USB開發速成-我最真實的經驗！(轉)

今天給大家介紹一種我嘗試過的自認為比較簡便的開發USB介面的方式，這是我個人的親身經歷。發表在這裡不是要顯得自己多牛（事實上這裡很多網友的水平都比我高）而是想介紹給那些迫於老闆壓力需要在短時間內開發出USB介面的工程師們。畢竟，好東西應該和大家分享:)

前段時間接了一個專案，基於機頂盒做一個USB主控介面（平臺是ST5105，作業系統為OS2.0.）。這是我第一次接觸USB的開發，而且專案時間很緊，要求1個月之內實現隨身碟讀寫的基本功能。我先了解了一些USB的基本理論：比如什麼是USB主/從，USB2.0和1.1協議的基本概念，USB驅動分為哪幾部分等。接下來就開始晶片選型。我當時的要求很明確：就是要軟體簡單，開發工作量小。另外，原廠的支援應該要比較好，至少可以在電話中幫我解答疑難問題。最開始考慮的是CYPRESS811和 NXP1760. 匆忙搜了一下資料發現參考程式碼很複雜，除錯起來工作量不小。這時候我沒有匆忙地立即著手研發，而是繼續不懈地在網路上搜尋，並多方打聽。我堅信“磨刀不誤砍柴工”很快我發現了愛普生的72U16。從愛普生USB晶片中文網（）下載下來產品簡介和SPEC.，發現這顆晶片以FIRMWARE的形式內嵌了USB底層驅動以及MASS STORAGE等類協議，並且自帶MCU來負責這些FIRMWARE的執行。也就是說處理器這邊不用再寫USB協議和類驅動的程式了。當時覺得心跳都加快了 呵呵 有點懷疑介紹的真實性，畢竟這年頭大忽悠太多了。於是打電話給愛普生的800，後來七轉八轉到了愛普生原廠FAE那裡，確認了一些技術細節，OK，和介紹資料吻合。瞭解到處理器這邊只需要一個CF驅動即可（72U16內部有一個CF驅動到USB驅動的轉換），於是基本定下來了。當時選擇72U16還有一個原因，接電話的FAE比較有耐心，解答也比較專業，而且在北京有OFFICE。這點我一直認為很重要。申請了兩片樣片，就開工了。這時候時間已經過去了半個多月。下面我把開發過程和除錯心得貼出來，共享給大家。


一．硬體設計
首先是原理圖的設計。72U16與MCU的介面有IDE和並行匯流排兩種方式，據說如果按照IDE匯流排連線方式，傳輸速度會更快一些，但是可惜ST5105沒有IDE匯流排，只好選擇並行匯流排的方式了。
1） 與CPU的連線
地址線說明：
U16內部暫存器是按16位對映的，所以如果MCU的地址匯流排是8位定址的， 地址線連線時要按照CPU A[4]-A[1]對應U16 CA[3]-CA[0]的方式。
訊號邏輯說明：
U16以‘x’作為字首的訊號是負邏輯訊號(低電平或下降沿有效)。

圖1 U16與CPU的連線示意圖

2） 72U16的USB介面參考電路

圖2 U16的USB介面參考電路圖
圖中虛線部分為參考設計的高速USB傳輸的訊號保護電路，我在PCB上加了這一部分，但是除錯過程中沒有焊上，感覺也可以，並沒發現有影響。但要注意的就是usb的兩根資料線D+ 和D-要儘量短直，太長或彎可能會影響訊號傳輸質量。

3） 72U16的時鐘參考電路

圖3 U16的時鐘參考電路圖
時鐘這塊電路本來很簡單不用寫的，但是就是它讓我浪費了不少時間。除錯開始階段發現暫存器訪問不到，以為是晶片問題，後來打電話問了愛普生的技術支援，才發現原來是自己板子上的晶振沒有起振。原因是晶振的匹配電容配的不對，調整了匹配電容的值就好了。
二．軟體結構
硬體沒問題後接下來就是軟體除錯了。S1R72U16是內嵌USB協議軟體的，對採用上述的硬體連線MAIN CPU而言，S1R72U16相當於一個CF卡介面晶片。如果自己有標準的CF卡驅動，可以直接使用。也可以參考愛普生提供的參考程式碼。我就是用的參考程式碼，其軟體結構如下圖所示。其中CF卡驅動將以原始碼的形式提供，比較簡單。檔案系統愛普生不開放原始碼，是以庫的形式提供的，好在檔案系統與CF卡驅動的介面比較簡單，就是扇區讀寫的兩個函式，檔案系統給應用提供的API也比較標準，如FSOpen ，FSRead FSWrite之類。另外有一個demo程式，包括軟體初始化流程，以及呼叫參考檔案系統API的測試程式碼。

圖4 72U16參考程式碼結構
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三、CF驅動的移植要點
1． 基地址的改變
修改72U16對應mainCPU地址空間的基地址U16_BASE_ADDR。
2． GPIO的設定及中斷註冊
72U16使用了幾個GPIO，在系統初始化的時候需要根據具體要求配置。
XHRESET對應的GPIO設定為輸出口，初始化時設定為高；
PORT10 對應的GPIO 設定為輸入口，並註冊成一個低電平觸發的系統中斷；
PORT11 對應的GPIO 設定為輸入口；
PORT12 對應的GPIO 設定為輸入口；
3. 裝置插入拔出檢測
裝置在插入拔出時會透過PORT10口會產生一個低電平的脈衝，如果PORT10對應的GPIO已經註冊成一個低電平觸發的系統中斷，則會進入該系統中斷的處理函式。在處理函式中讀取PORT11對應GPIO口的電平，低電平表示有USB裝置插入，高電平表示USB裝置拔出。
參考程式碼初始化流程。系統檢測到有裝置插入後就可以進行CF卡和檔案系統的初始化，流程如下圖所示。

圖5 初始化流程圖

四、除錯要點
1） CPU 讀寫時序的配置
在進行移植工作之前，需要對照MAIN CPU的時序，以確定是否與72U16的時序匹配。
72U16 CPU介面的時序如下圖所示。

圖6 CPU介面模式下72U16的讀寫時序


2） 時序不正常時可能出現的現象
Busy Check超時，或一直在while中死迴圈
資料讀取寫入不正確
3） 對隨身碟的要求
如果使用參考檔案系統，由於參考檔案系統目前支援FAT12 FAT16 FAT32格式，所以隨身碟需要格式化為FAT或FAT32格式。

五、測試結果
驅動除錯完成後，進行了一下測試，總共試了十種常用的隨身碟和行動硬碟，都能識別，速度表現不一樣。讀寫平均速度為隨身碟3MB/s, 行動硬碟 6MB/s，錄製TS流應該是夠了，如果提高一下匯流排的速度，應該能再快一些。另外還連續10小時不間斷大資料量反覆讀寫來測試穩定性。

結語：整個過程除去做PCB板的時間，軟體除錯只花了一個多星期。雖然最終比客戶要求的時間拖了一點，不過作為USB菜鳥能以這樣的速度完成開發，我還是得到了老闆的表揚。其實我想說的是：現在是一個專業化分工很細的社會，對於我們工程師也是如此。我認為原廠應該從使用者的角度出發，多做一些類似72U16這樣的晶片。期待著更多“傻瓜”晶片的誕生。