將串行應(yīng)用移植到USB接口簡便方法

1、-. z將串行應(yīng)用移植到USB接口的簡便方法 Microchip Technology Inc. Lucio Di Jasio 時間：2008-04-02來源:電子產(chǎn)品世界 瀏覽評論您是否注意過最新款筆記本電腦的端口. 如果注意過，則就會發(fā)現(xiàn)過去的真實端口沒有了。 事實上，最有可能的是原來串口所在位置現(xiàn)在是幾個USB端口。 USB總線的設(shè)計初衷就是要取代PC機上大多數(shù)(如果不是所有的話)傳統(tǒng)端口。 當然，由于有很多支持USB的單片機和接口器件，因此對于嵌入式設(shè)計人員來說，沒有端口并不會帶來障礙。 只要選擇正確的工具和軟件解決方案，則轉(zhuǎn)移到USB可以是非常簡單的事情。硬件補丁解決方案對那些需要為

2、基于串行端口的老工程提出快速解決方案的設(shè)計工程師來說，開場最有吸引力的一種策略是采用一種補丁系統(tǒng)。 這可通過在嵌入式控制器串行接口與PC機USB連接器之間增加一個專用USB-UART轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。 此類器件通常配有支持各種操作系統(tǒng)的定制驅(qū)動程序，可以完全仿真一個標準的串行端口。 這種方法需要重新設(shè)計嵌入式應(yīng)用電路板以騰出空間容納新的元件，但它不用改變固件和PC應(yīng)用程序。 撤除了已證明無用的串行端口接收器，而增加的本錢只有幾美元。兩者根本可以抵消，但這樣做卻失去了采用USB所帶來的大局部好處。 事實上，USB能夠支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，可到達典型串行端口的100倍(12 Mbps與115 kbp

3、s)，繼續(xù)使用UART，實際上會成為設(shè)計的主要瓶頸。 此外，由于大局部USB-UART接口器件缺乏靈活性，無法實現(xiàn)靈活的電源管理，而這在許多嵌入式設(shè)計中是一個關(guān)鍵特性。單芯片解決方案從串行端口轉(zhuǎn)移到USB，更好的硬件選擇是采用單芯片解決方案，即選用具有USB接口的單片機，并開發(fā)驅(qū)動程序(圖2)來模仿串行端口。 從硬件角度來看，單芯片解決方案顯得非常有吸引力：與通用型號相比，帶有USB接口的單片機幾乎不需要增加額外本錢。由于撤除了串行端口接收器，電路板上元件的數(shù)量相應(yīng)減少，同時在低本錢USB連接器與新型兼容USB的單片機的D+/D-引腳間建立直接連接。當通用單片機和兼容USB的單片機引腳互相兼容

4、時，電路板重新設(shè)計的本錢和工作量可以減小到最低。此外，不必再為那些可以使用USB總線5V電源的應(yīng)用配備電源適配器，從而可以進一步降低本錢。軟件界面一旦選擇了單芯片解決方案，我們就需要為應(yīng)用開發(fā)新的PC驅(qū)動程序，甚至可能是新的固件。 幸運的是，軟件開發(fā)人員有多種選擇，可通過重復(fù)使用應(yīng)用界面類的方法來減小開發(fā)工作量。構(gòu)建到現(xiàn)在PC操作系統(tǒng)中的最常見并獲得最好支持的USB接口類可能是所謂的人機接口設(shè)備(通常指HID類)。 所有的PC計算機都需要一些像鍵盤或鼠標這樣的人機接口，這些設(shè)備的連接已經(jīng)從串行或者PS/2端口升級進USB。 其驅(qū)動程序已經(jīng)捆綁在Windows、Linu*和MAC OS的每個拷貝

5、中，所以所有操作系統(tǒng)都可以很好地支持HID。因此，對于那些想從不太復(fù)雜的嵌入式設(shè)備中讀寫少量數(shù)據(jù)的設(shè)計工程師而言，HID是一個非常有吸引力的選擇。 不幸的是，應(yīng)用編程接口(API)沒有什么與端口接口類似。 因此，將API移植到現(xiàn)有系統(tǒng)上更成問題，特別當PC上已經(jīng)有一個復(fù)雜的應(yīng)用軟件的時候。其它像打印機類和海量存儲這樣的標準USB接口類都可以利用來實現(xiàn)與嵌入式設(shè)備進展通訊。 然而，它們也面臨同樣的問題，即陌生的接口以及必須開發(fā)新PC應(yīng)用軟件。驅(qū)動程序開發(fā)需要對操作系統(tǒng)底層有深入的了解。 對Windows PC機來說，這意味著要熟悉Windows驅(qū)動程序模型(WDM)。 如果沒有這方面的專業(yè)知識，

6、則開發(fā)一個可根本工作的驅(qū)動程序原型也需要花費數(shù)月時間。幸運的是，大局部最新版本W(wǎng)indows都有的一個接口類可以幫助我們擺脫困境。 微軟公司原先開發(fā)這個名為USB通訊設(shè)備類(CDC)的目的是用來支持調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用。 例如，開發(fā)人員可以獲得CDC接口的完整源代碼，以進展面向PIC18F4550系列閃存USB 8位單片機的開發(fā)。Microchip公司的CDC接口提供以下有用特性：固件庫的代碼量相對較小，僅3KB；單芯片解決方案；僅占用大約50B的存儲器空間(不包括緩沖區(qū))；最大吞吐量為每秒80 K字節(jié)；完全由USB協(xié)議控制數(shù)據(jù)流量(不需要RS-232 *ON/*OFF和硬件流控)。便捷的固件移植在

7、下面的討論中，我們假設(shè)原先的串行端口代碼是用C語言編寫的，并且使用了可集成UART外設(shè)的公共C語言庫。 給定這些條件后，將固件移植到CDC需要進展如下的修改：在主文件頭部，用相應(yīng)的USB聲明代替針對串行端口的*include聲明；在主函數(shù)中，增加對USB-CDC初始化代碼的調(diào)用；在主函數(shù)中，增加對USB后臺任務(wù)的調(diào)用；驗證應(yīng)用程序代碼，以實現(xiàn)與USB后臺任務(wù)的協(xié)同多任務(wù)處理；最后，為器提供USB-CDC專用庫，生成最終的可執(zhí)行代碼，然后對閃存芯片進展編程。實際上，上述這種情況要求應(yīng)用所調(diào)用的任何功能都不能包含阻塞循環(huán)。 也就是說，任何功能都不能占用100%的處理器時間，也不能阻礙USB后臺任務(wù)

8、的執(zhí)行。 反過來，所有USB專用控制函數(shù)、中斷、標志和緩沖機制都由CDC類固件后臺任務(wù)管理，設(shè)計工程師無需關(guān)注其實現(xiàn)細節(jié)。 設(shè)計工程師所看到的只是一個非常類似于公共串行端口庫的小函數(shù)集。表1給出了局部函數(shù)例子。大多數(shù)讀者立即就可認出這些函數(shù)并將其與通用C語言庫中的函數(shù)對應(yīng)起來。 事實上，puts 和 gets 函數(shù)可以直接用CDC類中對應(yīng)的 putsUSBUSART 和 getsUSBUSART 函數(shù)來替代。 通過其它專用實施函數(shù)還可以支持不同的串類型(空完畢與固定長度緩沖)和存儲類型(RAM還是ROM串表)。 下面給出熟悉的HelloWorld程序利用CDC-USB函數(shù)實現(xiàn)的程序。*incl

9、ude systemusbusb.h *include io_cfg.hvoid main(void) InitializeSystem(); while(1) USBTasks(); / USB Tasks HelloWorld(); / send a message to the world /end while/end main HelloWorld(void) If ( mUSBUSARTIsT*TrfReady() / check if T* buffer empty putrsUSBUSART( Hello World!rn) / send a new te*t string /

10、Hello World聯(lián)機現(xiàn)在可以將應(yīng)用連接到PC上，來看看Windows即插即用技術(shù)的響應(yīng)了。 在對所有USB應(yīng)用都適用的初始枚舉階段(在USB 2.0標準的第9章描述)之后，屏幕上將彈出一個對話框，提醒用戶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個新的硬件設(shè)備，需要為操作系統(tǒng)對其進展配置，以便使用它。 雖然CDC驅(qū)動程序已經(jīng)是操作系統(tǒng)的一局部，但仍然需要更多的信息來幫助將新發(fā)現(xiàn)的設(shè)備與驅(qū)動程序進展綁定。 這會在Windows硬件管理器中創(chuàng)立針對特定端口的屬性頁，以后用戶可以用它卸載或重新配置端口。 在安裝階段，需要一個很小的純文本文件(擴展名為.inf)。需要先用(文本編輯器)準備好，當即插即用向?qū)б髸r提供。.inf

11、舉例如下：; Windows USB CDC ACM Setup File; Copyright (c) 2000 Microsoft Corporation; Copyright (C) 2004 Microchip Technology Inc.Version Signature=$Windows NT$ Class=PortsClassGuid=4D36E978-E325-11CE-BFC1- 08002BE10318 Provider=%MCHP% LayoutFile=layout.infDriverVer=08/17/2001,5.1.2600.0Manufacturer %MFG

12、NAME%=DeviceListDestinationDirs DefaultDestDir=12 SourceDisksFilesSourceDisksNamesDeviceList %DESCRIPTION%=DriverInstall, USBVID _04D8&PID_000A ; ; Windows 2000/*P Sections; DriverInstall.nt CopyFiles=DriverCopyFilesAddReg=DriverInstall.nt.AddReg DriverCopyFilesusbser.sys,0*20DriverInstall.nt.AddReg

13、 HKR,DevLoader,*ntkern HKR,NTMPDriver,usbser.sys HKR,EnumPropPages32,MsPorts.dll, Serial PortPropPageProvider DriverInstall.nt.Services AddService=usbser, 0*00000002, Driver ServiceDriverService DisplayName=%SERVICE% ServiceType=1StartType=3ErrorControl=1ServiceBinary=%12%usbser.sys ; ; String Defin

14、itions; Strings MCHP=Microchip Technology Inc.MFGNAME=Microchip Technology Inc.DESCRIPTION=munications Port SERVICE=USB RS-232 Emulation Driver上面的.inf例子可用作模板進展快速定制。 文件格式非常簡單，大多數(shù)Windows程序員都能快速讀懂。 即使對于不太熟悉的人，也可以很快識別中文件由不同局部組成，每個局部的標題包含在方括號中，在相應(yīng)局部有一或多個由參數(shù)名稱和參數(shù)值組成的正文。 在整個文件中，只能少數(shù)幾個局部需要用戶定制，包括：Device Lis

15、t 局部包括從USB-IF獲得(許可)的公司和應(yīng)用獨有的VID/PID對以及其它信息。Strings局部包含操作系統(tǒng)在即插即用階段在不同的對話框中使用的不同字符串和標識，以及在硬件管理器中標識設(shè)備的字符串和標識。關(guān)于VID和PID盡管設(shè)計師可以任意修改制造商局部和字符串局部的容，但VID和PID代碼的使用是非常嚴肅的。 USB-IF全權(quán)負責為每個希望銷售和生產(chǎn)USB產(chǎn)品的制造商分配一個16位唯一VID代碼。 VID代碼通過許可協(xié)議獲得，并需要支付一次性注冊費用。一旦分配了VID代碼，制造商就可以利用65,536 (16位) PID代碼來唯一地標識其不同型號的產(chǎn)品。 換句話說，VID代碼是終生有

16、效的，因此很容易攤平初始的VID許可和注冊本錢。 當然，對于純粹開發(fā)目的，并不需要完成整個許可過程，因為不同的制造商通常都提供開發(fā)用VID/PID代碼對。 為進一步鼓勵小型企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)、咨詢企業(yè)以及其它非常小批量生產(chǎn)企業(yè)，有些單片機生產(chǎn)商還提供獲得單個VID/PID對的選擇(免費)。擁有端口如果一切順利，此時即插即用已經(jīng)完成了安裝過程，一個新的串行設(shè)備就會出現(xiàn)在硬件管理器中。 系統(tǒng)會自動使用下一個可用的端口號為它指定一個名稱(例如，已經(jīng)安裝了2和1，就會出現(xiàn)3)。 用戶可以使用已經(jīng)編寫好用來實際*端口的程序來這個端口(如所有Windows軟件中的超級終端程序)。 連接好后，除了通訊速度提高了，功能上沒有什么區(qū)別。與PC上最快的串行端口相比，通信速度提高了一到兩個數(shù)量級。 Visual Basic或C+程序可通過標準的Windows OpenFi