基于LUFA开源框架库对AVR芯片进行USB终端设备开发

摘要：本文针对一般USB设备的开发过程过于困难、复杂、繁琐等不利于快速开发的问题，引入了LUFA(Lightweight USB Framework for AVRs)开源框架库，解决了基于AVR芯片的USB设备的快速开发问题。这种方法能实现快速开发并实现相关的产品，并且有稳定的性能表现，具有工程实践意义。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/262220.htm

　　概述

　　目前，USB控制器主要有两种：一种是带USB接口的单片机(MCU)，另一种是纯粹的USB接口芯片。前者的最大优势在于，开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，容易进行功能拓展，但其成本相对较高;后者的最大特点是，价格便宜，接口方便，可靠性高，但其硬件架构相对复杂，软件部分限制相对较大。

　　在工程实践中，有时需要快速可靠地开发出相应的USB终端设备，或者针对特定领域开发出专用产品。此时，如果有一个成熟可靠的软件框架，可以事半功倍地满足相应的需求。本文针对AVR的部分带USB接口的单片机，如：AT90USB系列，ATmega8U系列，ATmega16U系列，AT32UC3系列的部分型号，ATXmega系列的部分型号等，介绍LUFA开源框架，以实现快速开发USB终端设备，或者针对特定领域开发专用产品。

　　1 USB协议概述

　　USB是一种串行接口协议，应用日益广泛。但是，要熟悉其协议内容并不简单，其协议文档繁杂罗嗦，Linux uhci驱动作者之一Alan Stern曾经就说过：

　　The USB documentation is downright evil. Most of it is just crap, written by a committee. You're better off ignoring most of it.

　　他同时还对软件开发者指出，开发者最需要注意的是两点：一、底层协议(非常简单，但很多小细节要注意)，二、其他。

　　简而言之，USB协议，在硬件上，靠D+，D-两条数据线进行差分传输，以及NRZI的编码方式。在通信上，依靠封包(package)格式进行数据传输。封包由若干个域(Package Field)构成，每个域由若干位组成(具体的位数由具体的域决定)。其细节部分繁多复杂，上手困难，也极其容易出错。

　　2 LUFA开源框架

　　LUFA(Lightweight USB Framework for AVRs)，由澳大利亚人Dean Camera开发，是一个基于MIT协议分发的开源框架。针对带USB接口的Atmel AVR8单片机和部分AVR32单片机系列，LUFA实现了一个完全符合USB通信协议的开源框架库。基于这个框架，不仅能开发出合适的终端设备，也能在部分设备上开发出合适的主控制端。

　　该框架库经过多年的测试改进，现已处于稳定版本。其针对AVR-GCC编译器进行了优化设计，使用了部分GCC特有的拓展方式，使得这个库的相关API能更稳定流畅地运行。相关的编译器AVR-GCC，能在Atmel网站下载到相应系统的版本。在LUFA源码库里面，有多达三四十种不同应用的示例版本。

　　● 支持的芯片类型

　　LUFA是针对带USB接口的Atmel AVR 8/32位单片机进行开发的，所以只要是带USB接口的Atmel AVR单片机，均可使用LUFA开源框架库。例如：AT90USB系列，ATmega8U系列，ATmega16U系列，AT32UC3系列，ATXmega系列等。详情可查看LUFA的相关文档。

　　● 源码下载

　　LUFA的项目主页(英文)在http://www.fourwalledcubicle.com/LUFA.php。该项目的源码版本管理托管在github上，相关地址在http://github.com/abcminiuser/lufa。更多详情，可以在LUFA的项目主页上查看。

　　● 开发环境搭建

　　Atmel提供了相关的工具链，使得开发者可以简单方便地进行开发，包括Linux平台和Windows平台。除了Atmel提供的工具链之外，还可以使用第三方工具链，按照自己的需要来进行开发。同时，LUFA已经成为Atmel Studio 6.1及后续版本的原生插件之一。无论是编译固件，还是固件上传，LUFA文档都提供了详细的说明。详情请参阅LUFA文档部分：LUFA Library -> Getting Started。

　　3 设备开发示例说明

　　在本示例中，本文以ATmega32U4制作一个可编程键盘为示例，演示LUFA开源框架库的开发流程方式。该示例分成两大部分：一、制作bootloader，以便对设备进行编程烧录;二、实现矩阵键盘功能。

　　● ATmega32U4微处理器

　　ATmega32U4是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC(精简指令集)接口的高性能、低功耗8位单片机。处理器具有可控制的上电复位延时电路和可编程的前沿检测电路，带有双周期乘法器，以及32个8位通用工作寄存器，内部和外部共计13个中断源，加上丰富的的指令集，使得大部分的指令执行时仅为一个时钟周期。因此可达到1MIPS/MHz的性能，运行速度比普通单片机高得多。

同时，处理器还有丰富的外部接口，如14个PWM通道，12路10位ADC，SPI，USART等。片内集成了32KB的Flash程序储存器(其中4KB可被引导程序使用)，2.5KB片内SRAM，1KB的片内EEPROM，2个带预分频的8位定时/计数器，2个带预分频的16位定时/计数器，带看门狗定时器等，还支持ISP和IAP编程，带有符合IEEE 1149.1标准的JTAG接口。其USB接口，可工作在全速/低速设备模式下。对于控制传输方式，端点0最大能支持64b的数据包。对于块传输、中断传输和同步传输方式，有6个可编程端点，最大能支持256b的数据包。

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　　在启动阶段，可以通过对熔丝位HWBE(上划线)置0，并下拉HWB(上划线)引脚，使得系统先进入引导区程序，以方便固件更新。启动流程部分，请参考图2。

　　● bootloader开发示例

　　对于AVR微处理器来说，出厂的时候都预先烧录了Atmel DFU (Device Firmware Update)进bootloader区。如果不需要进行bootloader区编程，可以省却外部编程器。当需要更新固件程序时，无需外部编程器的参与，只需使系统运行在bootloader环境下，就可以利用USART、SPI或者USB接口，进行固件更新烧录。

　　在LUFA开源框架库中，有好几种不同的bootloader示例。如支持AVR109协议的自编程框架，支持USB DFU协议的自编程框架，或者其他。在开发过程中，作为开发者，只要能理解其相关原理，即可灵活运用。

　　从示例中可以看出，整个软件的工作流程如图3所示。在启动过程中，系统先调用初始化程序对相关的I/O口进行输入/输出定义及参数初始化;接着，进入bootloader循环。在bootloader循环中，系统不断的检测USB接口下的Endpoint，读取数据，返回指令信息等。直到收到结束通信的指令(AVR109和DFU协议均有相关指令)，才退出bootloader应用。最后断开这次USB连接，程序指针跳转到0x0000位置，也就是应用程序的开始点。如图3。

从示例可以看出，在LUFA框架下，bootloader的开发有了极大的效率提升。开发者可以通过简单地修改USB设备的描述页信息，添加或修改相关的传输协议，即可快速开发出符合需求的bootloader模块。

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　　● 设备开发示例说明

　　对于USB设备来说，首先进行USB枚举设定(setup过程)，然后如果没错误，就可以开始USB设备的正常工作状态了。既然LUFA已经为开发者做出了众多可能的基本设置，开发者只需要知道个大概流程，大多数事情都可以留给LUFA来做了。

　　首先，是0号端点(Endpoint 0)和控制传输模式。0号端点主要用于USB设备枚举。在枚举过程中，主机给设备分配相应的地址信息，同时也在读取设备信息，如设备类型。主机通过发送相应的控制指令给设备，设备回复相关信息给主机，完成握手通信，最后完成相关的设置。LUFA基本上能全自动地完成所有的相关工作，开发者只需要知道该怎么设置而已。如图4。

　　接下来，是数据传输过程。当设定过程完成之后，数据传输过程的方向、可用端点的大小等基本信息已经确定下来了。这个时候，设备和主机之间就能进行正常的数据传输了。LUFA提供了多种不同的方式来接收数据包。通常来说，设备端点收到数据之后，会向主机返回“ACK”指令，以告知数据包已收到，但是最终的一个“ACK”指令包则不会自动回复，需要用户在程序里面实现。不过，对于开发者来说，只需要认真研读一下示例文件就可以理解，并得知实现方式。

　　以Demo/Device/ClassDriver/Keyboard/这个项目为例。文件Descriptors.c里面，记录了USB设备的描述值，包括传输过程中的设备描述值，和枚举阶段的配置描述值，还有返回设备描述值调用的一个函数。这些相应参数，可在工程实践中，按需修改。文件Keyboard.c里面，包含了程序的主入口main()函数。

　　main()函数中，SetupHardware()实现了基本的硬件初始化功能，值得注意的是USB_Init()函数。这个USB_Init()函数，是LUFA框架实现的一个函数。在这个函数中，它实现了USB接口相关的寄存器及I/O的初始化功能，调用了USB_ResetInterface()函数，以实现USB设备的相关设置。其中的一个功能是按照开发的需要，初始化USB设备，使其成为USB控制器或USB设备，在此示例中，初始化为USB设备，调用USB_Init_Device()函数。USB_Init_Device()函数又调用了一个需要自己按需实现的函数CALLBACK_USB_GetDescriptor(...)(在Descriptors.c文件中)。至此，完成USB设备的初始化过程。

　　完成USB设备的初始化过程之后，就开始了一个不断循环的函数体。如果是想实现USB设备的相关功能，就把相关的功能模块写入这个函数体内就可以了。以Demo/Device/ClassDriver/Keyboard/项目为例，这个循环体内包括两个函数模块：HID_Device_USBTask(&Keyboard_HID_Interface)和USB_USBTask()。前者，调用了一个函数CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport(...)，以记录测试哪个按键被按下或松开，并记录下来。后者，纯粹地把相应的按键信息按照USB协议的要求发送出去。实现相关的USB通信。

　　因此，如果此时需要完成一个矩阵键盘，那么只需要在CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport(...)之内，插入相应的矩阵键盘扫描语句，延时消抖功能等，即可实现开发需求。其他的设备，如USB音频设备，U盘，鼠标等，也是类似的实现方式。

　　4 结语

　　对于开发者而言，LUFA开源框架库不仅能帮助快速完成相应的项目开发，如果能细读其代码，还可以大大地提高相应的编程水平。同时，LUFA开源框架库的引入，大大地降低了在AVR单片机上开发USB设备的门槛，极大地提高开发效率，并且减少了开发过程中的调试测试时间，增加了系统的稳定性。其示例文档丰富，入门容易，代码优美稳定，逻辑架构完美。因此，无论是出于项目开发的需要，还是能力提升的需要，都可以好好研究或阅读LUFA开源代码，借鉴其开发经验，做出更好更快更优质的工程项目。

　　参考文献：
　　[1]Atmel.ATmega32u4 Datasheet[M]
　　[2]Universal Serial Bus Revision 2.0 Specification[S]
　　[3]LUFA Online Documents[R/OL].(2014-03).http://www.fourwalledcubicle.com/files/LUFA/Doc/140302/
　　[4]Redecker C.USB Control Transfers with LUFA[R/OL].(2011-10).http://www.avrbeginners.net/new/wp-content/uploads/2011/10/avrbeginners_40_USB_Control_Transfers_with_LUFA_1.0.pdf
　　[5]USB in a Nutshell[R/OL].(2014-04).http://www.beyondlogic.org/usbnutshell