嵌入式系統的USB虛擬串口設計

現代嵌入式系統中，異步串行通信接口往往作為標準外設出現在單片機和嵌入式系統中。但是隨著(zhù)個(gè)人計算機通用外圍設備越來(lái)越少地使用串口，串口正在逐漸從個(gè)人計算機特別是便攜式電腦上消失。于是嵌入式開(kāi)發(fā)人員常常發(fā)現自己新買(mǎi)來(lái)的計算機上沒(méi)有串口，或者出現調試現場(chǎng)用戶(hù)的計算機沒(méi)有串口的尷尬局面。相反，現在的個(gè)人計算機普遍擁有4個(gè)以上的USB接口，能不能使用USB接口代替串口，完成PC機和嵌入式系統的通信呢？

1 USB虛擬串口代替物理串口的可行性

　　首先，越來(lái)越多帶USB接口的器件涌現出來(lái)，如帶USB接口的單片機，或獨立的USB接口器件，而且這些器件的成本已經(jīng)很接近于使用RS232電平轉換芯片所帶來(lái)的成本。

　　其次，市場(chǎng)上也出現了一些USB接口轉串口的芯片，這些芯片一頭為串口，另一頭為USB接口，在其內部完成串口到USB協(xié)議的轉換。該芯片通過(guò)USB口連接到個(gè)人計算機后，在操作系統中表現為一個(gè)串口設備，這意味著(zhù)USB接口對于傳統的串口調試工具（HyperTerninal）和用戶(hù)基于串口的應用程序是透明的，開(kāi)發(fā)人員完全不用更改PC端的調試和應用程序。

　　但是這些器件的USB類(lèi)不屬于標準的USB設備類(lèi)，因此需要在Windows和Linux操作系統上安裝額外的設備驅動(dòng)。另外，由于不是操作系統自帶的設備驅動(dòng)，而且通信經(jīng)過(guò)了由串口到串口，USB從設備到USB主機的多次轉換，當調試遇到問(wèn)題時(shí)常常無(wú)法確定是串口出了問(wèn)題還是USB出了問(wèn)題。因此，應該使嵌入式系統直接和PC通過(guò)USB總線(xiàn)接口連接（通過(guò)片上的USB接口或片外USB接口芯片），由單片機直接完成USB虛擬串口的協(xié)議轉換。

　　在USB標準子類(lèi)中，有一類(lèi)稱(chēng)之為CDC類(lèi)，可以實(shí)現虛擬串口通信的協(xié)議，而且由于大部分的操作系統（Windows和Linux）都帶有支持CDC類(lèi)的設備驅動(dòng)程序，可以自動(dòng)識別CDC類(lèi)的設備，這樣不僅免去了寫(xiě)專(zhuān)用設備驅動(dòng)的負擔，同時(shí)簡(jiǎn)化了設備驅動(dòng)的安裝。

2 什么是CDC類(lèi)

　　USB的CDC類(lèi)是USB通信設備類(lèi)（Communication Device Class）的簡(jiǎn)稱(chēng)。CDC類(lèi)是USB組織定義的一類(lèi)專(zhuān)門(mén)給各種通信設備（電信通信設備和中速網(wǎng)絡(luò )通信設備）使用的USB子類(lèi)。根據CDC類(lèi)所針對通信設備的不同，CDC類(lèi)又被分成以下不同的模型：USB傳統純電話(huà)業(yè)務(wù)（POTS）模型，USB ISDN模型和USB網(wǎng)絡(luò )模型。其中，USB傳統純電話(huà)業(yè)務(wù)模型，有可分為直接線(xiàn)控制模型（Direct Line Control Model）、抽象控制模型（Abstract Control Model）和USB電話(huà)模型（USB Telephone Model），如圖1所示。本文所討論的虛擬串口就屬于USB傳統純電話(huà)業(yè)務(wù)模型下的抽象控制模型。

通常一個(gè)CDC類(lèi)又由兩個(gè)接口子類(lèi)組成通信接口類(lèi)（Communication Interface Class）和數據接口類(lèi)(Data Interface Class)。筆者主要通過(guò)通信接口類(lèi)對設備進(jìn)行管理和控制，而通過(guò)數據接口類(lèi)傳送數據。這兩個(gè)接口子類(lèi)占有不同數量和類(lèi)型的終端點(diǎn)（Endpoints），如圖2所示。對于前面所述的不同CDC類(lèi)模型，其所對應的接口的終端點(diǎn)需求也是不同的。如所需要討論的抽象控制模型對終端點(diǎn)的需求，通信接口類(lèi)需要一個(gè)控制終端點(diǎn)（Control Endpoint）和一個(gè)可選的中斷（Interrupt）型終端點(diǎn)，數據接口子類(lèi)需要一個(gè)方向為輸入（IN）的周期性（Isochronous）型終端點(diǎn)和一個(gè)方向為輸出（OUT）的周期性型終端點(diǎn)。其中控制終端點(diǎn)主要用于USB設備的枚舉和虛擬串口的波特率和數據類(lèi)型（數據位數、停止位和起始位）設置的通信。輸出方向的非同步終端點(diǎn)用于主機（Host）向從設備（Slave）發(fā)送數據，相當于傳統物理串口中的TXD線(xiàn)（如果從單片機的角度看），輸入方向的非同步終端點(diǎn)用于從設備向主機發(fā)送數據，相當于傳統物理串口中的RXD線(xiàn)。

3 AT89C5131的簡(jiǎn)單介紹

　　基于單片機的嵌入式系統要實(shí)現USB總線(xiàn)通信，通常都是通過(guò)外擴專(zhuān)用的USB總線(xiàn)接口芯片（如飛利浦的D12）。但是這樣的方案既增加了成本，又使PCB板的面積變大，所以使用Atmel公司的集成了USB2.0全速（Full Speed）從接口外設的51單片機AT89C5131。

　　AT89C5131是一個(gè)基于52內核的單片機。在存儲器方面，其內部集成了32KB的Flash存儲器用于代碼的存儲，1KB的EEPROM存儲器用于用戶(hù)數據的存儲，用戶(hù)可以使用片上的Bootloader或Flash API通過(guò)USB接口或者其他接口（如UART和I2C總線(xiàn)）對Flash存儲器和EEPROM存儲器進(jìn)行ISP或者IAP編程。 此外AT89C5131還集成了10位的ADC、I2C總線(xiàn)接口和PCA模塊等豐富的外設。

　　AT89C5131的USB2.0全速從接口的結構如圖3所示，其包括USB D+/D-的接口緩沖，數字鎖相環(huán)，串行接口引擎（SIE）和通用功能接口（UFI）。其中數字鎖相環(huán)以單片機的時(shí)鐘為輸入，產(chǎn)生了USB接口其他部分所需的48MHz時(shí)鐘。串行接口引擎完成USB通信物理層NRZI碼的編碼與解碼，CRC生成以及校驗與糾錯。通用功能接口包含了一個(gè)雙端口的數據存儲器，其一端與串行接口引擎鏈接，另一端通過(guò)數據總線(xiàn)與單片機相連接，使單片機可以通過(guò)特殊功能寄存器完成對USB2.0從接口的控制與通信。

AT89C5131的USB2.0全速從接口包含了7個(gè)終端點(diǎn)，其中0號終端點(diǎn)被配置成為默認的控制終端點(diǎn)。其他1～6號終端點(diǎn)都可以通過(guò)特殊寄存器配置為控制（Control），突發(fā)（Bulk），中斷（Interrupt）和周期性（Isochronous）模式。由于每一個(gè)終端點(diǎn)都由一組獨立的寄存器對該終端點(diǎn)進(jìn)行控制、狀態(tài)識別和數據的存取，則如果將這些寄存器直接映射到51單片機的特殊功能寄存器地址空間顯然是容納不下的。因此，這7個(gè)終端點(diǎn)的7組寄存器在單片機的地址空間中其實(shí)使用的是同一組寄存器的地址，而通過(guò)一個(gè)特殊功能寄存器（UEPNUM）來(lái)選擇當前該組寄存器實(shí)際選擇的是哪個(gè)終端點(diǎn)的寄存器組，這樣就大大節省了所占用的地址空間，為集成其他特殊外設提供了可能。