AVR單片機的USB在線下載器設(shè)計與實現(xiàn)(論文源代碼)

..目錄摘要1第一章緒論11.1本論文的研究目的和意義11.2USB簡介21.3單片機技術(shù)及AVR單片機性能簡介3第二章設(shè)計構(gòu)思42.1技術(shù)背景42.2方案選擇82.3本章小結(jié)11第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計113.1MCU的選擇113.2硬件電路設(shè)計143.3本章小結(jié)14第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計144.1系統(tǒng)固件程序設(shè)計144.2系統(tǒng)驅(qū)動程序設(shè)計154.3ISP下載控制軟件234.4本章小結(jié)24第五章應(yīng)用測試245.1USB下載器驅(qū)動安裝245.2上位機應(yīng)用程序測試255.3測試及結(jié)果分析26第六章全文總結(jié)與展望286.1全文總結(jié)286.2展望29致謝30參考文獻31附錄33..AVR單片機的USB在線下載器設(shè)計及實現(xiàn)學(xué)生：劉煒指導(dǎo)丁曉波〔三峽大學(xué)電氣信息學(xué)院摘要：本文設(shè)計實現(xiàn)了一個基于USB技術(shù)的下載器,該下載器可以通過USB下載線將AVR單片機的HEX程序通過SPI線路下載到目標(biāo)單片機中。在設(shè)計上采用ATmega8單片機做控制器,它與計算機的通信采用USB通信技術(shù),對目標(biāo)芯片編程采用ISP技術(shù),從而可以方便地在所有具有USB接口的計算機上進行AVR單片機系統(tǒng)及其他支持在線編程單片機系統(tǒng)的開發(fā)。經(jīng)測試該下載器能夠?qū)纹瑱C在線編程,在速度,可靠性等方面較并口下載器有較大的提高。關(guān)鍵詞：USB技術(shù)；同步串行通信SPI；ISP在線編程；WDM驅(qū)動；Abstract：Inthispaper,adesigntechnologybasedontheUSBdevicetodownload,thedownloadcanbedownloadedthroughtheUSBlinetoAVRmicrocontrollerthroughtheSPIlinesHEXprogramdownloadedtothetargetMCU.ATmega8usedinthedesignofsingle-chipcontrollertodoitwiththecomputerusingtheUSBcommunicationtechnologycommunications,onthetargetchipusingISPprogrammingtechnology,whichcaneasilyhaveaUSBinterfaceinallthecomputersandtheAVRMCUSystemsothersingle-chipsupportforonlineprogrammingsystem.Testedthedownloadofthesingle-chipdevicetoonlineprogramming,intermsofspeed,reliabilityandsoonthantheparallelporttodownloaddevicehasgreatlyimproved.Keywords：USBtechnology;synchronousserialcommunicationSPI;ISPonlineprogramming;WDMdriver;第一章緒論1.1本論文的研究目的和意義通常進行單片機實驗和開發(fā),編程器是必不可少的。仿真、調(diào)試完的程序要借助編程器寫入單片機的存儲器中,隨著單片機技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了MTP<可多次編程>存儲器技術(shù)和ISP<在系統(tǒng)可編程>技術(shù),這樣就可以省去昂貴的仿真器,只要通過計算機接口和一條串行下載線就可直接在目標(biāo)芯片上編程。目前,比較成熟的ISP下載器大多是基于串口或者并口通信的,但存在以下問題:<1>用戶PC機的主頻、硬件和操作系統(tǒng)不同,可能會造成控制信號錯誤;<2>不同的廠商提供不同的ISP下載器,互不兼容,給嵌入式開發(fā)帶來不便;<3>限于串、并口的通信協(xié)議,ISP數(shù)據(jù)傳輸速率較低,影響嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。基于以上原因,本課題要求完成一個基于計算機USB端口的AVR程序下載器,利用該下載器可以通過計算機的USB端口實現(xiàn)對SPI信號的模擬,并完成對AVR程序的下載。從而可以方便地在所有具有USB接口的計算機上進行AVR單片機開發(fā)。1.2USB簡介USB,全稱為UniversalSerialBus〔通用串行總線,它是由Compaq、IBM、Intel、NEC、Microsoft等一些PC大廠商聯(lián)合開發(fā)的一種新型的、基于令牌的、高速的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。USB把各種不同的接口統(tǒng)一起來,僅用一個4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭,通過這個標(biāo)準(zhǔn)插頭,采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來,并且不會損失帶寬。傳輸速度是USB發(fā)展的主要指標(biāo)之一,USB協(xié)議已從最初的速度只有1.5Mbps<慢速>和12Mbps〔全速的1.1版本,發(fā)展到速度高達480Mbps的2.0版本。如今專門用于USB外設(shè)間"可移動互連"的2.0補充規(guī)范USBOTG〔On-The-Go已經(jīng)發(fā)布,使得USB總線可以進行點對點的數(shù)據(jù)傳輸,而不一定要求主機的參與。USB接口已被各種流行的操作系統(tǒng)所支持,并應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)終端設(shè)備中。它之所以能夠在當(dāng)今的外圍設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)接口中占有重要的地位,是由于它具有以下的性能特點：●終端用戶的易用性：為連接電纜和連接頭提供了單一的模型；支持即插即用和熱拔插；自我檢測外設(shè),自動地進行設(shè)備驅(qū)動設(shè)置；可動態(tài)連接,動態(tài)重置外設(shè)。●應(yīng)用廣泛性：適應(yīng)不同的設(shè)備,提供低速傳輸〔1.5Mbps、全速傳輸〔12Mbps和高速傳輸〔480Mbps；可連接至多127個物理設(shè)備,并支持對多個設(shè)備的同時操作；在主機和設(shè)備之間可以傳輸多個數(shù)據(jù)和信息流；利用底層協(xié)議,提高了總線利用率?！裢絺鬏攷挘捍_定的帶寬和低延遲適合系統(tǒng)和音頻的應(yīng)用；同步工作可以利用整個總線帶寬?！耢`活性：可以選擇一系列大小的數(shù)據(jù)包,允許對設(shè)備緩沖區(qū)大小進行選擇；通過指定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小和執(zhí)行時間,支持各種數(shù)據(jù)傳輸率；通過協(xié)議對數(shù)據(jù)流進行緩沖處理。●健壯性：出錯處理/差錯恢復(fù)機制在協(xié)議中使用；對用戶感覺而言,熱拔插是完全實時的；可以對有缺陷設(shè)備進行認(rèn)定。●與PC產(chǎn)業(yè)的一致性：協(xié)議的易實現(xiàn)性和完整性；與PC機即插即用的體系結(jié)構(gòu)的一致；對現(xiàn)存操作系統(tǒng)接口的良好銜接?！癯杀镜土阂缘土膬r格提供1.5Mbps的子通道設(shè)施；將外設(shè)和主機硬件進行了最優(yōu)化的集成；促進了低價格外設(shè)的發(fā)展；廉價的電纜和連接頭。對于數(shù)字系統(tǒng)而言,尤其是目前在工業(yè)界被廣泛應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng),進行USB技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是十分必要的。一方面,USB技術(shù)作為一種新興的串行通信技術(shù),隨著協(xié)議版本的不斷更新,傳輸速度已從1.5Mb/s的低速發(fā)展到480Mb/s的高速,可以在很大的程度上滿足不同數(shù)字系統(tǒng)對串行通信的要求。另一方面,USB技術(shù)不同于以往的串行通信接口技術(shù),包含總線通信協(xié)議等內(nèi)容,在實際應(yīng)用中,可以根據(jù)需要把數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)成相應(yīng)的USB主機、USB設(shè)備以及USBOTG<USBOn-the-Go,USB主機、從機自適應(yīng)>設(shè)備,在實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互方面有很大的靈活性。對于Sock而言,如果可以將系統(tǒng)內(nèi)對數(shù)據(jù)傳輸要求較高的局部模塊設(shè)計成具有標(biāo)準(zhǔn)接口的點對點連接方式,而總體仍沿用傳統(tǒng)的片內(nèi)總線數(shù)據(jù)傳輸方式,就可以讓SoC器件很好的解決接口復(fù)雜化和同步-異步的協(xié)調(diào)問題。作為標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信接口,USB接口是非常適合SoC點對點連接設(shè)計的一種選擇,不但在傳輸速度上可以基本滿足SoC器件中各模塊間數(shù)據(jù)交互的要求,而且從結(jié)構(gòu)上來說,USB電纜只需VBus、GND、D+和D-四根線,非常簡單。因此,基于上述分析,對USB技術(shù)在數(shù)字系統(tǒng)尤其是嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用方法進行研究,為日后USB技術(shù)在Soc設(shè)計領(lǐng)域廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ),就顯得尤為重要,具有十分深遠(yuǎn)的意義。1.3單片機技術(shù)及AVR單片機性能簡介AVR單片機是ATMEL公司1997年推出的全新配置精簡指令集RISC〔ReducedInstructionSetCPU單片機。精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)是20實際90年代開發(fā)出來的,是綜合了半導(dǎo)體集成技術(shù)和軟件性能的新結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得AVR單片機具有接近1MIPS/MHz的高速處理能力。AVR單片機開發(fā)的目的在于,能采用C語言編程,從而能高效的開發(fā)出目標(biāo)產(chǎn)品。為了對目標(biāo)代碼大小,性能及功耗進行優(yōu)化,AVR單片機采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。快速存取RISC寄存器文件由32個通用工作寄存器組成。傳統(tǒng)的基于累加器的結(jié)構(gòu)需要大量的程序代碼,以實現(xiàn)累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸；在AVR單片機中,用32個通用工作寄存器代替累加器,從而可避免傳統(tǒng)的累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸造成的瓶頸現(xiàn)象。AVR單片機運用Harvard結(jié)構(gòu),在前一條指令執(zhí)行的時候就取出現(xiàn)行的指令,然后以一個周期執(zhí)行指令。在其它的CISC以及類似的RISC結(jié)構(gòu)的單片機中,外部振蕩器的時鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期,這種分頻最大達12倍。AVR單片機是用一個周期執(zhí)行一條指令的,它是在8位單片機中第一個真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機。AVR單片機采用低功耗,非揮發(fā)的CMOS工藝制造,內(nèi)部分別集成Flash,EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲器。除了可以通過SPI口和一般的編程器對AVR單片機的Flash程序存儲器和EEPROM數(shù)據(jù)存儲器進行編程外,絕大多數(shù)的AVR單片機還具有在線編程〔ISP的特點,這給學(xué)習(xí)和使用AVR單片機帶來了極大的方便。第二章設(shè)計構(gòu)思2.1技術(shù)背景嵌入式系統(tǒng)及開發(fā)技術(shù)嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以說涵蓋了國民經(jīng)濟建設(shè)的各個方面,并處于高速發(fā)展之中,其中在以下幾個方面的發(fā)展尤其顯著：系統(tǒng)機構(gòu)處于復(fù)雜；網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢；應(yīng)用實時精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法來降低功耗和軟硬件成本；系統(tǒng)提供友好的人機界面。所以,通過對嵌入式系統(tǒng)的基本概念、應(yīng)用以及發(fā)展趨勢的了解,可以看到,嵌入式系統(tǒng)的研究是計算機學(xué)科綜合各項理論和技術(shù)的集大成者。針對這樣的要求,論文本設(shè)計是基于嵌入式系統(tǒng)的USB外設(shè)的開發(fā)。<一>嵌入式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成,所以其分類可以從硬件和軟件兩方面進行劃分。嵌入式系統(tǒng)的核心是各種類型的嵌入式處理器,嵌入式處理器與通用處理器最大的不同點在于：嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群所專門設(shè)計的系統(tǒng),它將通用CPU中許多板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部,從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計時趨于小型化,同時還具有很高的效率和可靠性。嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從CISC〔復(fù)雜指令集到RISC〔精簡指令集的轉(zhuǎn)變,位數(shù)有4位、8位、16位、32位逐步發(fā)展到64位。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心,近年來嵌入式微處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能、低功耗。專業(yè)分工也越來越明顯,出現(xiàn)了專業(yè)的IPC〔IntellectualPropertyCore知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商,如ARM、MIPS等,這些屬于微處理器〔MicroProcessorUnit,MPU,用于計算機通信領(lǐng)域的嵌入式DSP處理器〔DigitalSignalProcessor,DSP和高度集成的嵌入式片上系統(tǒng)〔SystemOnChip,SOC。目前幾乎每一個半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器,并且越來越多的公司開始擁有自主的處理器的設(shè)計部門,流行的結(jié)構(gòu)有30多個系列,其中以ARM、PowerPC、MIPS等使用得最為廣泛。嵌入式軟件是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域,基于某個固定的硬件平臺,用來達到用戶預(yù)期目標(biāo)的計算機軟件。為了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)更加方便和快捷,需要專門負(fù)責(zé)管理存儲器分配、中斷管理、任務(wù)調(diào)度等功能的軟件,這就是所謂的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是用來支持嵌入式應(yīng)用的軟件,是嵌入式系統(tǒng)中極為重要的組成部分,它通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動程序、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口,通信協(xié)議、圖形用戶界面〔GUI等。與通用操作系統(tǒng)相比較,嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時性、硬件依賴性、軟件固化性以及應(yīng)用專用性等方面,具有更加鮮明的特點。嵌入式系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場合分為兩大類：一類是面向消費電子產(chǎn)品的非實時操作系統(tǒng),如Linux,應(yīng)用設(shè)備PDA、機頂盒等；另一類則是面向控制、通信等領(lǐng)域的實時操作系統(tǒng),如VxWorks等。實時操作系統(tǒng)是具有實時性,能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng),其首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實時控制任務(wù)；其次才著眼于提高系統(tǒng)的使用效率,其重要特點是通過調(diào)度來滿足對于重要事件在規(guī)定時間內(nèi)作出正確的響應(yīng)。嵌入式系統(tǒng)中的軟件除了嵌入式操作系統(tǒng)外還包括嵌入式應(yīng)用軟件,嵌入式應(yīng)用軟件和普通軟件有一定的區(qū)別,它不僅要求在準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性等方面要滿足實際應(yīng)用的需要,并且還要盡可能地進行優(yōu)化,以減少對系統(tǒng)資源的消耗,降低硬件成本?！捕度胧较到y(tǒng)的開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到今天,對應(yīng)于各種微處理器的硬件平臺一般都是通用的、固定的和成熟的,這就大大減少了由硬件引入錯誤的機會。此外,由于嵌入式操作系統(tǒng)屏蔽了底層硬件的復(fù)雜性,使得開發(fā)者通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)就可以完成大部分的工作,因此大大簡化了開發(fā)的過程,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。嵌入式系統(tǒng)通常是一個資源受限的系統(tǒng),因此直接在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺上編寫軟件比較困難,有時候甚至是不可能的。一般需要交叉開發(fā)環(huán)境〔CrossDevelopmentEnvironment的支持。嵌入式系統(tǒng)的交叉開發(fā)環(huán)境一般包括交叉編譯器、交叉調(diào)試器和系統(tǒng)仿真器。這里一般把進行交叉編譯的主機稱為宿主機,也就是普通的通用計算機,而把程序?qū)嶋H的運行環(huán)境稱為目標(biāo)機,也就是嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。交叉編譯器用于在宿主機上生成能在目標(biāo)機子上運行的代碼,而交叉調(diào)試器和系統(tǒng)仿真器則用于在宿主機和目標(biāo)機之間完成嵌入式軟件的調(diào)試。嵌入式軟件開發(fā)所采用的編譯為交叉編譯。所謂交叉編譯就是在一個平臺上生成可以在另一個平臺上執(zhí)行的代碼。編譯的最主要的工作就在將程序轉(zhuǎn)化成運行該程序的CPU所能識別的機器代碼,由于不同的體系結(jié)構(gòu)有不同的指令系統(tǒng)。因此,不同的CPU需要有相應(yīng)的編譯器,而交叉編譯就如同翻譯一樣,把相同的程序代碼翻譯稱不同的CPU對應(yīng)語言。要注意的是,編譯器本身也是程序,也要在與之對應(yīng)的某一個CPU平臺上運行。嵌入式軟件經(jīng)過編譯和鏈接后即進入調(diào)試階段,調(diào)試是軟件開發(fā)過程中必不可少的一個環(huán)節(jié),嵌入式軟件開發(fā)過程中的交叉調(diào)試與通用軟件開發(fā)過程中的調(diào)試方式有很大的差別。在常見軟件開發(fā)中,調(diào)試器與被調(diào)試的程序往往運行在同一臺計算機上,調(diào)試器是一個單獨運行著的進程,它通過操作系統(tǒng)提供的調(diào)試接口來控制被調(diào)試的進程。而在嵌入式軟件開發(fā)中,調(diào)試時采用的是在宿主機和目標(biāo)機之間進行的交叉調(diào)試,調(diào)試器仍然運行在宿主機的通用操作系統(tǒng)之上,但被調(diào)試的進程卻是運行在基于特定硬件平臺的嵌入式操作系統(tǒng)中,調(diào)試器和被調(diào)試進程通過串口或者網(wǎng)絡(luò)進行通信,調(diào)試器可以控制、訪問被調(diào)試進程,讀取被調(diào)試進程的當(dāng)前狀態(tài),并能夠改變被調(diào)試進程的運行狀態(tài)。嵌入式系統(tǒng)的交叉調(diào)試有多種方法,主要可分為軟件方式和硬件方式兩種。它們一般都具有如下一些典型特點：調(diào)試器和被調(diào)試進程運行在不同的機器上,調(diào)試器運行在PC機或者工作站上<宿主機>,而被調(diào)試的進程則運行在各種專業(yè)調(diào)試板上<目標(biāo)機>；調(diào)試器通過某種通信方式<串口、并口、網(wǎng)絡(luò)、JTAG等>控制被調(diào)試進程；在目標(biāo)機上一般會具備某種形式的調(diào)試代理,它負(fù)責(zé)與調(diào)試器共同配合完成對目標(biāo)機上運行著的進程的調(diào)試。這種調(diào)試代理可能是某些支持調(diào)試功能的硬件設(shè)備,也可能是某些專門的調(diào)試軟件；目標(biāo)機可能是某種形式的系統(tǒng)仿真器,通過在宿主機上運行目標(biāo)機的仿真軟件,整個調(diào)試過程可以在一臺計算機上運行。此時物理上雖然只有一臺計算機,但邏輯上仍然存在著宿主機和目標(biāo)機的區(qū)別。本設(shè)計即采用嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù),借助宿主機<通用計算機>來編譯出目標(biāo)機的可執(zhí)行代碼,不再需要編程器,使設(shè)計簡化。2.1.2AVR單片機的在線同步串行接口SPI<SerialPeripheralInterface>允許在ATmega系列單片機和外設(shè)或其他AVR系列單片機之間高速同步數(shù)據(jù)傳輸。它是一個同步的串行通信總線,因此在SPI通信中的發(fā)送器和接收器必須使用相同的時鐘,使接收器能同步監(jiān)測數(shù)據(jù)位。SPI邏輯結(jié)構(gòu)如圖,其核心部件為8位移位寄存器和接收緩存器〔兩者合成為SPI數(shù)據(jù)寄存器,由分頻器,選擇器和時鐘邏輯所組成的時鐘信號發(fā)生器,以及SPI狀態(tài)寄存器,SPI控制寄存器等部件。SPI利用B口的第二功能,將其中的PB7,PB6,PB5及PB4分別定義為SCK,MOSI,MISO和SS。圖2-1SPI數(shù)據(jù)通信時的主-從機連接與數(shù)據(jù)傳送方式對SPI主機數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)以啟動SPI時鐘,通過將需要的從機的/SS引腳拉低,主機啟動一次通訊過程。SCK引腳是主機模式的時鐘輸出和從機模式的時鐘輸入,主機和從機將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的寄存器。主機在SCK引腳上產(chǎn)生時鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機的數(shù)據(jù)從主機的MOSI移出,從從機的MOSI移入；從機的數(shù)據(jù)從從機的MISO移出,從主機的MISO移入。主機通過將從機的SS拉高實現(xiàn)與從機的同步。AVR單片機的SPI接口在發(fā)送方向上單緩沖,而在接受方向是雙緩沖。這表示在所有的移位操作完成前,被發(fā)送的字節(jié)不能被寫入SPI的數(shù)據(jù)寄存器；但SPI在接受數(shù)據(jù)時,已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)必須在下一個字節(jié)被完全移入之前從SPI數(shù)據(jù)寄存器中讀出,否則這個字節(jié)會丟失。2.1.3ISPISP<In-SystemProgramming>技術(shù)實際上就是用戶在自己設(shè)計的目標(biāo)系統(tǒng)中或電路板上為重構(gòu)器件進行編程或反復(fù)編程時,無需將ISP器件從線路板上拆上拆下。這種可對電路板或整個電子系統(tǒng)隨時進行組態(tài)或重組的功能,給設(shè)計開發(fā)、電路板級調(diào)試和系統(tǒng)升級換代帶來了極大的方便,使得電路系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)、維護及更新等環(huán)節(jié)都發(fā)生了革命性的變化。用戶無論想增加或修改電路設(shè)計,都可以在幾分鐘內(nèi)把新的設(shè)計下載到器件中。由此可見,硬件的設(shè)計,象軟件那樣靈活而易于實時修改,這不僅擴展了器件的用途,縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期,而且還省略了對器件單獨編程的環(huán)節(jié),簡化了目標(biāo)設(shè)備的現(xiàn)場升級和維護工作,是一種全新的設(shè)計方式。AVR單片機單片機引腳共有4個：RST,MOSI,MISO和SCK。各引腳功能如下：RST為在線編程輸入控制端,僅在ISP下載過程中保持高電平,在系統(tǒng)正常工作時該引腳為系統(tǒng)復(fù)位端,保持低電平狀態(tài)。MOSI為主機輸出/從機輸入的數(shù)據(jù)端,系統(tǒng)正常工作時,該引腳為通用I/OP1.5口線。MISO為主機輸入/從機輸出的數(shù)據(jù)端。系統(tǒng)正常工作時,該引腳為通用I/OP1.6口線。SCK為串行編程的時鐘端,可實現(xiàn)主/從機時序的同步。該時鐘頻率不得超過系統(tǒng)時鐘的1/16。系統(tǒng)正常工作時,該引腳為通用I/OP1.7口線。ISP下載是基于串行傳輸方式,并且符合SPI協(xié)議。在SPI協(xié)議中,數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同步進行的。即在同步時鐘的作用下,在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也在接收數(shù)據(jù)。ISP的時序如圖所示。圖2-2ISP串行數(shù)據(jù)傳輸時序圖每一字節(jié)的數(shù)據(jù)都是低位在先,高位在后,在串行時鐘的作用下逐位傳輸。在傳輸過程中,數(shù)據(jù)是在時鐘輸入端為高電平時有效,在時鐘輸入端為低電平時更新數(shù)據(jù)。2.2方案選擇通常進行單片機實驗或開發(fā)時,編程器是必不可少的。仿真調(diào)試過的程序需要借助編程器寫入單片機內(nèi)部或外接的程序存儲器中,隨著單片機技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展,許多公司新推出的MCU具有片內(nèi)Flash存儲器,Flash存儲器具有電可擦除、無需后備電源保護數(shù)據(jù)、可在線編程等特點。在線編程允許單片機內(nèi)部運行的程序去改寫Flash存儲器的內(nèi)容,利用這個特點,不僅可以在運行過程中修改某些運行參數(shù),也為研制新型嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具提供了技術(shù)基礎(chǔ)。采用宿主機/目標(biāo)機模式開發(fā)嵌入式應(yīng)用,利用宿主機上豐富的資源和良好的開發(fā)環(huán)境開發(fā)和仿真調(diào)試目標(biāo)機上的軟件,然后將交叉編譯生成的目標(biāo)代碼傳輸并裝載到目標(biāo)機上,并在監(jiān)控程序或者操作系統(tǒng)的支持下利用交叉調(diào)試器進行分析和調(diào)試,最后目標(biāo)機在脫離宿主機單獨運行。具有在線編程功能的單片機給實驗和開發(fā)帶來了很大的方便和靈活性,并使單片機系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試、升級成為現(xiàn)實。嵌入式面向用戶,面向產(chǎn)品,面向應(yīng)用的特性決定了它的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計,量體裁衣,去除冗余,這樣才能在具體應(yīng)用中更具有競爭力。嵌入式系統(tǒng)這種對體積的敏感性決定了它對外圍接口設(shè)備選擇的嚴(yán)格性。既要保證能與其它外圍設(shè)備高速、有效地通信,又要嚴(yán)格控制接口的體積。而通用串行總線USB正符合了這一要求。而USB1.1的最大傳輸速率可達12Mbps,USB2.0更是支持高達480Mbps的傳輸速率。由于常見的外設(shè)幾乎都支持USB,所以只需一到兩個USB接口,就可以完成嵌入式系統(tǒng)和幾乎所有常見外設(shè)的通信。這種解決方案無疑具有很強的實用性。USB接口分為USB主機USBMaster和USB外設(shè)USBSlave。USB主機負(fù)責(zé)對各種USB外設(shè)的控制并向USB外設(shè)供電。要實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)對各種外圍設(shè)備的有效控制,就必須在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USBMaster的功能。在本設(shè)計中,選用的嵌入式微處理器需要是一款功能強大的RISC微處理器,其時鐘頻率高,它的體積小,功耗低,性能穩(wěn)定。本文采用USB接口技術(shù)和AVR單片機相結(jié)合,完成一個USB下載器,不需要使用編程器,只需要通過USB接口和編程電纜直接在目標(biāo)器件或系統(tǒng)上進行編程。ATMEL公司的AVR系列單片機,提供了一個SPI串行接口對內(nèi)部程序存儲器編程ISP,支持在線編程功能。本設(shè)計選用單片機是ATMEL公司推出的AVR系列單片機,采用上/下位機設(shè)計方式,通過USB通訊方式實現(xiàn)信息傳輸。具體工作原理是：上位機〔PC機首先安裝驅(qū)動程序和PC應(yīng)用軟件,然后將下位機系統(tǒng)安裝到單片機上,將USB插頭插入主機,經(jīng)主機正確識別后,運行PC應(yīng)用軟件將程序下載到目標(biāo)芯片中,下載的程序存儲到下位機存儲單元中,進行ISP下載到目標(biāo)芯片中。用戶操作用戶操作顯示數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)接受數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳遞ISP操作數(shù)據(jù)反饋硬件平臺PC機應(yīng)用軟件USB接口ISP接口目標(biāo)芯片圖2-3系統(tǒng)框架圖上圖即為本設(shè)計的系統(tǒng)框架圖。從圖上可知,對于USB接口的設(shè)計,拿出三種方案：方案一：采用USB接口芯片與AVR單片機相結(jié)合。用USB接口芯片來檢測以及反應(yīng)USB端口的事件。硬件模塊關(guān)系如下圖。ISPISP接口USB總線數(shù)據(jù)傳遞單片機USB 接口USB接口芯片PDIUSB12數(shù)據(jù)傳輸USB供電USB供電圖2-4方案一：硬件模塊關(guān)系圖USB接口芯片有許多種,可大致分為兩類:一種是內(nèi)部集成了微控制器,如美國Tl公司的TUSB32l0,它內(nèi)嵌一個兼容的8051MPU,還有CyPress半導(dǎo)體公司的CY7C63xxx二系列的芯片,它們擁有35條涉及基本的操作和程序跳轉(zhuǎn)等的指令:另一種USB芯片只處理USB通信,必須被一個外部微控制器控制。這一類有代表性的產(chǎn)品有朗訊公司的USS820/825、飛利浦公司的PDIUSBD12。經(jīng)過綜合考慮,我們的設(shè)計中采用了第二種類型的USB接口芯片。采用飛利浦公司的PDIUSBD12作為USB下載器的接口器件。方案二：不用USB接口芯片,由單片機發(fā)送、接收相關(guān)的USB設(shè)備信息,枚舉USB外設(shè)成功后,根據(jù)接收到的DI,進行相應(yīng)的控制操作。ISPISP接口數(shù)據(jù)傳遞單片機USB 接口數(shù)據(jù)傳輸USB供電圖2-5方案二：硬件模塊關(guān)系圖從硬件模塊關(guān)系圖,我們就能得出：方案二比方案一簡單。減少了USB接口芯片,整個設(shè)計的成本降低,電路簡單化,可靠性提高。方案三:采用無線通信方式方式。不需要USB為目標(biāo)芯片供電。在線編程允許單片機內(nèi)部運行的程序去改寫Flash存儲器的內(nèi)容,利用這個特點,不僅可以在運行過程中修改某些運行參數(shù),也為研制新型嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具提供了技術(shù)基礎(chǔ)。在線編程為開發(fā)調(diào)試提供了方便,無線通信給實驗和開發(fā)帶來了很大的方便和靈活性,并使單片機系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試、升級成為現(xiàn)實。2.3本章小結(jié)本章提出三種設(shè)計方案進行對比,得出可行性方案二。并從單片機性能上進行可行性論證。這是本設(shè)計的理論基礎(chǔ)。接下來的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計就是根據(jù)這些內(nèi)容展開的。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1MCU的選擇硬件是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ),是完成各個功能的物理平臺。本設(shè)計的微控制器選擇AVR系列單片機ATmega8。在AVR家族中,ATmega8是一個非常特殊的單片機,它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路,具有AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點,采用小引腳封裝,所以價格僅與低檔單片機相當(dāng),性價比高。ATmega8的主要性能如下：1.高性能,低功耗的8位AVR微控制器,先進的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)〔1130功能強大的指令,大多數(shù)為單時鐘周期指令〔232個8位通用工作寄存器〔3工作在16MHz時,具有16MIPS的性能〔4片內(nèi)集成硬件乘法器〔執(zhí)行速度為2個時鐘周期2.片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器〔18K字節(jié)的Flash程序存儲器,擦寫次數(shù)：大于10000次〔2支持可在線編程〔ISP,可在應(yīng)用自編程〔IAP〔3帶有獨立加密位的可選BOOT區(qū),可通過BOOT區(qū)內(nèi)的引導(dǎo)程序區(qū)〔用戶自己寫入來實現(xiàn)IAP編程〔4512個字節(jié)的EEPROM,擦寫次數(shù)：100000次〔51K字節(jié)內(nèi)部SRAM〔6可編程的程序加密位3.豐富強大的外部接口〔Periphcral性能〔12個具有比較模式的帶預(yù)分頻器〔SeparatePrescale的8位定時/計數(shù)器〔21個帶預(yù)分頻器〔SeparatePrescale,具有比較和捕獲模式的16位定時/計數(shù)器〔31個具有獨立振蕩器的異步實時時鐘〔RTC〔43個PWM通道,可實現(xiàn)任意小于16位,相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出〔58通道A/D轉(zhuǎn)換〔TQFP,MLF,6路10位A/D+2路8位A/D〔66通道A/D轉(zhuǎn)換〔PDIP封裝,4路10位A/D+2路8位A/D〔71個I2C的串行接口,支持主/從,收發(fā)四種工作方式,支持自動總線仲裁〔81個可編程的串行USART接口,支持同步,異步以及多機通信自動地址識別〔91個支持主從〔Master/Slave收發(fā)的SPI同步串行接口〔10帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時器〔11片內(nèi)模擬比較器4.特殊的微控制器性能〔1可控制的上電復(fù)位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路〔2內(nèi)部集成了可選擇頻率〔1/2/4/8MHz,可校準(zhǔn)的RC振蕩器〔25C,5V,1MHZ時,精度為1%〔3外部和內(nèi)部的中斷源18個〔4五種睡眠模式：空閑模式〔Idle,ADC噪聲抑制模式〔ADCNoiseReduction省電模式〔Pow-save掉電模式〔Power-down,待命模式〔Standby5.I/O口和封裝〔1最多23個可編程I/O口,可任意定義I/O的的輸入/輸出方向；輸出時為推挽輸出,驅(qū)動能力強,可直接驅(qū)動LED等大電流負(fù)載：輸入口可定義為三態(tài)輸入,可以設(shè)定帶內(nèi)阻上拉電阻,省去外接上拉電阻〔228腳PDIP封裝,32腳TQFP封裝和32腳MLF封裝6.寬工作電壓〔12.7V~5.5V〔ATmega8L〔24.5V~5.5V〔ATmega87.高運行速度〔10~8MHz〔ATmega8L〔20~16MHz〔ATmega88.低功耗〔4MHz,3V,25C〔1正常模式〔Active：3.6mA〔2空閑模式〔IdleMode：1.0mA〔3掉電模式〔Power-downMode：0.5uAATmega8內(nèi)嵌8K字節(jié)的Flash存儲空間,18個外部和內(nèi)部的中斷源。它在4.5V~5.5V工作電壓范圍內(nèi)的工作速率范圍為0~16MHz,這使得它有極高的速率和存儲空間來應(yīng)付USB通訊。3.1.從通信協(xié)議和傳輸過程可知,ATmega8單片機在初始化后要保持接收地址狀態(tài),當(dāng)接收到本機地址后回送地址并設(shè)置本機為接收數(shù)據(jù)狀態(tài),接受完數(shù)據(jù)后做出相應(yīng)反應(yīng),最后回到接收地址的狀態(tài)。單片機主流程的核心部分是協(xié)議層的請求處理,它關(guān)系到PC機枚舉USB外設(shè)成功與否。所以在調(diào)試單片機程序的時候,要特別注意Windows對USB設(shè)備的枚舉順序。如果枚舉成功,主機將找到新的設(shè)備,提示安裝驅(qū)動程序;否則找到未知設(shè)備,USB外設(shè)不可用。關(guān)中斷關(guān)中斷接受數(shù)據(jù),讀取本機地址地址？本機地址？分析數(shù)據(jù),完成動作送回相應(yīng)數(shù)據(jù)回送地址設(shè)置為接收地址設(shè)置接受數(shù)據(jù)開中斷響應(yīng)串口中斷中斷返回NYYN圖3-1串口通信流程圖3.2硬件電路設(shè)計本設(shè)計電路圖見附圖,該電路設(shè)計分析如下：〔1ATmega8的PC6〔RESET與PB2〔SS及ISP插座上的RST通過JP2相連,當(dāng)接通JP2,即實現(xiàn)ATmega8的自編程?！?ATmega8的PB3<MOSI>,PB4<MISO>,PB5<SCK>分別與ISP插座上的MOSI,MISO,SCK相連,實現(xiàn)SPI主從機串行通信?！?PC0,PC1各接一個LED燈,用來指示工作狀態(tài)。〔4在PB6,PB7之間接一個12MHz晶振,提供外部時鐘?！?由于USB接口的電壓,數(shù)值為3.6V,而電腦USB端口的輸出電壓為5V,為了電平匹配,本電路使用3.6V穩(wěn)壓二極管D1,D2來分別與D-,D+相連3.3本章小結(jié)本章著重介紹了本課題實驗平臺的主要硬件構(gòu)成,該平臺選用ATmega8作為系統(tǒng)處理器,是由于ATmega8芯片的高速,低功耗,性能穩(wěn)定等特點,也為該演示平臺的將來功能的擴展和升級提供便利。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計的軟件主要分為兩個部分:單片機上的控制系統(tǒng)設(shè)計和PC機上的應(yīng)用程序設(shè)計。單片機控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)與PC機通信和對目標(biāo)芯片ISP編程,PC機上的應(yīng)用程序包括USB的驅(qū)動程序和ISP下載控制軟件。利用雙龍在線編程軟件將在AVRStudio中生成的HEX文件下載到ATmega8芯片中,完成了單片機上的控制系統(tǒng)設(shè)計。下面進行PC機上USB下載器驅(qū)動程序的設(shè)計。4.1系統(tǒng)固件程序設(shè)計所有基于微控制器及其外圍電路的功能設(shè)備的正常工作都離不開固件的參與。固件的作用就是輔助硬件,或者說是控制硬件來完成預(yù)期的設(shè)備功能。沒有固件的參與和控制,硬件設(shè)備只是芯片的簡單的堆砌,無法實現(xiàn)預(yù)期的功能,就像一臺沒有安裝操作系統(tǒng)的計算機一樣。USB設(shè)備也不例外。因此,用戶必須根據(jù)實際的需要來編寫固件程序,從而輔助硬件完成USB通信任務(wù)。一般情況下,設(shè)備是不能啟動任何傳輸過程的,它只能對主機的請求作出響應(yīng)。固件一直就等待主機的命令,再根據(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的程序。4.1.1固件程序開發(fā)工具ATMEL開發(fā)的AVRSTUDIO軟件是一個用于開發(fā)AVR系列單片機的集成工作環(huán)境。該軟件有以下功能：匯編程序匯編器,模擬仿真功能〔需仿真機結(jié)合,AVRProg串行編程,STK500/AVRISP/JTAGICE編程等功能。AVRSTUDIO支持ATMEL全系列仿真器。在AVRSTUDIO中可以完成所有的操作,如建立項目,建立和編輯匯編源文件,匯編〔可以生成OBJ和HEX文件,調(diào)試,程序下載等,一氣呵成,十分方便。固件程序下載雙龍在線編程軟件<SLISP>是由XX市雙龍電子開發(fā)的擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的編程軟件,使用這個軟件可以對AT89S系列、AVR系列MCU進行串行編程.由下載電纜和應(yīng)用軟件組成,支持的器件為ATMEL公司的AT89S系列<包含AT89S51/52>和AVR系列;支持的燒錄文件格式有INTEL格式的HEX文件、EEP文件、二進制BIN文件;支持緩沖區(qū)數(shù)據(jù)修改和保存,緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)可以保存為二進制BIN文件、INTEL格式的HEX或EEP文件;緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)還可以保存為C程序中的char或unsignedchar類型數(shù)組文件,以方便程序開發(fā)者處理某些特殊應(yīng)用.下載電纜有10根線,一端連接計算機的并行口,另一端連接ISP下載插座。此時,該USB下載器即相當(dāng)于一個ATmega8的串行編程器,實現(xiàn)ATmega8自編程。USB接口可實現(xiàn)為下載線路供電。4.2系統(tǒng)驅(qū)動程序設(shè)計設(shè)計一個USB外圍設(shè)備,除了固件程序外還需要設(shè)計相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序,才能使之與PC通信。設(shè)備驅(qū)動程序?qū)嶋H上是一系列控制硬件設(shè)備的函數(shù),是操作系統(tǒng)中控制和鏈接硬件的關(guān)鍵模塊。它提供連接到計算機的硬件設(shè)備的軟件接口。設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⒉煌庠O(shè)特性和操作系統(tǒng)高層分割開,隱藏了硬件設(shè)備內(nèi)部的實現(xiàn)細(xì)節(jié),并對操作系統(tǒng)透明。對于USB外設(shè),驅(qū)動程序的優(yōu)劣直接將影響著設(shè)備性能的發(fā)揮,好的驅(qū)動程序能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的按主體的要求完成數(shù)據(jù)信息的傳輸和處理,為上層應(yīng)用軟件提供良好的接口。驅(qū)動程序開發(fā)工具Driverstudio是一套用來簡化微軟Windows平臺下設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā),調(diào)試和測試的工具包。在windwos2000操作系統(tǒng)下建立WDM驅(qū)動程序編程環(huán)境,首先安裝DDK,后安裝DriverStudio,并選擇安裝Driverworks,ToolS和SoftCE工具。則在visualC++編程工具欄中自動添加了一個DriveStudio菜單。通過DriverStudio已經(jīng)初步建立了一個驅(qū)動程序框架,根據(jù)需要向里面填充內(nèi)容即可。4.2.USB系統(tǒng)通過具有相同接口的串行連線將不同的設(shè)備連接到一起。USB的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為分層的星型結(jié)構(gòu),由三層組成：USB主機〔Host、USB設(shè)備〔Device和USB集線器〔Hub。USB主機是星型結(jié)構(gòu)的中心,它通過USB集線器連接更多的USB設(shè)備,組成USB系統(tǒng)。由于總線電氣性能的原因,物理上USB設(shè)備最多可以通過USB集線器擴展到6層。從邏輯上看,USB主機可以與分層的USB設(shè)備直接通信,就好象與設(shè)備直接相連一樣?！?USB主機作為USB系統(tǒng)的主控組件,USB主機控制USB總線上所有USB設(shè)備和集線器的數(shù)據(jù)通信過程。在整個USB系統(tǒng)中只允許有一個USB主機,并且必須要有一個USB主機控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由USB主機發(fā)起的。USB主機在USB系統(tǒng)中是一個起協(xié)調(diào)作用的實體,它不僅占有特殊的物理位置,而且對于USB以及連到USB上的設(shè)備來說,還負(fù)有特殊的責(zé)任；主機控制所有USB設(shè)備的訪問；一個USB設(shè)備想要訪問總線必須由主機給予其使用權(quán)；主機還負(fù)責(zé)監(jiān)督USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?！?USB設(shè)備USB設(shè)備就是能通過USB來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)一定功能的實體。USB設(shè)備從底層的物理和電氣特性到上層的軟件協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有嚴(yán)格的定義,分為很多USB設(shè)備類,如鍵盤、打印機等。每個USB設(shè)備都有表明自身能力和所需要資源的描述符。在設(shè)備第一次連接到主機上之后,設(shè)備就可以分得USB的帶寬,進行數(shù)據(jù)的傳輸了。在總線的數(shù)據(jù)傳輸過程中,相對于USB主機而言,USB設(shè)備一直扮演著受控的角色,按照USB主機的要求接受或發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔煌?USB設(shè)備被分為全USB設(shè)備速設(shè)備〔12Mb/s和低速設(shè)備〔1.5Mb/s兩種,在USB2.0的版本中還定義了高速設(shè)備,傳輸速率達到480Mb/s。〔3USB集線器USB集線器提供了用來連接USB設(shè)備的接口,一個集線器能將一個USB的連接點轉(zhuǎn)化為多個連接點,使得多個設(shè)備能同時連接到唯一的USB總線上進行通信。作為USB體系結(jié)構(gòu)中的專用設(shè)備,USB接線器的突出特點是支持熱插拔、區(qū)分設(shè)備速度、為設(shè)備供電和檢測設(shè)備的各種狀態(tài)并通知USB主機。USB主機提供USB接線器的驅(qū)動軟件,并具有對接線器的每個端口電源進行開關(guān)的功能,并對每個端口的變化作出反應(yīng)。在USB主機的硬件控制器內(nèi)部一般要嵌入一個接線器部件,稱為根接線器,它具有USB接線器除中斷傳輸之外的全部功能。4.USB總線傳輸協(xié)議是USB設(shè)備和USB主機之間的數(shù)據(jù)流協(xié)議。數(shù)據(jù)在主機和設(shè)備之間的傳輸過程,在USB總線傳輸協(xié)議中被分成了三層：信號層、協(xié)議層和數(shù)據(jù)傳輸層。首先介紹一下相關(guān)的基本概念。端點：每一個USB設(shè)備在主機看來就是端點的集合,主機只能通過端點與設(shè)備進行通訊,以使用設(shè)備的功能。每個端點實際上就是一個一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),這些端點在設(shè)備出廠時就已定義好其地址的分配。在USB系統(tǒng)中,每一個端點都有唯一的地址,這是由設(shè)備地址和端點號給出的。每個端點都有一定的特性,其中包括傳輸方式、總線訪問頻率、帶寬、端點號、數(shù)據(jù)包的最大容量等。端點必須在設(shè)備后才能生效〔端點0除外。端點0通常為控制端點,用于設(shè)備初始化等,端點1、2等一般用作數(shù)據(jù)傳輸端點,存放主機與設(shè)備之間往來的數(shù)據(jù)。接口：USB端點被捆綁為接口。每個USB接口只處理一種USB邏輯連接,例如鼠標(biāo),鍵盤等。因為一個USB接口代表一個基本功能,因而每個USB驅(qū)動程序控制一個接口。配置：USB接口本身被捆綁為配置。一個USB設(shè)備可以有多個配置。而且可以在配置之間切換以改變設(shè)備的狀態(tài),但一個時刻只能激活其中一個配置。管道：一個USB管道是主機驅(qū)動程序的一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)一個USB外設(shè)端點的連接,它代表了一種在兩者之間移動數(shù)據(jù)的能力。一旦設(shè)備被配置,管道就存在了。管道有兩種類型：數(shù)據(jù)管道和消息管道。幀：USB協(xié)議中的幀,可以看成是一個時間單位,也可以看成是一個長度單位。從時間單位上來看,一幀的長度為1ms,系統(tǒng)中所有事務(wù)的處理都是在以幀為單位的時間周期內(nèi)完成。從長度上來看,對于USB1.1協(xié)議,一幀的數(shù)據(jù)長度為12000比特,如果所有的事務(wù)處理不能占滿整個幀長時,主機會填充上空閑位。4.USB系統(tǒng)的功能就是完成數(shù)據(jù)的傳輸,其主要特點就是USB系統(tǒng)中所有的操作都由USB主機來發(fā)起、控制和結(jié)束的。USB設(shè)備就是充當(dāng)了一個被動者的角色?！惨籙SB設(shè)備的枚舉過程在主機與設(shè)備進行通信之前,主機需要知道設(shè)備的一些具體信息,主機必須分配一個地址給設(shè)備。主機是通過一個被稱為枚舉的過程來完成這些工作。其流程如下：<1>用戶插入一個設(shè)備到USB設(shè)備到USB端口：集線器給USB端口供電,此時設(shè)備處于上電狀態(tài)；<2>主機通過集線器來確定連接事件的細(xì)節(jié)：當(dāng)集線器通過差模信號線<D+和D->檢測到設(shè)備的接入后,主機會等待100ms以使設(shè)備的接入過程順利完成并使供電穩(wěn)定；<3>主機再給集線器發(fā)送一個SetPortFeature請求,重新配置端口,集線器來確定設(shè)備接入的端口上保持復(fù)位命令10ms,然后,該端口就處于被激活的狀態(tài),這時,設(shè)備處于缺省態(tài),可以從端口上獲取最高達100mA的電流,設(shè)備的所有寄存器等均已復(fù)位,并通過默認(rèn)地址0與主機通信；<4>主機獲取設(shè)備描述符：主機發(fā)送一個GetDescriptor請求來獲得缺省管道的最大數(shù)據(jù)包的大?。?lt;5>主機分配一個地址給設(shè)備：主機控制器通過發(fā)送一個SetAddress請求來給設(shè)備分配一個總線上的唯一地址,此時設(shè)備進入地址態(tài),在以后的各種數(shù)據(jù)傳輸中,設(shè)備將使用這個新地址；<6>主機獲取設(shè)備的配置描述符：主機給新地址發(fā)送一個GetDescriptor請求來讀取這個設(shè)備描述符,這個描述符包括端點0的最大包的大小、設(shè)備支持的配置號、以及關(guān)于這個設(shè)備的其他基本信息；<7>主機給設(shè)備分配配置值：在從描述符了解了設(shè)備之后,主機發(fā)送一個SetConfiguration命令來請求希望的配置號,設(shè)備讀取這個請求后設(shè)定自己配置來匹配主機的請求,設(shè)備此時處于配置狀態(tài),并且設(shè)備的接口已經(jīng)被使能,也就是說,這個USB已經(jīng)可以開始使用了?！捕SB設(shè)備的描述符及標(biāo)準(zhǔn)請求命令當(dāng)USB設(shè)備第一次連接到主機上時,主機要求了解USB設(shè)備的一些基本信息,比如設(shè)備有何種功能、需要占用多少USB資源、屬于何種設(shè)備類等。只有主機完全確認(rèn)了這些信息之后,設(shè)備才能正常工作。這些信息是通過存儲在設(shè)備中的USB描述符來體現(xiàn)的。描述符可以看作是一個完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用于描述一個USB設(shè)備的所有屬性。USB協(xié)議1.1中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的描述符包括以下幾種：設(shè)備描述符：描述了USB設(shè)備的通用信息,一個USB設(shè)備只有一個設(shè)備描述符。設(shè)備描述符包括設(shè)備類代碼、子類代碼、設(shè)備協(xié)議代碼、端點0最大包的大小等基本信息；配置描述符：用于描述一個USB設(shè)備的屬性和能力等配置信息,一個USB設(shè)備也只需一個配置描述符就足夠了。配置描述符包括配置描述符的類型編號、所支持的接數(shù)量、供電模式的選擇等；端點描述符：用于描述接口所使用的非0端點的屬性,包括輸入/輸出方向、端點號和端點容量等。在USB對設(shè)備進行枚舉時,主機需要對設(shè)備進行一系列設(shè)置。主機通過缺省的控制管道對設(shè)備發(fā)送一些基本的請求命令,完成讀取設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備的各種描述符,并對設(shè)備重新分配地址,重新配置端口等功能。這些命令都是由控制傳輸方式來傳送的。我們將這些基本的請求命令稱為標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請求命令,這些請求命令是主機配置USB設(shè)備的關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請求命令是一個8字節(jié)的數(shù)據(jù)包,在USB1.1協(xié)議中,這樣的命令有11個,都具有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式。結(jié)合USB系統(tǒng)的枚舉過程和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求命令來看,USB系統(tǒng)的枚舉過程起始就是主機向設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請求命令的過程。從軟件角度看,主機按照枚舉的過程依次向設(shè)備寫入請求命令,在枚舉功能完成之后,用戶應(yīng)用軟件通過驅(qū)動程序并遵循一定的設(shè)備類協(xié)議對設(shè)備進行各種操作。4.2.5USB主機端的軟件開發(fā)方法與用戶使用的操作系統(tǒng)平臺有關(guān)。目前,微軟主流的操作系統(tǒng)Windows2000和WindowsXP等,大多數(shù)USB設(shè)備只能在Windows下使用,但也不是所有的Windwos版本都能很好地支持USB。從Windows98開始,微軟開始在操作系統(tǒng)中為USB提供越來越完善的驅(qū)動支持,USB驅(qū)動程序開始成為Windows標(biāo)準(zhǔn)的WDM<WindowsDriverModel>驅(qū)動程序體系的一部分。Windows設(shè)備驅(qū)動方式主要有三類:即VxD<虛擬設(shè)備驅(qū)動程序>、KMD<內(nèi)核模式驅(qū)動程序>和WDM<Windows設(shè)備驅(qū)動程序模型>。本設(shè)計USB設(shè)備驅(qū)動采用WDM模型。1.WDM驅(qū)動程序的兩種工作模式<1>內(nèi)核模式任務(wù)可以運行特權(quán)級指令,對任何I/O設(shè)備有全部的訪問權(quán),還能夠訪問任何虛地址和控制虛擬內(nèi)存硬件。此類模式的驅(qū)動程序文件以sys為后綴名,存在于系統(tǒng)目錄下。<2>用戶模式在這種模式中,運行的代碼如果不通過操作系統(tǒng)中某種門機制,就不能進入內(nèi)核模式。在Intel80x86處理器上,該模式對應(yīng)于RINGG3級環(huán)。此類模式的驅(qū)動程序以可執(zhí)行文件<.exe>或動態(tài)鏈接庫<.dll>的形式存在,可以從任何路徑運行。2.WDM分層驅(qū)動模式WDM采用分層的驅(qū)動程序模型如圖4-1所示,在不同的層次上的驅(qū)動程序有不同的優(yōu)先級。在WDM中用功能設(shè)備對象<FDO>與物理設(shè)備對象<PDO>來描述硬件。一個PDO對應(yīng)一個硬件,一個硬件只允許有一個PDO,卻可以擁有多個FDO,在FDO的上下有一些過濾器設(shè)備對象<FiDO>。4.2.61USB驅(qū)動程序的內(nèi)核層圖4-1USB驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)USB驅(qū)動程序運行在內(nèi)核態(tài),有三個層次:.最高層,是用戶開發(fā)的被稱為USB設(shè)備驅(qū)動程序;.中間層,是USB類驅(qū)動程序,在Windows98中為usbd.sys;.最低層,是主機控制器驅(qū)動程序,有兩種主機控制器驅(qū)動程序,即通用主機控制器驅(qū)動程UHCD<UniversalHostControlDriver>和開放主機控制器接口OpenHCI<OpenHostControlInterface>。USB設(shè)備驅(qū)動程序通過調(diào)用USB類驅(qū)動程序的服務(wù)來訪問USB設(shè)備,它們之間的接口被稱為USB驅(qū)動程序接口USBDI。USB類驅(qū)動程序和通用主機控制器驅(qū)動程序或開放主機控制器接口之間進行交互,該接口稱為通用主機接口<UHI>或開放主機接口<OHI>,USB類驅(qū)動程序把USB設(shè)備驅(qū)動程序所產(chǎn)生的請求通過UHI或OHI發(fā)送下去。USB驅(qū)動程序軟件堆棧內(nèi)的層間通信使用IRP機制,一個設(shè)備驅(qū)動程序要和另外一個設(shè)備驅(qū)動程序進行通信時,它會用一個IRP結(jié)構(gòu)來組裝一個請求,并把該請求傳遞到下一層上去,下一層正確接受了該請求之后,會向發(fā)送方發(fā)出一個應(yīng)答<ACK>握手信號。重復(fù)這個過程,就可以在不同分層結(jié)構(gòu)之間實現(xiàn)通信了。雖然不同的軟件分層通信都要使用IRP,而實際的USB請求卻存放在一個被Microsoft稱之為通用串行總線請求<URP>的結(jié)構(gòu)內(nèi)。URP內(nèi)包含了不同的域,在不同的軟件分層結(jié)構(gòu)中,每一個分層會使用不同的域來進行處理操作。2USB程序各層的功能〔1USB設(shè)備驅(qū)動程序USB設(shè)備驅(qū)動程序位于USB類驅(qū)動程序之上,不與實際的硬件打交道,而是通過USBDI的內(nèi)部IOCTL使用USB類驅(qū)動程序。因為它們都是內(nèi)部IOCTL,所以只能用于內(nèi)核態(tài)的調(diào)用<如設(shè)備驅(qū)動程序>,但不能用于用戶態(tài)的應(yīng)用程序?！?USB類驅(qū)動程序USBD負(fù)責(zé)管理USB系統(tǒng)中通用串行總線的工作,控制所有的USB協(xié)議操作和高層中斷處理控制。圖4-2設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)通訊流程是:應(yīng)用程序通過WIN32提供的API調(diào)用,向WNI32子系統(tǒng)發(fā)出命令;WlN32子系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核層的I/O管理器通訊,將用戶程序的API調(diào)用轉(zhuǎn)換成IRP<I/ORequestPackage>包;I/O管理器將IRP包傳遞給指定的設(shè)備驅(qū)動程序;設(shè)備驅(qū)動程序再將IRP轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的硬件抽象層HAL<Hardwareabstracotionlayer>調(diào)用并傳遞給HAL層;最后由HAL與硬件直接打交道,得到用戶程序需要的數(shù)據(jù),并沿原路通過設(shè)備驅(qū)動程序、I/O管理器和WNI32子系統(tǒng)返回到用戶程序。3.總線驅(qū)動程序和類驅(qū)動程序總線驅(qū)動程序負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)總線上的全部設(shè)備,管理設(shè)備與計算機的連接,檢測設(shè)備的添加和刪除,并且為它發(fā)現(xiàn)的設(shè)備創(chuàng)建一個物理設(shè)備對象PDO。通常,一旦總線驅(qū)動程序管了控制權(quán),它可以直訪問硬件,但USB設(shè)備必須通過它的類驅(qū)動程進行問。4.2.7獲取硬件信息獲取硬件信息分配硬件資源導(dǎo)入工作例程打開設(shè)備對象數(shù)據(jù)傳輸終止否？刪除設(shè)備終止否？否卸載例程數(shù)據(jù)傳輸例程初始化例程開始結(jié)束圖4-3系統(tǒng)驅(qū)動程序開發(fā)模型Windows驅(qū)動程序模型<WindowsDriverModel,WDM>是一種模型結(jié)構(gòu),它建立在物理設(shè)備對象<PhysicalDeviceObject,PDO>和功能設(shè)<FunctionalDeviceObject,FDO>的結(jié)構(gòu)化分層基礎(chǔ)上。WDM模型為了適應(yīng)即插即用系統(tǒng),重新定義了驅(qū)動程序分層,它至少存在總線驅(qū)動程序和功能驅(qū)動程序,根據(jù)需要還可以選擇過濾器驅(qū)動程序。通常情況下,連接到總線的每個物理部件都有一個PDO,承擔(dān)由硬件實現(xiàn)的低級設(shè)備控制的責(zé)任。更高級軟件則都存在一個FDO。當(dāng)存在IPO操作時,IRP請求包<IPORequestPacket>首先被送到上級過濾器驅(qū)動程序,然后被一級一級的往下傳遞,最后由總線驅(qū)動程序完成對設(shè)備的操作。設(shè)備驅(qū)動程序位于整個結(jié)構(gòu)的最頂層,它不直接操作硬件,而是通過USBD接口傳遞請求。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動程序被系統(tǒng)加載時,首先進入DriverEntry<>入口例程,在該例程中主要設(shè)置程序中要處理的各個MajorFunctonIRP和AddDevice的處理函數(shù)入口點。當(dāng)USB堆棧檢測到設(shè)備后,即插即用管理器<PlugandPlayManager>調(diào)用DriverEntry例程中設(shè)置的AddDevice處理函數(shù)進行資源的分配和FDO的創(chuàng)建。該例程的偽代碼為:PnPAddDevice<INPDRIVER-OBJECTFDO,INPDEVICE-OBJECTPDO>{//為設(shè)備創(chuàng)建一個符號鏈接,用于應(yīng)用程序的CreateFile調(diào)用;//創(chuàng)建設(shè)備對象和設(shè)備擴展;//初始化設(shè)備對象和設(shè)備擴展中的各個變量;//向PDO查詢設(shè)備的電源性能并保存到FDO的設(shè)備擴展中;//因為設(shè)備可能暫時不被使用,關(guān)閉USB設(shè)備電源。}當(dāng)USB堆棧分配完資源后,將會發(fā)送一個信號來激活DriverEntry例程中指定的處理函數(shù),這個函數(shù)將完成如下工作:獲取設(shè)備描述符;獲取配置描述符;從配置描述符中選擇一個接口,并用該接口配置設(shè)備。如果配置成功,將配置信息存放在設(shè)備擴展中。這時,驅(qū)動程序已經(jīng)完全就緒,等待應(yīng)用程序發(fā)出與設(shè)備進行通信的請求。當(dāng)應(yīng)用程序與設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸時,應(yīng)用程序首先必須調(diào)用CreateFile打開設(shè)備,然后利用返回的句柄對設(shè)備進行讀寫操作。對于驅(qū)動程序,當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用CreateFile時,處理函數(shù)將被激活,并完成如下工作:獲取當(dāng)前IRP的堆棧指針,通過堆棧指針獲得要打開的文件名,然后通過文件名找到內(nèi)部管道ID,若對當(dāng)前接口此管道ID合法,則將該管道打開,并將返回給應(yīng)用程序一個合法句柄。管道被打開后,用戶應(yīng)用程序?qū){(diào)用ReadFile或WriteFile從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)或向設(shè)備寫數(shù)據(jù),激活處理函數(shù)將讀寫請求轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的USB請求數(shù)據(jù)包<USBRequestPacket,URP>傳遞給下層驅(qū)動程序,并等待IPO處理的最后完成。4.3ISP下載控制軟件PC機ISP下載軟件Progisp是面向用戶的一個接口,它向用戶提供讀目標(biāo)芯片廠商號,讀目標(biāo)芯片型號,寫目標(biāo)芯片F(xiàn)lash,讀目標(biāo)芯片F(xiàn)lash和擦除目標(biāo)芯片F(xiàn)lash等ISP編程操作。因為所有ISP操作都在單片機控制系統(tǒng)中實現(xiàn),所以PC機ISP下載軟件僅是通過USB接口向單片機發(fā)送ISP編程指令和代碼數(shù)據(jù),同時接收并顯示單片機反饋回的信息。PC機ISP下載軟件Progisp支持所有的AVR芯片的編程,支持AT89S51,AT89S52；支持自定義并口下載編程器；支持自定義串口的下載編程器；支持USBASP編程器；支持并口的并行編程器等功能。4.4本章小結(jié)本章主要是從編寫設(shè)備驅(qū)動程序和USB通信應(yīng)用程序的目的出發(fā),首先介紹了Windows驅(qū)動模式。明確了下文將要介紹的設(shè)備驅(qū)動程序和ISP下載控制程序分別在整個系統(tǒng)中所處的位置。然后討論了Windows中的WDM驅(qū)動程序模型的特點,尤其分析了WDM型的USB驅(qū)動程序的分層體系架構(gòu)和工作流程。最后根據(jù)本人的實際應(yīng)用總結(jié)了開發(fā)WDM驅(qū)動程序的方法。第五章應(yīng)用測試5.1USB下載器驅(qū)動安裝將USB線拔下又插上,主機檢測到新設(shè)備,并提示安裝驅(qū)動程序,安裝完驅(qū)動程序后,PC機開始枚舉USB設(shè)備。PC機根據(jù)讀取得USB設(shè)備描述符配置設(shè)備,此時,USB設(shè)備枚舉成功,進入掛起狀態(tài),本設(shè)備已經(jīng)被PC機識別,如圖5-1,5-2所示,USB接口測試成功。圖5-1圖5-25.2上位機應(yīng)用程序測試已經(jīng)下載好程序的USB下載器,就可以向目標(biāo)板下載程序了。插上JP1,通過USB為目標(biāo)板供電。如下圖5-3,下載成功。圖5-35.3測試及結(jié)果分析測試環(huán)境說明:測試中使用的硬件環(huán)境:主機端硬件:PC機配置CPU主頻3.00GHZ,內(nèi)存1G,硬盤容量60G目標(biāo)機硬件:MEGA8最小系統(tǒng),MEGA16最小系統(tǒng),使用片內(nèi)FLASH編程。測試使用的軟件環(huán)境:主機端軟件：操作系統(tǒng)MicrosoftWindowsXPProfessional,下載軟件PROGISP〔Var,SLISP〔V1.3.4目標(biāo)機軟件：自主開發(fā)的若干單片機應(yīng)用程序。程序大小分別為：ATmega8的程序分別為6.68KB,2.22KB,10.03KB,ATmega16的程序分別為29.8KB,6.68KB。測試過程：使用并口下載和USB下載器各自對不同目標(biāo)系統(tǒng),不同應(yīng)用程序分別進行多次下載〔10次,記錄兩種下載方式對于不同大小的程序和不同目標(biāo)系統(tǒng)的平均下載速度和成功率。最終以此為根據(jù)分析USB相對于并口下載器的性能提升情況。表5-1PORGISP程序下載比較USB下載器并口下載目標(biāo)芯片Atmega8ATmega16ATmega8ATmega16程序大小〔KB6.682.2210.0329.86.686.682.2210.0329.86.68下載時間〔S20.93.1823.11.24.812.853.2平均速度〔KB/S3.342.473.323.733.342.151.852.152.322.09成功率100%100%100%100%100%100%100%100%100%100%從表上可以得出,USB下載器的下載速度明顯比ISP并口下載的速度快,我們來進行定量分析。表5-2數(shù)據(jù)比較分析ATmega8ATmega16程序大小〔KB6.682.2210.0329.86.68下載速度〔KB/S并口2.151.852.152.322.09USB3.342.473.323.733.34提高率〔%5534546160表5-2數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,USB下載器在下載速度上具有很大優(yōu)勢,且程序越大,速度提高率越大。將USB下載器的USB接口與PC相連,ISP插座與計算機并口相連,打開雙龍在線編程軟件,記錄程序大小,下載時間。如下圖：表5-3雙龍并口下載與USB下載雙龍并口下載USB下載目標(biāo)芯片ATmega8ATmega16ATmega8ATmega16程序大小〔KB10.032.226.686.6829.810.032.226.6829.86.68下載時間〔SFAST24.5145.28.6830.923.10.9282NORMAL33.654.8611.89.8732平均速度〔KB/SFAST0.410.561.280.770.963.322.473.343.733.34NORMAL0.300.470.570.680.93成功率<%>100100100100100100100100100100表5-4數(shù)據(jù)比較分析ATmega8ATmega16程序大小〔KB6.682.2210.0329.86.68下載速度〔KB/S并口1.280.560.410.960.77USB3.342.473.323.733.34提高率〔%161341710289334表5-4數(shù)據(jù)分析非常明顯的顯示了USB下載器的優(yōu)勢,速度提高率比Progisp并口下載更高。可以看到,USB下載器的下載速度〉PROG并口下載〉雙龍SLISP并口下載。通過試驗數(shù)據(jù)分析,USB下載器的優(yōu)勢顯而易見,證明了本設(shè)計方案的可行性。第六章全文總結(jié)與展望6.1全文總結(jié)本文設(shè)計了一種單片機<MCU>控制、基于USB接口通信的通用智能型ISP下載器。利用該下載器,可以將編寫好的程序下載到目標(biāo)單片機中。通過計算機的USB端口實現(xiàn)對SPI信號的模擬,并完成對AVR程序的下載,從而可以方便的在所有具有USB接口的計算機上對具有在線編程功