基于DSP的PDIUSBD12芯片系統的應用開(kāi)發(fā)

一 PDIUSBD12芯片介紹

進(jìn)行USB開(kāi)發(fā)之前要根據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(zhuān)為USB設計的芯片，這類(lèi)芯片的主要來(lái)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應用設備而特別設計的，而不是在舊的結構上改造出來(lái)的，因而其功能的實(shí)現能夠達到最佳化，但是開(kāi)發(fā)起來(lái)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(kāi)發(fā)者已經(jīng)熟悉現有芯片的結構和指令集，開(kāi)發(fā)起來(lái)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(lèi)芯片只負責處理USB通信，它要和另一塊單片機芯片一起工作。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構有很大的靈活性，便于發(fā)揮單片機的優(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DSP的熟悉的優(yōu)勢，加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，同時(shí)還能提高系統的可擴展性，便于選擇高性能的單片機。本芯片只支持USB1.1協(xié)議，對于速度要求高的系統可采用后文提到的支持USB2.0協(xié)議的信號轉換板。

基于USB1.1的Philip公司的PDIUSBD12芯片結構比較簡(jiǎn)單，它必須單片機配合才能完成USB通信功能。單片機以讀寫(xiě)外部存儲器的方式執行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(shuō)明如圖1：

圖1 PDIUSBD12的管腳圖

二 USB-PC104轉換板設計

由于嵌入式主板價(jià)格昂貴，而在很多應用場(chǎng)合可以用一個(gè)成本低的USB外設替代。這里的USB外設意指嵌入式系統本身不能獨立運行，需要PC機的軟硬件支持。這樣的嵌入式系統最先要解決的問(wèn)題是開(kāi)發(fā)一塊USB-PC104信號轉換板來(lái)替代嵌入式主板。需要轉換USB總線(xiàn)與PC104總線(xiàn)的信號的原因在于這樣可以讓系統既擁有USB設備的優(yōu)點(diǎn)又有PC104總線(xiàn)設備的高可靠性。采用DSP芯片可以提高系統的速度達到和嵌入式主板總線(xiàn)的要求。

1 硬件設計

硬件設計的主要框圖如圖2所示：

圖2 轉換板硬件主體框圖

它的主要工作原理是：從主機的應用程序發(fā)出的訪(fǎng)問(wèn)PC-104總線(xiàn)設備的命令，經(jīng)過(guò)底層的USB驅動(dòng)程序將其轉換為相應的USB設備標準要求送到USB接口芯片PDIUSBD12(以下簡(jiǎn)稱(chēng)D12)，運行于DSP的固件程序接收到這個(gè)要求，就會(huì )向PC104總線(xiàn)執行相應的命令，從而達到控制PC-104總線(xiàn)硬件的目的。

2 固件程序的開(kāi)發(fā)

固件程序運行在USB外圍設備的單片機中，由它響應主機發(fā)送過(guò)來(lái)的USB的各種要求和數據傳輸。固件的組成主要有兩大部分，ISR(中斷程序)和主程序。中斷程序運行在后臺，負責USB芯片與單片機MPU的USB要求中斷響應與數據傳輸，中斷程序接收到主機發(fā)送來(lái)的USB要求和數據后就將它轉送給主程序并設置相應的標志位。主程序運行在前臺，它根據中斷程序傳給它的數據及標志位而進(jìn)行實(shí)際的硬件動(dòng)作。后臺ISR中斷服務(wù)程序和前臺主程序循環(huán)之間的數據交換通過(guò)事件標志和數據緩沖區來(lái)實(shí)現的。例如PDIUSBD12的批量輸出端點(diǎn)可使用循環(huán)的數據緩沖區，當PDIUSBD12 從USB收到一個(gè)數據包那么就對MPU 產(chǎn)生一個(gè)中斷請求，MPU立即響應中斷。在ISR中固件將數據包從PDIUSBD12內部緩沖區移到循環(huán)數據緩沖區并且隨后清空PDIUSBD12的內部緩沖區以使能接收新的數據包。MPU可以繼續它當前的前臺任務(wù)，直到完成任務(wù)后返回到主循環(huán)。同時(shí)檢查循環(huán)緩沖區內是否有新的數據并開(kāi)始其它的前臺任務(wù)編寫(xiě)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 驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

由于現代操作系統對內存、端口等資源均采取了保護措施。一般的應用程序不能夠直接訪(fǎng)問(wèn)硬件，必須通過(guò)設備的驅動(dòng)程序。設備驅動(dòng)程序直接和硬件打交道的，并且運行于操作系統核心態(tài)，它像操作系統內核一樣具有最高的運行權限，所以它可以直接訪(fǎng)問(wèn)硬件。

USB設備必須使用WDM（Win32 Driver Model）驅動(dòng)程序模型，它是Microsoft公司定義的WIN32驅動(dòng)程序模型。WDM是操作系統發(fā)展到現在的一種新型驅動(dòng)程序模型，現在已經(jīng)成為Windows操作系統驅動(dòng)程序的主流。

在Windows系統下，和應用程序打交道主要有五層模型：硬件層、硬件抽象層、驅動(dòng)程序、IO管理層和用戶(hù)運用程序。從用戶(hù)應用程序發(fā)出的請求一層一層地往下發(fā)送。USB的驅動(dòng)程序還分為客戶(hù)驅動(dòng)程序、根集線(xiàn)器驅動(dòng)程序和總線(xiàn)驅動(dòng)程序。用戶(hù)主要開(kāi)發(fā)客戶(hù)驅動(dòng)程序即可，蓁其余更底層的操作系統已經(jīng)為用戶(hù)準備好?？蛻?hù)驅動(dòng)程序由一系列的例程(也即一般程序的函數)組成，它沒(méi)有main()函數入口點(diǎn)。因此，USB設備和驅動(dòng)程序打交道必須由操作系統的IO管理層參與，它使用了一種全局量叫作IO請求包即IRP。主要工作原理如下：

(1)開(kāi)始時(shí)用戶(hù)應用程序向驅動(dòng)程序發(fā)出請求(Windows API函數)，并將相關(guān)的數據打包成IRP，IO管理器捕獲這個(gè)IRP包并進(jìn)行相應的處理。
(2)IO管理器向客戶(hù)驅動(dòng)程序發(fā)送IRP請求包，請求客戶(hù)驅動(dòng)程序進(jìn)行相應的處理。
(3)客戶(hù)驅動(dòng)程序處理完接收到的IRP，設好相關(guān)環(huán)境后將之傳給更底層的驅動(dòng)程序，最后由總線(xiàn)驅動(dòng)程序完成對硬件的操作，并將結果返回。

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

4 用戶(hù)應用程序

應用程序是實(shí)現硬件功能的全部體現。但應用程序不能直接訪(fǎng)問(wèn)USB設備，它必須先與驅動(dòng)程序通信，通過(guò)驅動(dòng)程序來(lái)訪(fǎng)問(wèn)USB設備。它的工作是向硬件發(fā)送數據或命令，這些數據和命令由驅動(dòng)程序經(jīng)過(guò)層層處理，最后發(fā)送到硬件實(shí)現相關(guān)的動(dòng)作。應用程序與驅動(dòng)程序打交道主要是通過(guò)操作系統的API函數。

其工作原理如下：

(1)應用程序通過(guò)調用CreateFile API函數取得USB設備的句柄。該符號鏈接包含一個(gè)全域惟一標識符（globally unique identifier,GUID）。GUID是一個(gè)128位的號碼，Windows用來(lái)惟一識別一個(gè)設備對象。
(2)通過(guò)這個(gè)句柄，應用程序通過(guò)調用ReadFile和WriteFile API函數來(lái)讀寫(xiě)USB設備，將數據返回到用戶(hù)緩沖區。
(3)通過(guò)這個(gè)句柄，應用程序通過(guò)調用DeviceIoControl API函數來(lái)向USB設備發(fā)出控制命令，以實(shí)現特定的要求，這個(gè)函數還可能有相應的數據傳輸。
(4)應用程序處理從USB設備接收到的數據，如果出錯，將給出相應的警告，如果成功，處理完后關(guān)閉設備的句柄。