摘  要 本文介紹了USB芯片PDIUSBD12和DSP的用法，設(shè)計(jì)了一塊USB-PC104的嵌入式轉(zhuǎn)換板，并詳細(xì)說明了它的軟硬件實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞  PDIUSBD12   DSP   USB 

一、 PDIUSBD12芯片介紹

進(jìn)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?？煞殖?種：

第一種是專為USB設(shè)計(jì)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(yīng)用設(shè)備而特別設(shè)計(jì)的，而不是在舊的結(jié)構(gòu)上改造出來的，因而其功能的實(shí)現(xiàn)能夠達(dá)到最佳化，但是開發(fā)起來比較困難，要學(xué)全新的指令集，而且價(jià)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(diǎn)是開發(fā)者已經(jīng)熟悉現(xiàn)有芯片的結(jié)構(gòu)和指令集，開發(fā)起來會(huì)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(fù)責(zé)處理USB通信，它要和另一塊單片機(jī)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(jié)構(gòu)有很大的靈活性，便于發(fā)揮單片機(jī)的優(yōu)良性能，同時(shí)價(jià)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(duì)DSP的熟悉的優(yōu)勢(shì)，加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，同時(shí)還能提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，便于選擇高性能的單片機(jī)。本芯片只支持USB1.1協(xié)議，對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換板。

基于USB1.1的Philip公司的PDIUSBD12芯片結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它必須單片機(jī)配合才能完成USB通信功能。單片機(jī)以讀寫外部存儲(chǔ)器的方式執(zhí)行PDIUSBD12芯片的通信功能命令。芯片產(chǎn)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(zhuǎn)換板設(shè)計(jì)

       由于嵌入式主板價(jià)格昂貴，而在很多應(yīng)用場(chǎng)合可以用一個(gè)成本低的USB外設(shè)替代。這里的USB外設(shè)意指嵌入式系統(tǒng)本身不能獨(dú)立運(yùn)行，需要PC機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換板來替代嵌入式主板。需要轉(zhuǎn)換USB總線與PC104總線的信號(hào)的原因在于這樣可以讓系統(tǒng)既擁有USB設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)又有PC104總線設(shè)備的高可靠性。采用DSP芯片可以提高系統(tǒng)的速度達(dá)到和嵌入式主板總線的要求。

       1、硬件設(shè)計(jì)

       硬件設(shè)計(jì)的主要框圖如圖2所示：

圖2 轉(zhuǎn)換板硬件主體框圖

       它的主要工作原理是：從主機(jī)的應(yīng)用程序發(fā)出的訪問PC-104總線設(shè)備的命令，經(jīng)過底層的USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為相應(yīng)的USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求送到USB接口芯片PDIUSBD12(以下簡(jiǎn)稱D12)，運(yùn)行于DSP的固件程序接收到這個(gè)要求，就會(huì)向PC104總線執(zhí)行相應(yīng)的命令，從而達(dá)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(yùn)行在USB外圍設(shè)備的單片機(jī)中，由它響應(yīng)主機(jī)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(yùn)行在后臺(tái)，負(fù)責(zé)USB芯片與單片機(jī)MPU的USB要求中斷響應(yīng)與數(shù)據(jù)傳輸，中斷程序接收到主機(jī)發(fā)送來的USB要求和數(shù)據(jù)后就將它轉(zhuǎn)送給主程序并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。主程序運(yùn)行在前臺(tái)，它根據(jù)中斷程序傳給它的數(shù)據(jù)及標(biāo)志位而進(jìn)行實(shí)際的硬件動(dòng)作。后臺(tái)ISR中斷服務(wù)程序和前臺(tái)主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)的。例如PDIUSBD12的批量輸出端點(diǎn)可使用循環(huán)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)PDIUSBD12 從USB收到一個(gè)數(shù)據(jù)包那么就對(duì)MPU 產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，MPU立即響應(yīng)中斷。在ISR中固件將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12內(nèi)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(nèi)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(dāng)前的前臺(tái)任務(wù)，直到完成任務(wù)后返回到主循環(huán)。同時(shí)檢查循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)是否有新的數(shù)據(jù)并開始其它的前臺(tái)任務(wù)

       編寫固件程序可用匯編語(yǔ)言或者C語(yǔ)言，用C語(yǔ)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

3、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

       由于現(xiàn)代操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存、端口等資源均采取了保護(hù)措施。一般的應(yīng)用程序不能夠直接訪問硬件，必須通過設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序直接和硬件打交道的，并且運(yùn)行于操作系統(tǒng)核心態(tài)，它像操作系統(tǒng)內(nèi)核一樣具有最高的運(yùn)行權(quán)限，所以它可以直接訪問硬件。

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

       在Windows系統(tǒng)下，和應(yīng)用程序打交道主要有五層模型：硬件層、硬件抽象層、驅(qū)動(dòng)程序、IO管理層和用戶運(yùn)用程序。從用戶應(yīng)用程序發(fā)出的請(qǐng)求一層一層地往下發(fā)送。USB的驅(qū)動(dòng)程序還分為客戶驅(qū)動(dòng)程序、根集線器驅(qū)動(dòng)程序和總線驅(qū)動(dòng)程序。用戶主要開發(fā)客戶驅(qū)動(dòng)程序即可，蓁其余更底層的操作系統(tǒng)已經(jīng)為用戶準(zhǔn)備好?？蛻趄?qū)動(dòng)程序由一系列的例程(也即一般程序的函數(shù))組成，它沒有main()函數(shù)入口點(diǎn)。因此，USB設(shè)備和驅(qū)動(dòng)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(qǐng)求包即IRP。主要工作原理如下：

(1)      開始時(shí)用戶應(yīng)用程序向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出請(qǐng)求(Windows API函數(shù))，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)打包成IRP，IO管理器捕獲這個(gè)IRP包并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

(2)      IO管理器向客戶驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送IRP請(qǐng)求包，請(qǐng)求客戶驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。

(3)      客戶驅(qū)動(dòng)程序處理完接收到的IRP，設(shè)好相關(guān)環(huán)境后將之傳給更底層的驅(qū)動(dòng)程序，最后由總線驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)硬件的操作，并將結(jié)果返回。

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

4、用戶應(yīng)用程序

應(yīng)用程序是實(shí)現(xiàn)硬件功能的全部體現(xiàn)。但應(yīng)用程序不能直接訪問USB設(shè)備，它必須先與驅(qū)動(dòng)程序通信，通過驅(qū)動(dòng)程序來訪問USB設(shè)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(qū)動(dòng)程序經(jīng)過層層處理，最后發(fā)送到硬件實(shí)現(xiàn)相關(guān)的動(dòng)作。應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)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(yīng)用程序通過調(diào)用CreateFile API函數(shù)取得USB設(shè)備的句柄。該符號(hào)鏈接包含一個(gè)全域惟一標(biāo)識(shí)符（globally unique identifier,GUID）。GUID是一個(gè)128位的號(hào)碼，Windows用來惟一識(shí)別一個(gè)設(shè)備對(duì)象。

(2)     通過這個(gè)句柄，應(yīng)用程序通過調(diào)用ReadFile和WriteFile API函數(shù)來讀寫USB設(shè)備，將數(shù)據(jù)返回到用戶緩沖區(qū)。

(3)     通過這個(gè)句柄，應(yīng)用程序通過調(diào)用DeviceIoControl API函數(shù)來向USB設(shè)備發(fā)出控制命令，以實(shí)現(xiàn)特定的要求，這個(gè)函數(shù)還可能有相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。

(4)     應(yīng)用程序處理從USB設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)，如果出錯(cuò)，將給出相應(yīng)的警告，如果成功，處理完后關(guān)閉設(shè)備的句柄。

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