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日志

USB固件编程

已有 638 次阅读2014-7-2 09:48 |个人分类:USB应用| USB, 固件, 编程

USB固件编程之一:固件编程的工作内容
USB固件编程可以用以下语句来精练地进行描述:

Device的固件编程,要搞定的是那几个端点。端点多少和配置情况受所用的Device芯片
决定,具体可以看芯片资料。芯片一般提供一个中断信号,与单片机接口时,只要端点
接受到数据,或发送数据成功后,便后产生中断,在固件里面,只要对些中断进行响应
即可。

当Device接收到数据时,对这些数据进行分析处理(端点0遵守标准的数据格式,其他端
点受端点类型的不同,有不同的数据格式),一般来说,这些数据是主机对设备发出的
请求,设备只要响应主机的这些请求即可。Device芯片发送完数据后也会产生中断,这
个中断信号告诉与之接口的单片机,可以继续发送后续的数据。

USB固件,好比一个有“妻管炎”的男人,而主机,则好是一个女管家。一般来说,主机
让干啥就干啥,所以,USB固件程序的结构一般是基于中断处理的。平时,主程序做完必
要的初始化工作后,就什么事也不做了,等待USB中断的产生,中断产生后,根据中断状
态对相应的端点读取数据,或是向相应的端点发送数据。这一点是USB通讯协议的主-从
模式先天决定的。但让人不可思议的是,这还有点象是母系氏族时期,因为,一个USB总
线上,只能有一个主机,可以有多个设备,整个USB总线上通讯的协议和处理,发起与中
止,基本上是主机控制的。因此,固件编程中,只要满足了主机的要求,就万事大吉了
,可以确保自己的氏族中的应有地位
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U盘固件编程之二:固件编程的几个主要部分

在整个U盘固件中,程序从功能模块上分成两个部分:USB协议的处理和对Flash的读写.

USB协议的处理又分成两个方面.
一是端点0的配置过程.所有USB设备在插入USB端口时,主机都通过地址0与设备的端口0
进行通讯。在这个过程中,主机发出一系列得到描述符的请求,通过这些请求,主机得到所
有感兴趣的设备的描述符,从而知道设备的情况,然后通过Set Address为设备设置一个唯
一的地址,配置过程完成以后,主机就通过为设备所设定的地址与设备通讯,而不再是使用
默认地址0.配置地址后,可能还要获取一次描述符,然后设置配置(Set Configuration),
之后便完成了对新插入USB总线的设备的配置过程。

二是其他端点的数据通讯过程。在配置阶段中,主机已经知道了设备的端点的使用情况
,以后,便可以通过这些端点来进行特定传输方式的通讯了。对于U盘来说,有两种传输
方式,BULK ONLY和CBI方式,一般使用Bulk Only较多。这种传输方式要使用特定的Bul
k端点,然后还要为其选择一种命令集。比如UFI或SCSI,因为Bulk端点的数据没有特定
的数据格式,因此,需要使用某种命令集,来约定所传数据的格式。对于U盘固件编程来
讲,就是要处理BULK端点的各种数据通讯。

除了对各个相关的端点的USB协议的处理,剩下的就是FLASH的读写问题。这里存在两个
层面的问题。
一是解决Flash读写的问题,就是说你使用的Flash,先要实现成功的读写和擦除,这部
分内容,是比较成熟的,一般都使用三星公司出的K9FXX08系列的,有16M(2808),32
M(5608),64M(1208),138M(1G08)。它们的封装一致,只需要软件编程中稍做修
改,便可以进行适应于另一种容量的存储器。

第二个层面的问题,就是在U盘通讯过程中的问题了。NAND型的Flash有个特点,不可随
机存取,擦除操作一次对16K的内容进行。所以,在U盘响应过程中,不可避免要对数据
进行缓存。如果你的U盘方案中有较宽裕的RAM(超过16K),这个问题变得简单,只需要
开一个16K的数组,把数据存到这16K中,最后再写入Flash即可。否则,在缓冲上面是要
花一些功夫的。最基本的思路是用Flash的另外一个Block做缓冲空间。

但这种方式会引发下列问题:1、速度;2、Flash的那个用来做缓存的块将比别的块使用
频度大幅上升,磨损最严重,最先坏,这影响整个Flash的寿命。在实际处理中,引入了
一系列的折中方案,比如,对Write命令所写的Block号进行判断,如果是整个的数据Bl
ock,则直接擦除原有内容,将数据写入。再如,对于非整个Block的数据进行缓冲,而
对于整个Block的读写,不缓冲直接写入。再就是对于前面文件分配表、目录项所在的B
lock进行缓冲,等等。经过这些处理,可以尽可能地提高Write的速度。

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U盘固件编程之三:合理的USB通讯调试方法和思路是成功的关键

在介绍更多细节内容之前,我不得不谈谈我对USB调试方法的理解。

USB通讯过程是一个动态的过程,是不太好使用硬件仿真器来设断点调试的,因为每一次
USB的传输过程,都有时效要求,等待时间过长,通讯过程也就中止了。但也不排除可以
巧妙地使用断点仿真的方法进行调试。但个人认为,使用串口辅助编程过程,却是一种
经济有效的方法。

所谓用串口辅助调试过程,也就是在固件代码中加入类似于Printf的语句,向串口输出
一些信息。这些信息可以是几个字符(如A、B、C),或是某个变量或寄存器的值。程序
运行到此处时,便会输出这些信息,借此,便可以知道:1、程序是否运行到此处;2、
运行到此处时相应变量或寄存器值。这不就是硬件仿真调试的功能么?

如果想使用这种方式来调试,在硬件上必须增加一个RS232串口电平转换芯片,而且所使
用的MCU得要有串口,并且,一般要自己编写Printf函数的实现方式。这个翻翻串口控制
方面的书籍,很容易就可以搞定。

串口调试的方法,还可以推广到其他的单片机应用中,在简单系统中,它基本可以替代
掉硬件仿真器,降低开发者的门槛和投资。

在USB通讯过程中,有两个阶段,一是通过端点0完成对设备的配置,在此阶段,把从US
B端点得到的数据输出到串口,就对通讯所处的阶段一目了然了。一旦完成配置阶段,B
us Hound便可以粉墨登场了,因为此时,Bus Hound中已经可以看到设备了,看到设备后
,便可以选择设备,对主机与此设备间的通讯数据进行分析和监视。

串口调试和Bus Hound这两种手段配合使用,可以使USB通讯过程的调试更加容易。比如
,刚开始时,端点0的数据量本来就少,因此,使用串口调试比较方便。而对于Bulk端点
的数据传送过程,再使用串口就不太方便了,因为数据量大,串口输出的数据太多,延
时会比较严重,影响USB通讯过程,所以改用BUS HOUND来监视USB总线上的数据。这个时
候很有趣的一件事情是,Bus Hound在PC机上,而串口实际上在单片机端。所以,利用这
两种手段,里应外合,有助于我们确定一方发时另一方收的数据是否正确。比如,单片
机上发出的一组数,将其输出到串口,然后看看Bus Hound上是否收到的是这些数,如果
正确,则说明硬件通讯过程没有问题,如果不正确,则说明通讯的某一方有问题,进一
步可以定位此问题,排除之。

正确的调试思路,将使调试过程事半功倍。

比如,在调试端点0 的配置过程时,可以先用Switch...Case语句建立对于端点0的数据
的分支响应,对照标准请求的数据格式,可以得到什么情况下是Get Device Descripto
r,什么时候是Get Configuration Descriptor,每个分支处理时对应一个函数,在这个
函数里向串口标志信息。这个工作完成以后,便一个一个地来处理请求,处理完一个后
,主机会自动进入下一个阶段,这时,通过串口可以看到相应的状态,按步就班地一个
一个处理余下的请求,即可完成端点0的设备配置过程的固件程序的编写。

对于Bulk端点也是一样,先建立程序框架,然后再一个一个地处理请求。这种自上而下
,逐步求精的思路并不稀奇,在USB调试过程中十分受用。最忌一上来就处理请求,不讲
求结构,不讲求代码的条理性,最后可能弄得自己都是一头雾水
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U盘固件编程之四:玩转你的端点

接上面hewx,我来谈谈端点的问题。

前面提到过,端点是由USB设备端的接口芯片决定的。你选择了什么样的芯片,那么端点
的配置情况属性就已经决定了,你只能使用将就这些特定的情况。这些端点的配置,具
体要参考你所使用的接口芯片的芯片资料,比如说,端点0当然都为控制端点,其MaxPa
cketSize可能为8,16,32,64;端点1可能是Bulk-In端点,2是Bulk-Out端点,其字
长也有可能是8,16,32,64,但一般是64。其他端点可能有同步端点,或者同一端点既
可被配置成同步传输方式,也可以工作在Bulk传输方式下,等等,不一而足。

USB协议精妙之处就在于枚举过程。主机最初发过来的包,一定是8个字符长的。所以,
你的端点的MaxPacketSize至少必须是8,能满足与主机之间最基本的通讯过程。对于主
机的第一个请求Get Device Descriptor,你也只用回复8个字符就OK了,因为主机在第
一次只对这8个字符感兴趣,在后面逐渐的获取描述符的过程中,主机逐渐得到设备使用
那些端点,每个端点的最大字长(这些内容在Endpoint Descriptor中,通过Configura
tion Descriptor提供)是多少,等等,总之,通过枚举,主机便知道你的端点的情况了
,以后就会用这些端点来与设备进行通讯。

对于Hewx的问题,我想是你在Endpoint Descriptor中没有正确进行端点的设置,因为,
如果进行了正确的端点配置,主机是会自动通过Bulk端点来发Inquiry命令的,而不会从
你说的Endpoint1(16B)来发送这一信息。而且,主机会自动对要发送的信息进行分割
,每次以不高于相应端点的MaxPacketSize长度来发送。

除了描述符中要给出正确的端点描述符的描述,有些时候在芯片中也需要设备相应的控
制位,在决定你要使用哪些及如何使用这些端点,这个也得根据具体的芯片资料来设置
。
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U盘固件编程之四:玩转你的端点(增补)

对于某种设备来说,需要使用到的端点是固定的。比如说,Mass Storage设备吧,就只
需要用到一个Bulk-In端点和一个Bulk-Out端点。而不需要几个此类端点。至于到底需
要几个端点,完全需要根据有关协议中的说明进行,描述符也据此进行提供,而不是没
有根据地在描述符中提供许多端点。

至于哪些端点可以做何种方式来使用,这也要看接口芯片的资料,比如,很可能,有的
端点只能用作同步方式,那你就不要勉强将其用作批量方式,控制端点就只能用作控制
传输方式,就不能为同步方式......搞清楚这个概念,在固件编程中才好正确地提供描
述符。

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