嵌入式系统的USB虚拟串口设计

　　现代嵌入式系统中，异步串行通信接口往往作为标准外设出现在单片机和嵌入式系统中。但是随着个人计算机通用外围设备越来越少地使用串口，串口正在逐渐从个人计算机特别是便携式电脑上消失。于是嵌入式开发人员常常发现自己新买来的计算机上没有串口，或者出现调试现场用户的计算机没有串口的尴尬局面。相反，现在的个人计算机普遍拥有4个以上的USB接口，能不能使用USB接口代替串口，完成PC机和嵌入式系统的通信呢?

　　1 USB虚拟串口代替物理串口的可行性

　　首先，越来越多带USB接口的器件涌现出来，如带USB接口的单片机，或独立的USB接口器件，而且这些器件的成本已经很接近于使用RS232电平转换芯片所带来的成本。

　　其次，市场上也出现了一些USB接口转串口的芯片，这些芯片一头为串口，另一头为USB接口，在其内部完成串口到USB协议的转换。该芯片通过USB口连接到个人计算机后，在操作系统中表现为一个串口设备，这意味着USB接口对于传统的串口调试工具(HyperTerninal)和用户基于串口的应用程序是透明的，开发人员完全不用更改PC端的调试和应用程序。

　　但是这些器件的USB类不属于标准的USB设备类，因此需要在Windows和Linux操作系统上安装额外的设备驱动。另外，由于不是操作系统自带的设备驱动，而且通信经过了由串口到串口，USB从设备到USB主机的多次转换，当调试遇到问题时常常无法确定是串口出了问题还是USB出了问题。因此，应该使嵌入式系统直接和PC通过USB总线接口连接(通过片上的USB接口或片外USB接口芯片)，由单片机直接完成USB虚拟串口的协议转换。

　　在USB标准子类中，有一类称之为CDC类，可以实现虚拟串口通信的协议，而且由于大部分的操作系统(Windows和Linux)都带有支持CDC类的设备驱动程序，可以自动识别CDC类的设备，这样不仅免去了写专用设备驱动的负担，同时简化了设备驱动的安装。

　　2 什么是CDC类

　　USB的CDC类是USB通信设备类(Communication Device Class)的简称。CDC类是USB组织定义的一类专门给各种通信设备(电信通信设备和中速网络通信设备)使用的USB子类。根据CDC类所针对通信设备的不同，CDC类又被分成以下不同的模型：USB传统纯电话业务(POTS)模型，USB ISDN模型和USB网络模型。其中，USB传统纯电话业务模型，有可分为直接线控制模型(Direct Line Control Model)、抽象控制模型(Abstract Control Model)和USB电话模型(USB Telephone Model)，如图1所示。本文所讨论的虚拟串口就属于USB传统纯电话业务模型下的抽象控制模型。

　　通常一个CDC类又由两个接口子类组成通信接口类(Communication Interface Class)和数据接口类(Data Interface Class)。笔者主要通过通信接口类对设备进行管理和控制，而通过数据接口类传送数据。这两个接口子类占有不同数量和类型的终端点(Endpoints)，如图2所示。对于前面所述的不同CDC类模型，其所对应的接口的终端点需求也是不同的。如所需要讨论的抽象控制模型对终端点的需求，通信接口类需要一个控制终端点(Control Endpoint)和一个可选的中断(Interrupt)型终端点，数据接口子类需要一个方向为输入(IN)的周期性(Isochronous)型终端点和一个方向为输出(OUT)的周期性型终端点。其中控制终端点主要用于USB设备的枚举和虚拟串口的波特率和数据类型(数据位数、停止位和起始位)设置的通信。输出方向的非同步终端点用于主机(Host)向从设备(Slave)发送数据，相当于传统物理串口中的TXD线(如果从单片机的角度看)，输入方向的非同步终端点用于从设备向主机发送数据，相当于传统物理串口中的RXD线。