一種USB2.0數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式

1、一種 USB2.0 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式摘 要： USB (Universal Serial Bus ，通用串行總線 )是外圍設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接的新型接口，其誕生對(duì)計(jì)算機(jī)外設(shè)連接技術(shù)產(chǎn)生重大變革。對(duì) Philips 公司的工業(yè)級(jí) USB2.0 控制芯片 ISP1581 的性能特點(diǎn)作了介紹，并重點(diǎn)討論了其硬件電路及固件程序的設(shè)計(jì)。此外還簡(jiǎn)要提及了其上層程序的編寫。關(guān)鍵詞： USB2.0 ； ISP1581； DMA 傳輸中圖分類號(hào)： TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1672-7800（ 2011） 09-0040-030 引言 ?通用串行總線USB(Universal Serial Bu

2、s) 接口是近年來(lái)開始普遍應(yīng)用于PC 領(lǐng)域的新型接口；同時(shí)，USB2.0 在USB1.1 的基礎(chǔ)上又有了質(zhì)的提高，其理論速度可以達(dá)到480Mbps 。 ?目前市場(chǎng)上供應(yīng)的USB2.0 控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(jī)和純粹的USB 接口芯片。但此類芯片基本上用于商業(yè)領(lǐng)域，無(wú)法適用工控領(lǐng)域的惡劣環(huán)境；純粹的USB接口芯片僅處理USB 通信，必須有個(gè)外部微控制器/處理器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。純粹的 USB 接口芯片主要特點(diǎn)是接口方便、可靠性強(qiáng)、適用范圍廣，尤其Philips 公司提供的 ISP1581 芯片，能夠在40 85的溫度范圍內(nèi)正常工作，十分適合工控領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?1 IS

3、P1581的芯片性能特點(diǎn)?ISP1581是一款性能非常出眾的USB2.0控制器，它實(shí)現(xiàn)了 USB2.0/1.1 物理層以及數(shù)據(jù)協(xié)議層需要完成的任務(wù)， 接口速度可達(dá) 12.5M 字節(jié) /s 或 12.5M 字 /s；同時(shí)還做到可以與大部分類型的微控制器 /處理器相連， 非常適合做很多外圍設(shè)備與 PC 的通訊接口。其一些具體的性能特點(diǎn)如下： ISP1581 含有 7 個(gè) IN 端點(diǎn)， 7 個(gè) OUT 端點(diǎn)和 2 個(gè)控制端點(diǎn)。芯片的工作頻率為 12MHZ ，同時(shí)內(nèi)部集成了一個(gè) 40 PLL 時(shí)鐘乘法器可產(chǎn)生 480MHZ 的內(nèi)部抽樣時(shí)鐘；通過(guò) Philips 串行接口引擎（ SIE）來(lái)完成所有 US

4、B 協(xié)議層的功能，主要完成以下功能：同步方式的識(shí)別、并行 /串行的轉(zhuǎn)換、位填充 /解除填充等。 考慮到速度， 它是全硬件的， 不需要軟硬件介入；通過(guò) MMU 和集成 RAM 實(shí)現(xiàn)了 USB 總線和微控制器 /處理器或 DMA 控制器之間的速度轉(zhuǎn)換。 DMA 控制器接收到 DMA 命令后，可直接把數(shù)據(jù)從內(nèi)部 RAM 傳送到外部 DMA 設(shè)備或從外部 DMA 設(shè)備傳送給內(nèi)部 RAM ；在分離總線模式下，通過(guò) DMA 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn) ISP581 芯片與 DMA 數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)接收端的數(shù)據(jù)傳輸， 不需要微控制器 /處理器參與， 提高傳輸速度。 ?2 ISP1581 硬件電路設(shè)計(jì) ?ISP1581 與系統(tǒng)的

5、微控制器接口模式有兩種：通用處理器模式與分離總線模式。相對(duì)于通用處理器模式，分離總線模式采用 DMA 方式直接傳輸數(shù)據(jù)，在保證系統(tǒng)性能的前提下降低對(duì)微處理器的要求。故此處Atmel89C51(以下簡(jiǎn)稱89C51) 與ISP1581連接采用分離總線模式，即多路復(fù)用8 位地址 /數(shù)據(jù)總線和單獨(dú)的8 位/16位DMA總線。由89C51和ISP1581構(gòu)成的USB2.0接口電路如圖1 所示。?在硬件系統(tǒng)中， 89C51 與 ISP1581 的通訊采用中斷方式，當(dāng) ISP1581 接收到主機(jī)信號(hào)后引發(fā) 89C51 的 INT0 中斷，使 89C51 進(jìn)行下一步工作。 RPU 引腳通過(guò) 1.5k電阻器上拉

6、； RREF 引腳通過(guò) 12.0k 精密電阻器接數(shù)字地； BUS_CONF引腳的功能是選擇總線模式，接地后為分離總線模式；MODE0 引腳用來(lái)選擇讀/寫功能，上拉后為 8051 型；MODE1引腳在分離總線模式下用于ALE/A0 的功能選擇，接地后選擇 ALE 功能。ISP1581 內(nèi)部集成了復(fù)位電路 , 將 RESET 引腳直接接高電平即可復(fù)位。 （DMA 傳輸引腳 EOT 、DIOR/W 、DATAi 等信號(hào)不由 89C51 提供，由 DMA 數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)接收端提供符合 ISP1581 DATASHEET 要求的 DMA 時(shí)序信號(hào)即可，不涉及 USB 協(xié)議內(nèi)容， 相對(duì)簡(jiǎn)單。 因?yàn)閳D片排版問(wèn)

7、題此處沒有提供圖例，類似還有系統(tǒng)供電濾波部分。詳細(xì)可參見參考文獻(xiàn) 2 ISP1581 Product Datasheet）。圖 1 USB2.0 接口電路原理圖 2 固件程序主流程?3 ISP1581 固件程序設(shè)計(jì) ?在 USB2.0 協(xié)議中規(guī)定， 所有 USB 通信都必須由主機(jī)發(fā)起，設(shè)備只能響應(yīng)來(lái)自主機(jī)的命令。 在這種結(jié)構(gòu)下， ISP1581的固件編程采取中斷驅(qū)動(dòng)的方式。主機(jī)對(duì) 1SP1581 的任何操作都會(huì)引起ISP1581 對(duì)相應(yīng)的中斷位置位，同時(shí)引發(fā)89C51中斷； 89C51 通過(guò)查詢 ISP1581 中斷源寄存器判斷并處理中斷。這樣一方面保證了快速的數(shù)據(jù)傳輸和較好的軟件結(jié)構(gòu)，另一方

8、面簡(jiǎn)化了編程和測(cè)試。 ?固件程序主循環(huán)流程如圖 2 所示。在系統(tǒng)上電后，首先初始化 89C51 和 ISP1581。初始化主要完成 89C51 中斷設(shè)置與 ISP1581 預(yù)設(shè)寄存器設(shè)置，主要包括地址寄存器，方式寄存器，中斷寄存器， DMA 寄存器，及端點(diǎn)寄存器等。地址寄存器設(shè)置 USB 的分配地址并激活 USB 設(shè)備（一般設(shè)置默認(rèn)地址 0，在 SETUP 過(guò)程中改設(shè)為主機(jī)提供的地址） ；方式寄存器控制著重新開始、掛起和喚醒行為、中斷行為、軟件復(fù)位、時(shí)鐘信號(hào)和軟件連接操作；中斷寄存器控制中斷使能以及決定 INT 輸出的動(dòng)作和極性； DMA 寄存器中， DMA 配置寄存器和 DMA 硬件寄存器設(shè)

9、置 DMA 模式及信號(hào)觸發(fā)極性；端點(diǎn)寄存器包括設(shè)置端點(diǎn)緩存大小，端點(diǎn)傳輸類型，以及端點(diǎn)使能等（端點(diǎn)寄存器的設(shè)置要與準(zhǔn)備提供的端點(diǎn)描述符相一致） 。 ?初始化完成后，系統(tǒng)循環(huán)等待主機(jī)命令引發(fā)的中斷，主要中斷有 SETUP 中斷 (即 USB 控制傳輸中斷 )、總線掛起中斷、總線喚醒中斷、各端點(diǎn)數(shù)據(jù) IN 或 OUT 中斷和兩個(gè)廠商請(qǐng)求中斷 (固件版本查詢中斷和 DMA 傳輸使能中斷 )。中斷服務(wù)程序流程如圖 3 所示。系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，讀取 ISP1581 中斷寄存器內(nèi)容并拷貝到全局中斷，然后清除 ISP1581 中斷源，以免再次觸發(fā)。 ?當(dāng)固件接受到第一個(gè)SETUP 中斷后，進(jìn)入U(xiǎn)SB

10、枚舉過(guò)程。枚舉過(guò)程與USB 協(xié)議關(guān)系最為密切，其過(guò)程是主機(jī)發(fā)出一系列 USB 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求并要求及時(shí)得到設(shè)備響應(yīng)，使主機(jī)能為該設(shè)備準(zhǔn)備其所請(qǐng)求的資源，建立好兩者之間的信息溝通機(jī)制。主要枚舉過(guò)程如下：?主機(jī)使用默認(rèn)地址下發(fā)GetDeviceDescriptorA （80 0600 01 00 00 40 00），設(shè)備上發(fā)18 位設(shè)備描述符，確定USB規(guī)范版本號(hào)與廠商ID 、產(chǎn)品 ID ，不用返回64 位數(shù)據(jù)；主機(jī)發(fā)送含有指定地址命令SetAddress（ 00 05 02 00 00 00 0000），在主機(jī)只有一個(gè)USB 設(shè)備的時(shí)候，此地址一般是2，最大地址可為127，即 USB 協(xié)議中規(guī)定可

11、以連接127 個(gè)設(shè)備。固件設(shè)置 ISP1581 的地址寄存器，進(jìn)入新地址狀態(tài)，主機(jī)以后會(huì)在新的指定地址處訪問(wèn)設(shè)備；主機(jī)使用新地址下發(fā)GetDeviceDescriptorB （ 80 06 00 01 00 00 12 00），設(shè)備重新上發(fā) 18 位設(shè)備描述符；主機(jī)使用新地址下發(fā)GetDeviceDescriptorC （ 80 06 00 02 00 00 09 00），設(shè)備上發(fā) 9位配置描述符，確定接口數(shù)目以及電源獲取方式等；主機(jī)使用新地址下發(fā)GetDeviceDescriptorD （ 80 06 00 02 00 00 FF00），設(shè)備上發(fā)全部描述符，包括配置描述符號(hào)、接口描述符號(hào)、端

12、點(diǎn)描述符，確定接口與端點(diǎn)詳細(xì)信息；讀取全部ConfigDescriptor 后，主機(jī)將找到新設(shè)備， 提示安裝驅(qū)動(dòng)程序；在設(shè)備能通信前，主機(jī)給出SetConfiguration （ 00 00 09 010 00 00 00）請(qǐng)求，設(shè)備收到后調(diào)整有關(guān)信息，使設(shè)備能被客戶軟件利用枚舉過(guò)程涉及大量USB 協(xié)議中規(guī)定的內(nèi)容， 其重點(diǎn)是 USB 描述符所代表的具體含義，如最大信息包、 接口數(shù)目、端點(diǎn)數(shù)目、電源配置等。在提示安裝驅(qū)動(dòng)程序前，可使用 BusHound 對(duì) USB 傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)。驅(qū)動(dòng)可先使用philips 的驅(qū)動(dòng)，待系統(tǒng)完成后再根據(jù)性能考慮是否需要驅(qū)動(dòng)的更新。枚舉過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸皆通過(guò)ISP1

13、581 的端點(diǎn) 0 實(shí)現(xiàn)，使用 USB 的控制傳輸類型。圖 3 中斷服務(wù)程序流程圖 4 BusHound 對(duì) USB 口數(shù)據(jù)流的監(jiān)控結(jié)果 ?枚舉結(jié)束，系統(tǒng)又處于循環(huán)等待主機(jī)其他命令狀態(tài)，一旦得到主機(jī)要求，就開始傳輸數(shù)據(jù)。 相對(duì)于控制傳輸來(lái)說(shuō)，USB 的其他幾種傳輸模式都比較好處理。ISP1581 的 7 個(gè) IN端點(diǎn)和 7 個(gè) OUT 端點(diǎn)均可通過(guò)編程設(shè)置為批量傳輸、中斷傳輸或等時(shí)傳輸模式。在芯片處于分離總線模式下，89C51與 DMA 數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)接收端均可以與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一般少量控制命令數(shù)據(jù)由 89C51 實(shí)現(xiàn)，大批量數(shù)據(jù)由 DMA數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)接收端通過(guò)DMA 傳輸引腳提供或接收，兩

14、者需分別通過(guò)ISP1581 不同的端點(diǎn)進(jìn)行傳輸。?89C51 與主機(jī)通信， 通過(guò)設(shè)置 ISP1581 的端點(diǎn)索引寄存器、數(shù)據(jù)端口寄存器、緩沖區(qū)長(zhǎng)度寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)（枚舉階段固件程序相相似） 。89C51 上傳主機(jī)數(shù)據(jù)的程序段主要內(nèi)容如下：?ISP_Cntrl_Reg.ISP_ENDPT_INDEX = port; /選擇端點(diǎn)?ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_LSB =(unsigned char) len;?ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_MSB =(unsigned char) (len8); / 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 ?while(len -

15、 != 0)? ISP_Cntrl_Reg.ISP_DATA_PORT_LSB = *buf; /填寫FIFO ， buf為數(shù)據(jù)地址?buf+;? ?89C51 接收主機(jī)數(shù)據(jù)的程序段主要內(nèi)容如下：?ISP_Cntrl_Reg.ISP_ENDPT_INDEX = port; /選擇端點(diǎn)?len = ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_MSB;?len 8);?ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_TRANSFER_COUNTER_MSB_L = 0;?ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_TRANSFER_COUNTER_MSB = 0;?ISP_Cntr

16、l_Reg.ISP_DMA_COMMAND =DMA_Write_Command; / 啟動(dòng) DMA 傳輸 ?while(!DMA_Int_Flag.BITS.DMA_DONE& !DMA_Int_Flag.BITS.INT_EOT)? if(USB_Int_Flag.BITS.SUSP |Kernel_Flag.BITS.Bus_Reset | ?USB_Int_Flag.BITS.EP0SETUP)? ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_COMMAND =DMA_RESET;?DMA_Init();?break;? ? / 循環(huán)判斷是否DMA 傳輸結(jié)束或系統(tǒng)強(qiáng)制結(jié)束DMA_Int_

17、Flag.BITS.DMA_DONE = 0;?DMA_Int_Flag.BITS.INT_EOT = 0; /復(fù)位系統(tǒng)標(biāo)志?設(shè)置接收主機(jī)數(shù)據(jù)的程序段主要內(nèi)容(略 )。?4 主機(jī)程序設(shè)計(jì)?主機(jī)程序設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。?主機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序可以使用USB芯片廠商提供的驅(qū)動(dòng)（ Philips 公司提供了 ISP1581 的驅(qū)動(dòng) , ?在 Philips 網(wǎng)站（ www.P ）上可獲得），也可以自己編寫。編寫主機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序是 USB 開發(fā)中較困難的事情 ,通常采用 WindowsDDK來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前有許多第三方開發(fā)軟件, 使用他們開發(fā)要簡(jiǎn)單許多，有WinDriver Wizard ，Driv

18、erStudio 等 (這部分在參考文獻(xiàn) 4 Windows2000 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)指南中已有很詳細(xì)說(shuō)明)。 ?應(yīng)用程序設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，它調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)即可，包括初始化USB 設(shè)備，發(fā)送操作命令，關(guān)閉USB設(shè)備等。應(yīng)用程序也可先用Bus Hound 替代，它可以監(jiān)控USB 口上數(shù)據(jù)流的一舉一動(dòng)，是調(diào)試主機(jī)應(yīng)用程序和固件的有力工具。上面介紹系統(tǒng)程序的運(yùn)行結(jié)果，用 Bus Hound 監(jiān)控的得到數(shù)據(jù)如圖 4 所示，從圖中可以看到從 USB 口讀進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)有設(shè)備描述符數(shù)據(jù)、管道信息數(shù)據(jù)以及從數(shù)據(jù)端點(diǎn)上讀進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)塊。 ?5 結(jié)束語(yǔ) ?本文詳細(xì)介紹了基于ISP1581 芯片的 USB2.0 接口設(shè)計(jì)。ISP1581 是一款性能優(yōu)化的USB 接口芯片 , 具有同外部微控制器接口簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活、調(diào)試方便和性價(jià)比較高、適用于工業(yè)領(lǐng)域等優(yōu)點(diǎn)。采用ISP1581 可以快速開發(fā)出高性能的USB2.0 設(shè)備?？梢灶A(yù)見， 它將在大容量存儲(chǔ)器、音頻視頻等高速大流量的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合得