Сегментация EEPROM-памяти микросхем FTDI на примере ft232h

Компания Future Technology Devices International (FTDI) [1] выпускает широкий спектр аппаратных преобразователей интерфейсов (USB-мосты). Эти устройства позволяют соединять USB Host с устройством, не имеющим USB-интерфейса.

Одноканальные или многоканальные универсальные USB-мосты имеют один, два или четыре пользовательских порта, а их универсальность достигается за счет режима MPSSE (Multi-Protocol Synchronous Serial Engine). В режиме MPSSE эти мосты могут эмулировать работу различных последовательных протоколов [2]. Серия состоит из таких микросхем: FT2232D, FT2232С, FT232Н, FT2232H и FT4232H.

Они имеют возможность настройки VID/PID-устройства, режима использования порта, области данных производителя, пользовательской области данных, которые сохраняются в энергонезависимой памяти EEPROM. Эти микросхемы могут работать с внешней памятью AT93c46/56/66 фирмы Atmel или совместимыми с ней видами памяти.

USB-мосты компании FTDI очень часто используют в качестве универсального средства для программирования и отладки различного вида микроконтроллеров и ПЛИС.

Для того чтобы разобраться в содержимом памяти, возьмем для примера устройство, которое предлагает компания Digilent [3] на базе микросхемы FTDI. Это устройство представляет собой программатор-отладчик для микросхем ПЛИС фирмы Xilinx.

Хотелось бы также отметить, что компания Digilent позаботилась о полной совместимости своего устройства JTAG-HS2 со всеми отладочными средствами, которые предлагает Xilinx (EDK, ChipScope, Impact).

Разработчики устройства JTAG-HS2 построили его на микросхеме FT232Н. Чтобы разобраться, что к чему, рассмотрим память, считанную с устройства JTAG-HS2. Вычитать данные можно при помощи программы FT_Prog [4], предоставляемой компанией FTDI. Для удобства все данные были сведены в таблицу, различные области отмечены разным цветом:

• красный — область конфигурации;
• зеленый — область пользовательских данных;
• синий — область отметки о производителе;
• желтый — область отметки о продукте;
• оранжевый — область серийного номера устройства;
• фиолетовый — контрольная сумма.

Рассмотрим, какая информация записана в каждой из областей памяти с указанием смещения в байтах относительно начала:

• 0х00; 0х01 — настройки порта(-ов) устройства (для каждого устройства индивидуальные).
• 0х02; 0х03 — Vendor ID (0x0403).
• 0х04; 0х05 — Product ID (0x6014).
• 0х06; 0х07 — тип используемой микросхемы USB-моста:
  • 0х0009 — FT232H;
  • 0х0008 — FT4232H;
  • 0х0007 — FT2232H;
  • 0х0006 — TYPE_R;
  • 0х0005 — FT2232C;
  • 0х0004 — TYPE_AM;
  • 0х0002 — TYPE_BM.
• 0х08 — конфигурационные биты:
  • бит 7: всегда 1;
  • бит 6: 1/0 — устройство имеет/не имеет собственный источник питания;
  • бит 5: 1/0 — устройство использует/ не использует режим дистанционного пробуждения;
  • биты 4–0: всегда 0.
• 0х09 — максимальное потребление тока умноженное на 2 мА (0хFA — 500 мА).
• 0х0А — настройки микросхемы:
  • биты 7–5: всегда 0;
  • бит 4: 1/0 — версия USB 2.0/1.1;
  • бит 3: 1/0 — использовать/не использовать строку серийного номера;
  • бит 2: 1/0 — включить/выключить подтяжки к 0 в режиме остановки для более низкого потребления;
  • бит 1: 1/0 — изохронный/стандартный режим обращения к выходной конечной точке;
  • бит 0: 1/0 — изохронный/стандартный режим обращения к входной конечной точке.
• 0хВ; 0хC; 0xD — настройки порта(-ов) устройства (для каждого устройства индивидуальные).
• 0хЕ — смещение в байтах, по которому находится область отметки о производителе (синий).
• 0хF — длина блока области отметки о производителе (синий).
• 0х10 — смещение в байтах, по которому находится область отметки о продукте (желтый).
• 0х11 — длина блока области отметки о продукте (желтый).
• 0х12 — смещение в байтах, по которому находится область серийного номера устройства (оранжевый).
• 0х13 — длина блока области серийного номера устройства (оранжевый).
• 0х1Е — тип микросхемы EEPROM (46/56/66) (для каждого типа микросхем смещение этого поля различное).
• (0х20–0х9F) + (0хF6–0xFD) — область пользовательских данных (первая часть всегда занимает (EEPROM_Size) 128 байт) (зеленый) [4].
• (0xA0–0xB1) — область отметки о производителе (записывается в формате unicode).
• (0xB2–0xD9) — область отметки о продукте (записывается в формате unicode).
• (0xDA–0xF3) — область серийного номера устройства (записывается в формате unicode).
• 0xF4; 0xF5 — поле, указывающее на номер порта и режим PnP (если такая настройка доступна для данной микросхемы, в противном случае поле содержит нули).
• 0хFE; 0xFF — контрольная сумма, вычисляемая по алгоритму:

checksum = 0xAAAA;
for (i = 0; i < eeprom_size-1; i++)
{
    checksum = value[i]^checksum;
    checksum = (checksum << 1) | (checksum >> 15);
}
return user_area_size;

В старшем байте первого слова каждой из областей отметки о производителе, продукте и серийном номере записана длина этой области в байтах. В младшем байте этого слова записан признак наличия данных 0х03. Более подробную информацию о настройке порта(-ов) устройства или размещении поля типа микросхемы EEPROM можно найти в исходниках библиотеки [5].

Для того чтобы убедиться в полной совместимости USB-мостов внутри серии, запишем ту же информацию в двухпортовую ft2232h. Для этого возьмем модуль FT2232HQ Mini Module [6], подключим его к компьютеру и откроем при помощи программы FT_Prog.

Во вкладке USB_Config_Description в поле Max Bus Power следует поставить значение 500. Во вкладке USB_String_Description необходимо записать в полях:

• Manufacturer— Digilent;
• Product Description— Digilent USB Device;
• Serial Number— 210249854606.

Во вкладке Hardware_Specific → Port_A → Hardware нужно установить отметку напротив 245 FIFO, а в Hardware_Specific → Port_A → Driver — напротив D2XX. Все эти действия показаны на рис. 1.

Рис. 1. Настройка микросхемы в программе FT_Prog

После настройки нужно записать эти данные в память EEPROM (рис. 2).

Рис. 2. Запись памяти EEPROM

Для записи пользовательской области EEPROM необходимо воспользоваться функцией FT_EE_UAWrite из библиотеки D2XX API (пример использования этой функции приведен в [5]) либо программой автора (программа автора предлагается без техподдержки.) [6], которая запишет все необходимые данные автоматически (рис. 3).

Рис. 3. Запись пользовательской области EEPROM

Далее необходимо отсоединить кабель USB и затем вновь подключить его к компьютеру. После чего должна начаться автоматическая настройка драйверов устройства, по окончании которой в списке устройств у вас должно появиться три устройства (рис. 4):

• USB Serial Converter A;
• USB Serial Converter B;
• составное USB-устройство.

Рис. 4. Список устройств USB

При подключении все USB-устройства должны передавать в USB Host свои дескрипторы в ответ на специальный запрос. Стандарт USB определяет специальную группу дескрипторов, которая должна выдаваться устройством в ответ на стандартный запрос [9]. Благодаря использованию памяти EEPROM пользователь может настроить некоторые дескрипторы по своему усмотрению. Часть из них передается микросхемой FTDI в USB Host в неизменном виде (например, Vendor ID, Product ID, область серийного номера устройства (рис. 4)), а другая часть кодируется (например, версия USB 2.0/1.1 в EEPROM указывается одним битом, а в USB Host передается 0х0200/0х0110). Более детально о дескрипторах и взаимодействии с USB-устройствами можно прочитать в [9].

Поскольку за образец был взят программатор-отладчик ПЛИС Xilinx, то для проверки корректности проделанных операций нужно подключить выводы микросхемы USB-моста к выводам ПЛИС следующим образом:

• ADBUS0 — TCK;
• ADBUS1 — TDI;
• ADBUS2 — TDO;
• ADBUS3 — TMS.

В приложении impact, поставляемом в Web Edition версии ПО Xilinx, проверяем работу устройства, предварительно установив драйверы от Digilent, которые находятся в папке \…\Xilinx\14.1\ISE_DS\common\bin\nt64\digilent\install_digilent.exe. Устройство должно определиться как оригинальное JTAG-HS2 при выборе меню Output → Cable Auto Connect. Далее следует просканировать JTAG-цепочку, выбрав File → Initialize Jtag Chain, и после этого можно программировать устройства (рис. 5).

Рис. 5. Результат работы программатора-отладчика

Таким образом, разработчики JTAG-HS2 для идентификации своего устройства используют не только области стандартного дескриптора (отметка о производителе, отметка о продукте, серийный номер), но и дополнительную область пользовательских данных, которая не входит ни в один из дескрипторов. После проверки всех этих областей программа, которая взаимодействует с этим программатором-отладчиком, однозначно может идентифицировать его на шине USB.

В завершение отметим, что результаты, приведенные в этой статье, отражают лишь методы исследования. Вся информация для них была собрана из общедоступных публичных интернет-ресурсов и предназначена исключительно для ознакомительных целей. Изложенные сведения могут несколько отличаться в зависимости от серии, типа и ревизии микросхем. Также предупреждаем читателей, что, как и все устройства, подключаемые к порту JTAG, предлагаемое автором устройство требует тщательной проверки. Поэтому сначала проверьте осциллографом сигналы на JTAG без их подключения к ПЛИС и только затем подключайте устройство к ПЛИС.

Выводы

FTDI предлагает практически универсальные, гибкие в настройке, простые в использовании аппаратные средства для создания USB-совместимых устройств.

Используя дополнительные ресурсы внешней памяти EEPROM, подключаемой к микросхемам от FTDI, пользователь получает возможность расширить сферу применения продукции этой компании. Разработчику предоставляется возможность изменять не только стандартные дескрипторы устройства, но и дополнительную область пользовательских данных, что позволяет однозначно идентифицировать подключаемое оборудование программой, которая выполняется со стороны USB Host.