基于LUFA開源框架庫對AVR芯片進行USB終端設備開發

　　摘要：本文針對一般USB設備的開發過程過于困難、復雜、繁瑣等不利于快速開發的問題，引入了LUFA(Lightweight USB Framework for AVRs)開源框架庫，解決了基于AVR芯片的USB設備的快速開發問題。這種方法能實現快速開發并實現相關的產品，并且有穩定的性能表現，具有工程實踐意義。

　　概述

　　目前，USB控制器主要有兩種：一種是帶USB接口的單片機(MCU)，另一種是純粹的USB接口芯片。前者的最大優勢在于，開發者對系統結構和指令集非常熟悉，開發工具簡單，容易進行功能拓展，但其成本相對較高;后者的最大特點是，價格便宜，接口方便，可靠性高，但其硬件架構相對復雜，軟件部分限制相對較大。

　　在工程實踐中，有時需要快速可靠地開發出相應的USB終端設備，或者針對特定領域開發出專用產品。此時，如果有一個成熟可靠的軟件框架，可以事半功倍地滿足相應的需求。本文針對AVR的部分帶USB接口的單片機，如：AT90USB系列，ATmega8U系列，ATmega16U系列，AT32UC3系列的部分型號，ATXmega系列的部分型號等，介紹LUFA開源框架，以實現快速開發USB終端設備，或者針對特定領域開發專用產品。

　　1 USB協議概述

　　USB是一種串行接口協議，應用日益廣泛。但是，要熟悉其協議內容并不簡單，其協議文檔繁雜羅嗦，Linux uhci驅動作者之一Alan Stern曾經就說過：

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

　　他同時還對軟件開發者指出，開發者最需要注意的是兩點：一、底層協議(非常簡單，但很多小細節要注意)，二、其他。

　　簡而言之，USB協議，在硬件上，靠D+，D-兩條數據線進行差分傳輸，以及NRZI的編碼方式。在通信上，依靠封包(package)格式進行數據傳輸。封包由若干個域(Package Field)構成，每個域由若干位組成(具體的位數由具體的域決定)。其細節部分繁多復雜，上手困難，也極其容易出錯。

　　2 LUFA開源框架

　　LUFA(Lightweight USB Framework for AVRs)，由澳大利亞人Dean Camera開發，是一個基于MIT協議分發的開源框架。針對帶USB接口的Atmel AVR8單片機和部分AVR32單片機系列，LUFA實現了一個完全符合USB通信協議的開源框架庫。基于這個框架，不僅能開發出合適的終端設備，也能在部分設備上開發出合適的主控制端。

　　該框架庫經過多年的測試改進，現已處于穩定版本。其針對AVR-GCC編譯器進行了優化設計，使用了部分GCC特有的拓展方式，使得這個庫的相關API能更穩定流暢地運行。相關的編譯器AVR-GCC，能在Atmel網站下載到相應系統的版本。在LUFA源碼庫里面，有多達三四十種不同應用的示例版本。

　　● 支持的芯片類型

　　LUFA是針對帶USB接口的Atmel AVR 8/32位單片機進行開發的，所以只要是帶USB接口的Atmel AVR單片機，均可使用LUFA開源框架庫。例如：AT90USB系列，ATmega8U系列，ATmega16U系列，AT32UC3系列，ATXmega系列等。詳情可查看LUFA的相關文檔。

　　● 源碼下載

　　LUFA的項目主頁(英文)在http://www.fourwalledcubicle.com/LUFA.php。該項目的源碼版本管理托管在github上，相關地址在http://github.com/abcminiuser/lufa。更多詳情，可以在LUFA的項目主頁上查看。

　　● 開發環境搭建

　　Atmel提供了相關的工具鏈，使得開發者可以簡單方便地進行開發，包括Linux平臺和Windows平臺。除了Atmel提供的工具鏈之外，還可以使用第三方工具鏈，按照自己的需要來進行開發。同時，LUFA已經成為Atmel Studio 6.1及后續版本的原生插件之一。無論是編譯固件，還是固件上傳，LUFA文檔都提供了詳細的說明。詳情請參閱LUFA文檔部分：LUFA Library -> Getting Started。

　　3 設備開發示例說明

　　在本示例中，本文以ATmega32U4制作一個可編程鍵盤為示例，演示LUFA開源框架庫的開發流程方式。該示例分成兩大部分：一、制作bootloader，以便對設備進行編程燒錄;二、實現矩陣鍵盤功能。

　　● ATmega32U4微處理器

　　ATmega32U4是一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC(精簡指令集)接口的高性能、低功耗8位單片機。處理器具有可控制的上電復位延時電路和可編程的前沿檢測電路，帶有雙周期乘法器，以及32個8位通用工作寄存器，內部和外部共計13個中斷源，加上豐富的的指令集，使得大部分的指令執行時僅為一個時鐘周期。因此可達到1MIPS/MHz的性能，運行速度比普通單片機高得多。