使用默認(rèn)方式進(jìn)行枚舉，然后通過主機(jī)下載固件程序，運(yùn)行后，上述代碼控制芯片與主機(jī)的模擬斷開與再連接實(shí)現(xiàn)重枚舉；
    2)而EEPBOM存儲(chǔ)程序時(shí)，芯片通電后從它的SCL與SDA兩個(gè)管腳讀取到存儲(chǔ)在EEPROM中的固件程序，觸發(fā)USBCS寄存器中的RENUM位由默認(rèn)值變化為1，在執(zhí)行上述程序時(shí)，不滿足判斷條件，不執(zhí)行EZUSB_Discon()的模擬斷開部分，并直接由現(xiàn)有固件程序和設(shè)備描述符進(jìn)行枚舉，一次枚舉即可識(shí)別設(shè)備然后正常工作，此時(shí)不需要重枚舉。
    正是通過控制這些寄存器的值，各式USB功能芯片利用固件程序?qū)崿F(xiàn)了對枚舉或者重枚舉的管理。開發(fā)者在固件程序的編寫中，需要特別留意對于這樣一些寄存器的控制，深刻理解USB功能芯片啟動(dòng)以及工作方式，這樣才能避免或者解決在USB通信中出現(xiàn)的一些錯(cuò)誤和缺陷。

2 結(jié)束語
    文中深入探討了USB傳輸當(dāng)中幾個(gè)非常重要而又容易被人忽視或者混淆的概念，針對枚舉和重枚舉的區(qū)別，重枚舉和重置的區(qū)別進(jìn)行了對比分析，并詳細(xì)講述了枚舉與重枚舉的流程和控制，有助于開發(fā)人員在USB項(xiàng)目中更好的理解并掌握開發(fā)流程。大量應(yīng)用結(jié)果表明，USB傳輸?shù)牡讓釉砼c概念，對于解決傳輸中的問題以及提升數(shù)據(jù)系統(tǒng)的效率有很大的幫助，值得開發(fā)者真正的重視。