嵌入式系統(tǒng)的USB虛擬串口設(shè)計(jì)

現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中，異步串行通信接口往往作為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)出現(xiàn)在單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)中。但是隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)通用外圍設(shè)備越來越少地使用串口，串口正在逐漸從個(gè)人計(jì)算機(jī)特別是便攜式電腦上消失。于是嵌入式開發(fā)人員常常發(fā)現(xiàn)自己新買來的計(jì)算機(jī)上沒有串口，或者出現(xiàn)調(diào)試現(xiàn)場用戶的計(jì)算機(jī)沒有串口的尷尬局面。相反，現(xiàn)在的個(gè)人計(jì)算機(jī)普遍擁有4個(gè)以上的USB接口，能不能使用USB接口代替串口，完成PC機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的通信呢？

1 USB虛擬串口代替物理串口的可行性

　　首先，越來越多帶USB接口的器件涌現(xiàn)出來，如帶USB接口的單片機(jī)，或獨(dú)立的USB接口器件，而且這些器件的成本已經(jīng)很接近于使用RS232電平轉(zhuǎn)換芯片所帶來的成本。

　　其次，市場上也出現(xiàn)了一些USB接口轉(zhuǎn)串口的芯片，這些芯片一頭為串口，另一頭為USB接口，在其內(nèi)部完成串口到USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換。該芯片通過USB口連接到個(gè)人計(jì)算機(jī)后，在操作系統(tǒng)中表現(xiàn)為一個(gè)串口設(shè)備，這意味著USB接口對于傳統(tǒng)的串口調(diào)試工具（HyperTerninal）和用戶基于串口的應(yīng)用程序是透明的，開發(fā)人員完全不用更改PC端的調(diào)試和應(yīng)用程序。

　　但是這些器件的USB類不屬于標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備類，因此需要在Windows和Linux操作系統(tǒng)上安裝額外的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。另外，由于不是操作系統(tǒng)自帶的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，而且通信經(jīng)過了由串口到串口，USB從設(shè)備到USB主機(jī)的多次轉(zhuǎn)換，當(dāng)調(diào)試遇到問題時(shí)常常無法確定是串口出了問題還是USB出了問題。因此，應(yīng)該使嵌入式系統(tǒng)直接和PC通過USB總線接口連接（通過片上的USB接口或片外USB接口芯片），由單片機(jī)直接完成USB虛擬串口的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

　　在USB標(biāo)準(zhǔn)子類中，有一類稱之為CDC類，可以實(shí)現(xiàn)虛擬串口通信的協(xié)議，而且由于大部分的操作系統(tǒng)（Windows和Linux）都帶有支持CDC類的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可以自動(dòng)識別CDC類的設(shè)備，這樣不僅免去了寫專用設(shè)備驅(qū)動(dòng)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)簡化了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的安裝。

2 什么是CDC類

　　USB的CDC類是USB通信設(shè)備類（Communication Device Class）的簡稱。CDC類是USB組織定義的一類專門給各種通信設(shè)備（電信通信設(shè)備和中速網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備）使用的USB子類。根據(jù)CDC類所針對通信設(shè)備的不同，CDC類又被分成以下不同的模型：USB傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)（POTS）模型，USB ISDN模型和USB網(wǎng)絡(luò)模型。其中，USB傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)模型，有可分為直接線控制模型（Direct Line Control Model）、抽象控制模型（Abstract Control Model）和USB電話模型（USB Telephone Model），如圖1所示。本文所討論的虛擬串口就屬于USB傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)模型下的抽象控制模型。

???? 通常一個(gè)CDC類又由兩個(gè)接口子類組成通信接口類（Communication Interface Class）和數(shù)據(jù)接口類(Data Interface Class)。筆者主要通過通信接口類對設(shè)備進(jìn)行管理和控制，而通過數(shù)據(jù)接口類傳送數(shù)據(jù)。這兩個(gè)接口子類占有不同數(shù)量和類型的終端點(diǎn)（Endpoints），如圖2所示。對于前面所述的不同CDC類模型，其所對應(yīng)的接口的終端點(diǎn)需求也是不同的。如所需要討論的抽象控制模型對終端點(diǎn)的需求，通信接口類需要一個(gè)控制終端點(diǎn)（Control Endpoint）和一個(gè)可選的中斷（Interrupt）型終端點(diǎn)，數(shù)據(jù)接口子類需要一個(gè)方向?yàn)檩斎耄↖N）的周期性（Isochronous）型終端點(diǎn)和一個(gè)方向?yàn)檩敵觯∣UT）的周期性型終端點(diǎn)。其中控制終端點(diǎn)主要用于USB設(shè)備的枚舉和虛擬串口的波特率和數(shù)據(jù)類型（數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位和起始位）設(shè)置的通信。輸出方向的非同步終端點(diǎn)用于主機(jī)（Host）向從設(shè)備（Slave）發(fā)送數(shù)據(jù)，相當(dāng)于傳統(tǒng)物理串口中的TXD線（如果從單片機(jī)的角度看），輸入方向的非同步終端點(diǎn)用于從設(shè)備向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，相當(dāng)于傳統(tǒng)物理串口中的RXD線。

3 AT89C5131的簡單介紹

　　基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)USB總線通信，通常都是通過外擴(kuò)專用的USB總線接口芯片（如飛利浦的D12）。但是這樣的方案既增加了成本，又使PCB板的面積變大，所以使用Atmel公司的集成了USB2.0全速（Full Speed）從接口外設(shè)的51單片機(jī)AT89C5131。

　　AT89C5131是一個(gè)基于52內(nèi)核的單片機(jī)。在存儲(chǔ)器方面，其內(nèi)部集成了32KB的Flash存儲(chǔ)器用于代碼的存儲(chǔ)，1KB的EEPROM存儲(chǔ)器用于用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用戶可以使用片上的Bootloader或Flash API通過USB接口或者其他接口（如UART和I2C總線）對Flash存儲(chǔ)器和EEPROM存儲(chǔ)器進(jìn)行ISP或者IAP編程。 此外AT89C5131還集成了10位的ADC、I2C總線接口和PCA模塊等豐富的外設(shè)。

　　AT89C5131的USB2.0全速從接口的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其包括USB D+/D-的接口緩沖，數(shù)字鎖相環(huán)，串行接口引擎（SIE）和通用功能接口（UFI）。其中數(shù)字鎖相環(huán)以單片機(jī)的時(shí)鐘為輸入，產(chǎn)生了USB接口其他部分所需的48MHz時(shí)鐘。串行接口引擎完成USB通信物理層NRZI碼的編碼與解碼，CRC生成以及校驗(yàn)與糾錯(cuò)。通用功能接口包含了一個(gè)雙端口的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其一端與串行接口引擎鏈接，另一端通過數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)相連接，使單片機(jī)可以通過特殊功能寄存器完成對USB2.0從接口的控制與通信。

??? AT89C5131的USB2.0全速從接口包含了7個(gè)終端點(diǎn)，其中0號終端點(diǎn)被配置成為默認(rèn)的控制終端點(diǎn)。其他1～6號終端點(diǎn)都可以通過特殊寄存器配置為控制（Control），突發(fā)（Bulk），中斷（Interrupt）和周期性（Isochronous）模式。由于每一個(gè)終端點(diǎn)都由一組獨(dú)立的寄存器對該終端點(diǎn)進(jìn)行控制、狀態(tài)識別和數(shù)據(jù)的存取，則如果將這些寄存器直接映射到51單片機(jī)的特殊功能寄存器地址空間顯然是容納不下的。因此，這7個(gè)終端點(diǎn)的7組寄存器在單片機(jī)的地址空間中其實(shí)使用的是同一組寄存器的地址，而通過一個(gè)特殊功能寄存器（UEPNUM）來選擇當(dāng)前該組寄存器實(shí)際選擇的是哪個(gè)終端點(diǎn)的寄存器組，這樣就大大節(jié)省了所占用的地址空間，為集成其他特殊外設(shè)提供了可能。

4 基于AT89C5131的CDC類的實(shí)現(xiàn)

　　AT89C5131與USB接口的硬件連接很簡單，選用一個(gè)Btype的USB插座，因?yàn)榘凑誙SB規(guī)范，從設(shè)備使用Btype的USB插座，主設(shè)備使用Atype的USB插座，將Btype的USB插座的D+和D-腳分別與AT89C5131上的D+和D-腳相連。然后再在電源和D+之間用一個(gè)1.5 kΩ的上拉電阻連接，因?yàn)榘凑誙SB規(guī)范，USB主設(shè)備是通過從設(shè)備在插入時(shí)D+和D-上的絕對電平來確定從設(shè)備是一個(gè)全速設(shè)備還是一個(gè)低速設(shè)備的，而AT89C5131是一個(gè)全速設(shè)備，所以需要將D+上拉。

　　下面介紹虛擬串口的單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先來看一下終端點(diǎn)的分配，按照CDC類抽象控制模型對終端點(diǎn)的需求，將單片機(jī)0號終端點(diǎn)和1號終端點(diǎn)分配給通信接口子類，分別作為控制終端點(diǎn)（完成枚舉和串口參數(shù)設(shè)置）和中斷終端點(diǎn)，而將2號和3號終端點(diǎn)分配給數(shù)據(jù)接口子類，分別作為IN和OUT終端點(diǎn)，虛擬串口的數(shù)據(jù)主要從這兩終端點(diǎn)來進(jìn)行傳送。

　　由于各個(gè)終端點(diǎn)的行為相對獨(dú)立，對于每個(gè)終端點(diǎn)的控制過程又有相似性，在這里以2號終端點(diǎn)即作為數(shù)據(jù)接口的IN終端點(diǎn)為例，說明軟件是如何對終端點(diǎn)進(jìn)行操作和控制的，其控制流程圖如圖4所示。2號終端點(diǎn)是一個(gè)IN的終端點(diǎn)，它的主要工作是模擬物理串口的TXD線，向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)主設(shè)備發(fā)出IN的請求時(shí)，如果FIFO不空，就向主設(shè)備發(fā)送FIFO的內(nèi)容；如果FIFO為空，則向主設(shè)備發(fā)送一個(gè)空包作為回應(yīng)。AT89C5131在收到IN的請求時(shí)，會(huì)觸發(fā)USB中斷（如果被使能），在中斷處理程序中，如圖4所示，首先判斷中斷的觸發(fā)源是哪個(gè)終端點(diǎn)，如果是2號終端點(diǎn)，將USB寄存器組映射到2號終端點(diǎn)的那一組，然后將需要發(fā)送的串口數(shù)據(jù)填入FIFO寄存器（UEPDATX），置位UEPSTAX的TXRDY位，表示FIFO中的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，這時(shí)USB接口就會(huì)自動(dòng)響應(yīng)IN請求，并將FIFO中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，程序則可退出中斷服務(wù)程序。對于其他的終端點(diǎn)，其處理過程也是相似的。

??? 軟件使用Keil C51為編譯系統(tǒng)，為了便于和系統(tǒng)的其他程序集成，采用標(biāo)準(zhǔn)字符型設(shè)備的API接口usb_getc()和usb_putc()，使程序具有很好的移植性。應(yīng)用程序?qū)雍瘮?shù)（usb_getc()和usb_putc()）與USB中斷處理程序通過兩個(gè)先進(jìn)先出FIFO循環(huán)隊(duì)列(TX和RX)來交換數(shù)據(jù)，這樣有效的起到收發(fā)緩沖的作用，防止緩沖溢出。

5 總結(jié)

　　在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)基于CDC類的USB虛擬串口很好的適應(yīng)了當(dāng)前計(jì)算機(jī)外設(shè)接口的發(fā)展，同時(shí)因?yàn)檫@樣的接口在PC操作系統(tǒng)中仍然映射為一個(gè)串口，所以又避免了大量的PC端調(diào)試程序和應(yīng)用程序的重新編寫。