EZ-USB接口设备的软配置技术 - 工业/测控 - 电子工程师俱乐

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<strong>引 言</strong>

EZ-USB是Cypress公司带智能内核的USB接口器件，集USB通信控制引擎和改进的8051内核于一体，具有全速度、全序列、易开发及软配置等特点，是设计USB设备的首选器件。EZ-USB的串行接口引擎能自动完成主要USB协议处理，简化了设备固件设计。但其软配置与枚举涉及到Windows编程、Windows PnP技术以及Windows DDK工具、INF文件和注册表的使用等问题，因此EZ-USB接口设备的软配置方式和固件装载技术是开发EZ-USB接口设备的关键问题。

<strong>1 EZ-USB处理器</strong>
EZ-USB的串行接口引擎能自动完成数据收发控制、位填充、数据编码、CRC校验、PID包解码等USB协议处理。EZ-USB在连接时自动进行枚举，建立默认的EZ-USB设备。首次枚举成功后，还可以通过软配置由8051内核重新枚举建立用户定制的设备。

内置的8051处理器，相对标准的8051处理器进行了改进。以AN2131QC为例，主要有以下改进方面：
◇独立的地址总线和数据总线，总线周期为4个时钟，平均运行速度提高了近3倍；
◇双数据指针和自动指针提高了数据交换效率；
◇扩展的中断系统支持13个中断源，并支持自动中断向量；
◇1个I2C接口以及2个UART接口，24个可配置I/O端口；
◇可变周期的MOVX 指令可以适合高低速存储器芯片的接口；
◇3个16位内置定时/计数器、256字节内部寄存器RAM；
◇芯片内部集成有8KB外部RAM，8051内核要用MOVX指令访问此RAM区。

<strong>2 EZ-USB软配置特性</strong>

2.1 软配置特性

软配置特性是EZ-USB最重要的特性。软配置特性允许设备无限制的升级或再配置。EZ-USB片内集成的外部RAM可用于装载固件。当设备与主机连接时，固件从主机装载到这里执行，而不是固化在ROM中。因此，装载不同的固件设备就呈现出不同的特性，如设备配置、有效端点、工作方式、设备功能等都可以通过改变固件进行再配置，达到软配置目的，这就是EZ-USB的软配置特性。

2.2 配置方式

软配置可采用两种方式实现：自动配置和命令配置。

自动配置是指当设备连接时，固件由专门的装载驱动程序自动装载到设备。这种方式下固件要捆绑在装载驱动程序之中，固件与装载驱动程序之间一一对应，固件修改时要重新生成并重新安装装载驱动程序，固件装载后要重新枚举，以建立定制的USB设备，如果不重新枚举主机会找不到设备。

命令配置是指在应用程序中通过命令操作将固件装载到设备。这种方式不需要专用的装载驱动程序，可在任何时刻装载任意固件。固件装载后可以不用重枚举操作，由EZ-USB内核响应主机请求，可以简化固件设计。采用命令配置方式时，在应用程序中要编写固件装载代码。固件装载代码主要完成下列操作：
◇从Intel Hex格式文件中提取出有效的固件代码；
◇向EZ-USB请求复位8051内核；
◇向EZ-USB请求固件下载，固件下传至EZ-USB的内部RAM；
◇向EZ-USB请求8051内核脱离复位状态；
⑤ 对EZ-USB外设接口和交替功能进行设置。

<strong>3 EZ-USB接口设备开发方法</strong>

USB设备开发的一般步骤和内容如图1所示。


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2010-4-4 21:12:49 上传
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其中面向设备的固件主要包括设备描述符信息、设备功能代码和通信控制功能代码。设备描述信息描述USB设备的一般特性和配置，如设备类别、接口配置、VID和PID等。主机在设备枚举时要获取USB设备的描述符，从而获得设备的配置信息和相关驱动信息。用户可以通过修改固件中的描述符来改变设备的特性。设备功能代码由设备的功能需求决定。通信控制功能代码执行主机请求分析处理和数据交换处理功能。

设备驱动程序提供用户访问设备的接口。开发系统提供厂家的通用设备驱动程序。用户也可以用相关驱动程序开发工具自己定制。自己定制的设备驱动程序要求符合WDM驱动程序规范。若采用自动配置方式，EZ-USB开发系统提供了装载驱动程序开发模板，利用模板开发较简单。采用命令配置方式则要用户在应用程序中编写固件装载代码。

驱动程序一般通过INF文件来安装，INF文件把设备的VID和PID绑定到设备驱动程序上，指定存放驱动程序的路径，提供有关驱动程序的注册和显示信息。因此，Windows检测到EZ-USB设备连接时，能根据注册表自动将设备驱动程序装入系统环境。

<strong>4 设计举例</strong>

作者利用AN2131QC开发了一个通用的EZ-USB接口模块。此通用模块的软硬件资源全部开放，并配置有测试驱动程序和固件示例。使用此通用模块如同使用一片IC芯片，对设备的描述信息和INF文件稍作修改，并添加设备功能代码，即可构成一台专用的EZ-USB接口设备。

4.1 固件设计

通用EZ-USB模块的固件包括描述符表和USB通信测试程序。描述符表是一组符合USB规范及描述设备特性的结构化信息，赋予其中变量不同的值，设备就呈现出不同的特性。在设备连接时，主机要请求设备提供描述符表，因此描述符表是固件的一部分。本通用模块中定义了5种描述符表，表1所列是各描述符的主要参数。

<strong>表1 通用EZ-USB接口模块描述符及主要参数</strong>
描述符名称描述符参数设备描述符版本：0x0001。包大小：0x40。VID：0x0547。PID：0x1011。配置号：0x01配置描述符接口数：0x01。配置值：0x01。属性参数：0x80。最大功耗：0x32(100mA）接口描述符表接口索引：0x00,交替设置：0x01。端点数：0x02端点描述符表0端点地址：0x82(端点2，输入)。端点类型：BULK。最大包长度：0x0040端点描述符表1端点地址：0x02（端点2，输出）。端点类型：BULK。最大包长度：0x0040
此通用模块中的固件仅用于EZ-USB通信测试、设备驱动和固件装载演示。通过实验发现固件设计有两点值得注意。
① 采用ezusb.sys通用驱动程序时，主机要用查询方式接收从设备来的数据。若主机接收不到设备上传的数据时会长时间等待，甚至会死机。在本文的设计中，解决此问题的方法是数据上传和下传操作成对发生。主机每次下传一个数据包时，设备就上传一个数据包。此时如果设备有数据上传就将数据置入上传数据包中，否则返回一个空包。
② 初始化时应清空一次相应的端点缓冲区，否则有时会出现第一次传输出错的现象，原因可能是复位不充分或者内部RAM掉电延时。在实际中发现，设备掉电相当长一段时间，EZ-USB的RAM中数据仍然保持。

<strong>4.2 生成设备驱动程序</strong>

可以直接用厂家提供的通用设备驱动程序来驱动设备。但通用设备驱动程序只能执行一些标准的USB设备请求和数据传输，而且只支持查询方式与设备通信。如果不能满足用户需要，用户可以在模板的基础上进行扩充，重新用WDM DDK生成驱动程序。通用模块中采用了通用驱动程序Ezusb.sys。采用查询方式，并且使上传和下传对应出现，实时性较好，能满足一般设备要求。

4.3 生成装载驱动程序

采用自动配置方式时，可根据EZ-USB开发系统提供的模板生成固件装载驱动程序。
通用模块中固件装载采用命令配置方式。其操作流程如图2所示。


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其中主要定义了以下4个函数以完成固件装载。
Read_Intel_Hex() 从Intel格式的Hex文件中读出固件代码到缓冲区。
Hex_To_Bin() 移去Intel格式的Hex文件中格式描述部分，转换为纯固件代码。
Download_Bin() EZ-USB8051内核复位、固件装载到设备、8051内核解复位并运行固件。装载固件前要使EZ-USB8051内核进入复位状态，然后装载固件，装载结束后使EZ-USB脱离复位状态开始运行固件。三种操作共用一个函数，用传递不同的参数进行区别。
Set_InterFaceAlt()设置EZ-USB接口号和交替功能值，建立通信管道。

4.4 安装驱动程序

驱动程序必须正确装入Windows环境之后，才能起作用。编辑INF文件，使首次枚举设备的VID和PID绑定到固件装载驱动程序，使重枚举后设备的VID和PID绑定到设备驱动程序。设置驱动程序的路径为 C:，设置显示的驱动程序字符串信息。重新启动系统，按提示信息完成安装过程。

4.5 应用程序与设备接口

通用EZ-USB模块的测试程序提供两种方式访问EZ-USB设备，一是直接通过I/O控制调用访问设备，用CreateFile()函数打开设备，用DeviceIoControl()函数与设备进行通信；二是将复杂的访问函数封装为DLL，对用户提供更简洁的方法访问外设。

<strong>结 语</strong>

利用通用EZ_USB接口模块，开发了智能声强测量系统和精密数控雕刻机设备，均获得了成功。设备性能稳定，开发周期短。

<strong>参考文献</strong>

1. 颜容江 EZ- USB2100系列单片机原理、编程及应用 2002
2. Cypress Semiconductor.EZ-USB Series 2100 Getting Started Development Kit 2001
3. 张弘 USB 接口设计 2002

作 者：合肥工业大学吴从中
来 源：单片机与嵌入式系统应用 2003（12）