USB固件编程学习 - 全文

 

　　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

　　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Bulk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)，32M(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Block，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Block进行缓冲，等等。经过这些处理，可以尽可能地提高Write的速度。

　　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USB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，Bus 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 Descriptor，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

　　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MaxPacketSize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Configuration 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。

　　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。