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EZ-USB接口設(shè)備的軟配置技術(shù)
摘要：介紹EZ-USB器件的基本特性和EZ-USB接口設(shè)備的開發(fā)方法，結(jié)合具體設(shè)計(jì)示例重點(diǎn)討論EZ-USB接口設(shè)備的軟配置方式和固件裝載技術(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(jìn)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(diǎn)，是設(shè)計(jì)USB設(shè)備的首選器件。EZ-USB的串行接口引擎能自動(dòng)完成主要USB協(xié)議處理，簡化了設(shè)備固件設(shè)計(jì)。但其軟配置與枚舉涉及到Windows編程、WindowsPnP技術(shù)以及WindowsDDK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。
1EZ-USB處理器
EZ-USB的串行接口引擎能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)收發(fā)控制、位填充、數(shù)據(jù)編碼、CRC校驗(yàn)、PID包解碼等USB協(xié)議處理。EZ-USB在連接時(shí)自動(dòng)進(jìn)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(jìn)行了改進(jìn)。以AN2131QC為例，主要有以下改進(jìn)方面：
◇獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，總線周期為4個(gè)時(shí)鐘，平均運(yùn)行速度提高了近3倍；
◇雙數(shù)據(jù)指針和自動(dòng)指針提高了數(shù)據(jù)交換效率；
◇擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)支持13個(gè)中斷源，并支持自動(dòng)中斷向量；
◇1個(gè)I2C接口以及2個(gè)UART接口，24個(gè)可配置I/O端口；
◇可變周期的MOVX指令可以適合高低速存儲(chǔ)器芯片的接口；
◇3個(gè)16位內(nèi)置定時(shí)/計(jì)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)。
2EZ-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(jī)連接時(shí)，固件從主機(jī)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(diǎn)、工作方式、設(shè)備功能等都可以通過改變固件進(jìn)行再配置，達(dá)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(shí)現(xiàn)：自動(dòng)配置和命令配置。
自動(dòng)配置是指當(dāng)設(shè)備連接時(shí)，固件由專門的裝載驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)裝載到設(shè)備。這種方式下固件要捆綁在裝載驅(qū)動(dòng)程序之中，固件與裝載驅(qū)動(dòng)程序之間一一對應(yīng)，固件修改時(shí)要重新生成并重新安裝裝載驅(qū)動(dòng)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(jī)會(huì)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(dòng)程序，可在任何時(shí)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(jī)請求，可以簡化固件設(shè)計(jì)。采用命令配置方式時(shí)，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IntelHex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)；
�、輰Z-USB外設(shè)接口和交替功能進(jìn)行設(shè)置。
3EZ-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(jī)在設(shè)備枚舉時(shí)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(dòng)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(jī)請求分析處理和數(shù)據(jù)交換處理功能。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序。用戶也可以用相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具自己定制。自己定制的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要求符合WDM驅(qū)動(dòng)程序規(guī)范。若采用自動(dòng)配置方式，EZ-USB開發(fā)系統(tǒng)提供了裝載驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)程序上，指定存放驅(qū)動(dòng)程序的路徑，提供有關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的注冊和顯示信息。因此，Windows檢測到EZ-USB設(shè)備連接時(shí)，能根據(jù)注冊表自動(dòng)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序裝入系統(tǒng)環(huán)境。
4設(shè)計(jì)舉例
作者利用AN2131QC開發(fā)了一個(gè)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(dòng)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(jì)
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(shí)，主機(jī)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�。�0x40。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(diǎn)數(shù)：0x02端點(diǎn)描述符表0端點(diǎn)地址：0x82(端點(diǎn)2，輸入)。端點(diǎn)類型：BULK。最大包長度：0x0040端點(diǎn)描述符表1端點(diǎn)地址：0x02（端點(diǎn)2，輸出）。端點(diǎn)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(dòng)和固件裝載演示。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固件設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)值得注意。
①采用ezusb.sys通用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，主機(jī)要用查詢方式接收從設(shè)備來的數(shù)據(jù)。若主機(jī)接收不到設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)長時(shí)間等待，甚至?xí)罊C(jī)。在本文的設(shè)計(jì)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(jī)每次下傳一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，設(shè)備就上傳一個(gè)數(shù)據(jù)包。此時(shí)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(gè)空包。
�、诔跏蓟瘯r(shí)應(yīng)清空一次相應(yīng)的端點(diǎn)緩沖區(qū)，否則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)第一次傳輸出錯(cuò)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(shí)。在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備掉電相當(dāng)長一段時(shí)間，EZ-USB的RAM中數(shù)據(jù)仍然保持。
4.2生成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
可以直接用廠家提供的通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來驅(qū)動(dòng)設(shè)備。但通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(jìn)行擴(kuò)充，重新用WDMDDK生成驅(qū)動(dòng)程序。通用模塊中采用了通用驅(qū)動(dòng)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(shí)時(shí)性較好，能滿足一般設(shè)備要求。
4.3生成裝載驅(qū)動(dòng)程序
采用自動(dòng)配置方式時(shí)，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(dòng)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(gè)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(yùn)行固件。裝載固件前要使EZ-USB8051內(nèi)核進(jìn)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(yùn)行固件。三種操作共用一個(gè)函數(shù)，用傳遞不同的參數(shù)進(jìn)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(dòng)程序
驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序，使重枚舉后設(shè)備的VID和PID綁定到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序的路徑為C:，設(shè)置顯示的驅(qū)動(dòng)程序字符串信息。重新啟動(dòng)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(jìn)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(qiáng)測量系統(tǒng)和精密數(shù)控雕刻機(jī)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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