Простые решения FTDI: от USB-хоста до высокоскоростных аппаратных мостов USB-UART / FIFO Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

42 I компоненты

Сергей ДОЛГУШИН

[email protected]

Текущая ситуация показывает, что специалисты компании верно оценили ситуацию с новым стандартом и их решение оказалось востребованным на рынке ШB-микросхем. Аппаратные мосты и драйверы для них под основные операционные системы не требуют от разработчика специальных знаний о стандарте USB. Реализация ШB-интерфейса на базе микросхем FTDI является такой же простой задачей, как реализация интерфейса RS232 с точки зрения разработки не только «железа», но и программного обеспечения верхнего уровня.

Не останавливаясь на достигнутом, FTDI продолжает развивать линейку своих аппа-

0*'

Рис. 1. Преобразователь USB-RS232 “US232R”

Рис. 2. Внешний вид преобразователя USB-RS422/485 с оптической развязкой USB-COMI-SI-M

интерфейсы

Простые решения FTDI:

от USB-хоста до высокоскоростных аппаратных мостов USB-UART/FIFO

FTDI является одной из известных компаний по разработке и производству специализированных микросхем для USB. Компания была основана в 1992 году в Шотландии. Основной сферой ее деятельности в то время была разработка чипсетов для материнских плат персональных компьютеров IBM. В 1996 году, после принятия первой спецификации USB 1.0, FTDI переориентировала направление своей деятельности на разработку решений для нового перспективного интерфейса.

ратных мостов. Новинкой прошлого года стали аппаратные мосты USB-UART и USB-FIFO с поддержкой высокоскоростного режима обмена данными. Их серийное производство начато в апреле 2009 года.

В настоящее время аппаратные мосты USB FTDI получили широкое признание во всем мире. Дело в том, что компания FTDI одной из первых предложила полное решение — аппаратную и программную реализации, то есть собственно микросхему и драйверы для основных операционных систем. По прошествии 10 лет с момента появления первых микросхем аппаратных мостов можно утверждать, что продукция FTDI популярна у производителей благодаря своей надежности, простоте в разработке, а также надежности и простоте в дальнейшей эксплуатации конечными потребителями изделий, в которых используются решения FTDI. Одной из основных сфер применения аппаратных мостов является модернизация существующих изделий с целью замены широко распространенного интерфейса UART на USB. В общем случае такая модернизация представляет собой замену микросхемы драйвера физического уровня интерфейса RS232/422/485 на аппаратный мост USB-UART FT232R. К этой же сфере можно отнести и производство готовых преобразователей USB-RS232/RS422/485. Такие конвертеры поставляет как сама компания FTDI (рис. 1), так и другие производители. Например, немецкая компания Vision Systems на базе микросхем FT232B серийно производит готовые преобразователи в промышленном и офисном исполнениях (рис. 2).

Сегодня компания FTDI предлагает четыре основные группы микросхем:

• одноканальные аппаратные мосты USBFIFO/UART с поддержкой режима full-speed;

• двухканальный аппаратный мост USBFIFO/UART с поддержкой режима full-speed;

• хост-контроллер Vinculum;

• новые многоканальные аппаратные мосты USB-FIFO/UART/MPSSE с поддержкой режима hi-speed.

В основу всех решений FTDI положен следующий принцип: «Интерфейс USB — это просто!» Производитель предлагает готовое программно-аппаратное решение, которое легко интегрируется в разрабатываемое или существующее устройство.

Для аппаратных мостов разработаны драйверы для операционных систем Windows, MAC и Linux. Драйверы дают возможность подключать аппаратный мост к компьютеру, на котором данное соединение может быть реализовано в виде виртуального COM-порта (драйвер VCP) или прямого USB-соединения (драйвер D2xx). В первом случае работа с устройством осуществляется абсолютно идентично работе со стандартным COM-портом. Во втором случае доступ к драйверу обеспечивается с помощью специальной библиотеки, содержащей API-функции для управления и обмена данными. Последний вариант обеспечивает максимальную скорость обмена, на которую рассчитан аппаратный мост. Оба драйвера входят в один пакет, называемый CDM (Combined Driver Model), и устанавливаются одновременно. Для ОС Windows драйверы имеют сертификат WHQL, если используются VID и PID производителя. При смене идентификаторов на пользовательские сертификат аннулируется.

Для конфигурации режимов работы и смены идентификаторов аппаратных мостов производителем предоставляется утилита Mprog (рис. 3). Программирование осуществляется

интерфейсы компоненты I 43

Таблица. Типы поддерживаемых хост-контроллером USB-устройств

Программное обеспечение BOMS1 Мосты FTDI HID Принтер Концентратор (HUB) ПК (хост) Монитор CDC2

Номер порта 2

VDAP * * * * * * * * * * *

VDIF * * * * *

VMSC * * * * * *

VDPS * * * * * *

VCDC * * * * * * *

VDFC * *

Примечания. 1) BOMS — Bulk Only Mass Storage. Устройства хранения данных, поддерживающие режим обмена по USB типа bulk. 2) CDC — Communication devices class.

Рис. 3. Утилита Mprog 3.5

путем подключения микросхем по USB к компьютеру. Режим программирования доступен, в том числе, и через API-функции стандартной библиотеки драйвера D2xx, и может быть реализован в приложении пользователя, если такой режим будет необходим. В стандартных приложениях программирование требуется только один раз: при выборе режима работы микросхемы и задании идентификаторов USB.

В настоящее время компания FTDI серийно выпускает аппаратные мосты USB-FIFO/UART FT232/FT245, пришедшие на смену микросхемам FT8U232 и FT8U245. В эту группу входят два типа: серия “B” и серия “R”. FT232R и FT245R являются последним поколением аппаратных мостов, работающих в режиме full-speed. Основные их отличия от микросхем FT232B и FT245B — это интегрированные на кристалл энергонезависимая память для хранения настроек режима работы и идентификаторов USB, встроенный тактовый генератор и некоторые пассивные компоненты. Дополнительно каждая микросхема имеет уникальный идентификатор FTDIChipID, «прошиваемый» при производстве на фабрике. Встроенная EEPROM с выделенной областью для записи пользовательской информации и уникальный идентификатор дают возможность создавать на базе микросхем серии “R” аппаратные ключи для защиты от несанкционированного доступа, для реализации которого производителем разработана специальная библиотека, которую можно свободно скачать с веб-сайта FTDI.

Двухканальный аппаратный мост FT2232D, пришедший на замену FT2232C, может выполнять функции микросхем FT232 и FT245 и дополнительно имеет программно конфигурируемый режим MPSSE (Multi-Protocol Synchronous Serial Engine). В режиме MPSSE микросхема может эмулировать интерфейсы SPI, IIC и JTAG или служить в качестве загрузчика конфигурации в ПЛИС Altera или Xilinx. В качестве примера реализации загрузчика конфигурации ПЛИС компания FTDI предлагает модуль DLP FPGA на базе FPGA Xilinx и микросхемы FT2232D.

Хост-контроллер USB — Vinculum — представляет собой законченное аппаратно-программное решение. Данный чип может выполнять функции хост-контроллера и периферийного устройства с поддержкой режимов full- и low-speed. Он не поддерживает спецификацию OTG, то есть не может динамически менять свою функциональную роль на шине. Функциональное назначение двух портов USB микросхемы и поддерживаемые классы USB-устройств задаются программой, загруженной в контроллер. Интерфейс, по которому происходит управление микросхемой VNC1, программируемый и может быть сконфигурирован как SPI, UART или 8-разрядный параллельный. Специалисты FTDI разработали несколько вариантов программного обеспечения для хост-контроллера VNC1, позволяющего работать с USB-устройствами разных классов. Все версии ПО находятся в свободном доступе на веб-сайте производителя. При необходимости добавить к сущест-

вующим версиям ПО Vinculum дополнительные функции программисты компании FTDI готовы модифицировать софт. Обозначение вариантов ПО и классы поддерживаемых ими USB-устройств перечислены в таблице.

В качестве примера рассмотрим две из перечисленных в таблице версий ПО:

• VDFC — на базе данной программы можно реализовать готовое функционально-законченное устройство, предназначенное для перезаписи информации с одного носителя информации на другой (рис. 4). Например, такое устройство может помочь переписать информацию с цифрового фотоаппарата на USB флэш-диск без помощи компьютера.

• С помощью программы VDAP и хост-контроллера Vinculum в разрабатываемое приложение можно добавить возможность работы с USB флэш-дисками, принтерами, мостами FTDI, USB-устройствами классов HID и CDC (рис. 5).

пппппппппппппппп

Microcontroller

□□□□□□□□□□□□□□□□

Порт 2

Порт 1

□

□

USB флэш-диск (приемник)

USB флэш-диск (источник)

□

Рис. 4. Версия ПО — VDFC

ПППППППППППППППП

Microcontroller

Порт 2

Порт 1

□

BOMS флэш-диск

Периферийное

USB-устройство

□

□

Рис. S. Версия ПО — VDAP

интерфейсы

VCC3V3IN

1.8 Vout

-*-V1.80UT— LDO

Regulator

—OSCI-

-osco-

-USBDP-». —USBDM—► —RREF—

Baud Rate Generator

Dual Port TX Buffer 4K Bytes

Dual Port RX Buffer 4K Bytes

USB Protocol Engine And FIFO Control

120 МГц Baud Rate

Generator

Dual Port TX Buffer 4K Bytes

Dual Port RX Buffer 4K Bytes

—ADBUSO—

—ADBUS1—)

—ADBUS2—► -ADBUS3-»-—ADBUS4—3 —ADBUS5—► —ADBUS6—

—ADBUS7—Э

—ACBUSO—► —ACBUS1—3 —ACBUS2—5 —ACBUS3—5 —ACBUS4—5 —ACBUS5—3 —ACBUS6—5 —ACBUS7—3

ta

is

is

—BDBUSO— -BDBUS1— -BDBUS2— -BDBUS3— -BDBUS4— —BDBUS5— -BDBUS6— -BDBUS7—

-BCBUS0-

-BCBUS1—

-BCBUS2—

-BCBUS3—

-BCBUS4—

-BCBUS5—

-BCBUS6—

-BCBUS7—

Рис. б. Структурная схема моста FT2232H

в данном режиме доступен только один канал микросхемы.

Четырехканальный мост FT4232H, в отличие от FT2232H, менее функционален с точки зрения конфигурации выходных интерфейсов. Каждый канал может работать в режиме UART, два канала из четырех могут работать в режиме MPSSE. Каждый из каналов конфигурируется и работает независимо друг от друга. По скорости обмена микросхема идентична по характеристикам FT2232H в соответствующих режимах работы.

Для тестирования возможностей новых микросхем FTDI предлагает готовые модули “FT4232H Mini Module” и “FT2232H Mini Module” (рис. 7). Оба модуля выполнены в одинаковом форм-факторе. Два 26-вывод-ных штыревых разъема модуля предназначены для подключения модуля к целевой плате, стандартный 5-контактный разъем USB mini B используется для подключения к USB-порту компьютера с помощью стандартного USB-кабеля. Модуль готов к работе сразу после установки и настройки соответствующих драйверов. Следует обратить внимание, что при использовании самоустанавливающей-ся версии драйвера модуль подключается к компьютеру только после установки.

При разработке изделия на базе микроконтроллера Vinculum следует обратить внимание на то, что хост-контроллеры поставляются незапрограммированными. Первичное программирование осуществляется только по интерфейсу UART. Если Vinculum предполагается программировать в составе изделия, необходимо предусмотреть доступ к интерфейсу UART на плате. Альтернативным способом программирования является использование программатора VPROG1, поставляемого производителем. В данном случае хост-контроллер программируется до установки на плату. Для перепрошивки или обновления программного обеспечения контроллера может использоваться USB флэш-диск. Новая версия ПО помещается в корневой каталог диска и автоматически загружается в ПЗУ VNC1L при подключении диска.

В начале 2009 года компания FTDI объявила о начале производства аппаратных мостов USB-UART/FIFO 5-го поколения. Новые микросхемы поддерживают спецификацию USB 2.0 и рассчитаны на работу в высокоскоростном режиме (hi-speed). На момент выхода данной статьи микросхемы уже должны быть запущены в серийное производство.

Новинки представлены двумя версиями — FT4232H и FT2232H. Обе микросхемы выполнены в 64-выводных корпусах типа QFN и LQFP, рассчитаны на напряжение питания

3,3 В и рабочий температурный диапазон от -40 до +80 °С. Конфигурация микросхем, дескрипторы USB, VID и PID хранятся во

внешней EEPROM, в качестве которой может быть использована микросхема AT93C46/56/66 фирмы Atmel. Если питание микросхем осуществляется от шины USB, в схеме требуется использовать регулятор напряжения на

3,3 В, например LP38693MP-3.3 производства National Semiconductor.

Микросхема FT2232H представляет собой 2-канальный аппаратный мост (рис. 6). Каждый канал включает буферную память на прием и передачу по 4 кбайта и интерфейсный контроллер. Последний может работать как последовательный (UART) или 8-разрядный параллельный интерфейс, или в режиме MPSSE. Параллельный интерфейс имеет несколько вариантов конфигурации, основными из которых можно назвать синхронный или асинхронный FIFO и bit-bang. В режиме MPSSE могут быть эмулированы различные последовательные интерфейсы, например, SPI, JTAG и IIC, или реализован интерфейс для загрузки конфигурации в ПЛИС Altera или Xilinx. Для интерфейсов SPI, JTAG и IIC компания FTDI предоставляет готовые библиотеки верхнего уровня. Данные режимы работы требуют использования D2xx-драйвера. Использование микросхем в качестве загрузчиков для ПЛИС аналогичное, как и в случае FT2232D.

Скорость обмена зависит от выбора выходного интерфейса. В режиме UART скорость каждого канала может достигать 12 Мбод. В режиме MPSSE — до 30 Мбит/с. Для синхронного параллельного интерфейса FIFO можно получить скорость более 25 Мбайт/с,

Рис. 7. Внешний вид отладочных модулей для микросхем FT2232H и FT4232H

Компания FTDI специализируется в разработке решений для USB. Она предлагает полностью готовые решения, используя которые, можно не задумываться о драйверах и тонкостях аппаратной и программной реализации USB. На базе микросхем FTDI, аппаратных мостах и хост-контроллере Vinculum реализация USB-интерфейса займет считаное время. Для всех микросхем выпускаются недорогие отладочные модули, с помощью которых можно быстро собрать и протестировать макет. Все новые микросхемы, начиная с FT232/245R, рассчитаны на работу в температурном диапазоне от -40 до +80 °С. Легкость в освоении и разработке — ключевая особенность всей продукции FTDI. Если необходим интерфейс USB, микросхемы FTDI помогут реализовать его с максимальной быстротой. ■