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EZ-USB接口設備的軟配置技術
摘要：介紹EZ-USB器件的基本特性和EZ-USB接口設備的開發方法，結合具體設計示例重點討論EZ-USB接口設備的軟配置方式和固件裝載技術。關鍵詞：EZ-USB軟配置固件裝載
引言
EZ-USB是Cypress公司帶智能內核的USB接口器件，集USB通信控制引擎和改進的8051內核于一體，具有全速度、全序列、易開發及軟配置等特點，是設計USB設備的首選器件。EZ-USB的串行接口引擎能自動完成主要USB協議處理，簡化了設備固件設計。但其軟配置與枚舉涉及到Windows編程、WindowsPnP技術以及WindowsDDK工具、INF文件和注冊表的使用等問題，因此EZ-USB接口設備的軟配置方式和固件裝載技術是開發EZ-USB接口設備的關鍵問題。
1EZ-USB處理器
EZ-USB的串行接口引擎能自動完成數據收發控制、位填充、數據編碼、CRC校驗、PID包解碼等USB協議處理。EZ-USB在連接時自動進行枚舉，建立默認的EZ-USB設備。首次枚舉成功后，還可以通過軟配置由8051內核重新枚舉建立用戶定制的設備。
內置的8051處理器，相對標準的8051處理器進行了改進。以AN2131QC為例，主要有以下改進方面：
◇獨立的地址總線和數據總線，總線周期為4個時鐘，平均運行速度提高了近3倍；
◇雙數據指針和自動指針提高了數據交換效率；
◇擴展的中斷系統支持13個中斷源，并支持自動中斷向量；
◇1個I2C接口以及2個UART接口，24個可配置I/O端口；
◇可變周期的MOVX指令可以適合高低速存儲器芯片的接口；
◇3個16位內置定時/計數器、256字節內部寄存器RAM；
◇芯片內部集成有8KB外部RAM，8051內核要用MOVX指令訪問此RAM區。
2EZ-USB軟配置特性
2.1軟配置特性
軟配置特性是EZ-USB最重要的特性。軟配置特性允許設備無限制的升級或再配置。EZ-USB片內集成的外部RAM可用于裝載固件。當設備與主機連接時，固件從主機裝載到這里執行，而不是固化在ROM中。因此，裝載不同的固件設備就呈現出不同的特性，如設備配置、有效端點、工作方式、設備功能等都可以通過改變固件進行再配置，達到軟配置目的，這就是EZ-USB的軟配置特性。
2.2配置方式
軟配置可采用兩種方式實現：自動配置和命令配置。
自動配置是指當設備連接時，固件由專門的裝載驅動程序自動裝載到設備。這種方式下固件要捆綁在裝載驅動程序之中，固件與裝載驅動程序之間一一對應，固件修改時要重新生成并重新安裝裝載驅動程序，固件裝載后要重新枚舉，以建立定制的USB設備，如果不重新枚舉主機會找不到設備。
命令配置是指在應用程序中通過命令操作將固件裝載到設備。這種方式不需要專用的裝載驅動程序，可在任何時刻裝載任意固件。固件裝載后可以不用重枚舉操作，由EZ-USB內核響應主機請求，可以簡化固件設計。采用命令配置方式時，在應用程序中要編寫固件裝載代碼。固件裝載代碼主要完成下列操作：
◇從IntelHex格式文件中提取出有效的固件代碼；
◇向EZ-USB請求復位8051內核；
◇向EZ-USB請求固件下載，固件下傳至EZ-USB的內部RAM；
◇向EZ-USB請求8051內核脫離復位狀態；
⑤對EZ-USB外設接口和交替功能進行設置。
3EZ-USB接口設備開發方法
USB設備開發的一般步驟和內容如圖1所示。其中面向設備的固件主要包括設備描述符信息、設備功能代碼和通信控制功能代碼。設備描述信息描述USB設備的一般特性和配置，如設備類別、接口配置、VID和PID等。主機在設備枚舉時要獲取USB設備的描述符，從而獲得設備的配置信息和相關驅動信息。用戶可以通過修改固件中的描述符來改變設備的特性。設備功能代碼由設備的功能需求決定。通信控制功能代碼執行主機請求分析處理和數據交換處理功能。
設備驅動程序提供用戶訪問設備的接口。開發系統提供廠家的通用設備驅動程序。用戶也可以用相關驅動程序開發工具自己定制。自己定制的設備驅動程序要求符合WDM驅動程序規范。若采用自動配置方式，EZ-USB開發系統提供了裝載驅動程序開發模板，利用模板開發較簡單。采用命令配置方式則要用戶在應用程序中編寫固件裝載代碼。
驅動程序一般通過INF文件來安裝，INF文件把設備的VID和PID綁定到設備驅動程序上，指定存放驅動程序的路徑，提供有關驅動程序的注冊和顯示信息。因此，Windows檢測到EZ-USB設備連接時，能根據注冊表自動將設備驅動程序裝入系統環境。
4設計舉例
作者利用AN2131QC開發了一個通用的EZ-USB接口模塊。此通用模塊的軟硬件資源全部開放，并配置有測試驅動程序和固件示例。使用此通用模塊如同使用一片IC芯片，對設備的描述信息和INF文件稍作修改，并添加設備功能代碼，即可構成一臺專用的EZ-USB接口設備。
4.1固件設計
通用EZ-USB模塊的固件包括描述符表和USB通信測試程序。描述符表是一組符合USB規范及描述設備特性的結構化信息，賦予其中變量不同的值，設備就呈現出不同的特性。在設備連接時，主機要請求設備提供描述符表，因此描述符表是固件的一部分。本通用模塊中定義了5種描述符表，表1所列是各描述符的主要參數。
表1通用EZ-USB接口模塊描述符及主要參數
描述符名稱
描述符參數
設備描述符版本：0x0001。包大小：0x40。VID：0x0547。PID：0x1011。配置號：0x01配置描述符接口數：0x01。配置值：0x01。屬性參數：0x80。最大功耗：0x32(100mA）接口描述符表接口索引：0x00,交替設置：0x01。端點數：0x02端點描述符表0端點地址：0x82(端點2，輸入)。端點類型：BULK。最大包長度：0x0040端點描述符表1端點地址：0x02（端點2，輸出）。端點類型：BULK。最大包長度：0x0040
此通用模塊中的固件僅用于EZ-USB通信測試、設備驅動和固件裝載演示。通過實驗發現固件設計有兩點值得注意。
①采用ezusb.sys通用驅動程序時，主機要用查詢方式接收從設備來的數據。若主機接收不到設備上傳的數據時會長時間等待，甚至會死機。在本文的設計中，解決此問題的方法是數據上傳和下傳操作成對發生。主機每次下傳一個數據包時，設備就上傳一個數據包。此時如果設備有數據上傳就將數據置入上傳數據包中，否則返回一個空包。
②初始化時應清空一次相應的端點緩沖區，否則有時會出現第一次傳輸出錯的現象，原因可能是復位不充分或者內部RAM掉電延時。在實際中發現，設備掉電相當長一段時間，EZ-USB的RAM中數據仍然保持。
4.2生成設備驅動程序
可以直接用廠家提供的通用設備驅動程序來驅動設備。但通用設備驅動程序只能執行一些標準的USB設備請求和數據傳輸，而且只支持查詢方式與設備通信。如果不能滿足用戶需要，用戶可以在模板的基礎上進行擴充，重新用WDMDDK生成驅動程序。通用模塊中采用了通用驅動程序Ezusb.sys。采用查詢方式，并且使上傳和下傳對應出現，實時性較好，能滿足一般設備要求。
4.3生成裝載驅動程序
采用自動配置方式時，可根據EZ-USB開發系統提供的模板生成固件裝載驅動程序。
通用模塊中固件裝載采用命令配置方式。其操作流程如圖2所示，其中主要定義了以下4個函數以完成固件裝載。
Read_Intel_Hex()從Intel格式的Hex文件中讀出固件代碼到緩沖區。
Hex_To_Bin()移去Intel格式的Hex文件中格式描述部分，轉換為純固件代碼。
Download_Bin()EZ-USB8051內核復位、固件裝載到設備、8051內核解復位并運行固件。裝載固件前要使EZ-USB8051內核進入復位狀態，然后裝載固件，裝載結束后使EZ-USB脫離復位狀態開始運行固件。三種操作共用一個函數，用傳遞不同的參數進行區別。
Set_InterFaceAlt()設置EZ-USB接口號和交替功能值，建立通信管道。
4.4安裝驅動程序
驅動程序必須正確裝入Windows環境之后，才能起作用。編輯INF文件，使首次枚舉設備的VID和PID綁定到固件裝載驅動程序，使重枚舉后設備的VID和PID綁定到設備驅動程序。設置驅動程序的路徑為C:，設置顯示的驅動程序字符串信息。重新啟動系統，按提示信息完成安裝過程。
4.5應用程序與設備接口
通用EZ-USB模塊的測試程序提供兩種方式訪問EZ-USB設備，一是直接通過I/O控制調用訪問設備，用CreateFile()函數打開設備，用DeviceIoControl()函數與設備進行通信；二是將復雜的訪問函數封裝為DLL，對用戶提供更簡潔的方法訪問外設。
結語
利用通用EZ_USB接口模塊，開發了智能聲強測量系統和精密數控雕刻機設備，均獲得了成功。設備性能穩定，開發周期短。
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