遵循USB協(xié)議的主/從機系統設計方案

0 引言

隨著(zhù)PDA、移動(dòng)電話(huà)、數碼相機、打印機等消費類(lèi)產(chǎn)品的普及，用于這些設備與電腦、或設備與設備之間的高速數據傳輸技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。以往以計算機為核心的數據傳輸結構，非常不利于USB,總線(xiàn)在嵌入式行業(yè)的應用，也不適用于野外作業(yè)，而OTG技術(shù)的推出則可實(shí)現在沒(méi)有PC的情況下，設備與設備之間的數據傳輸，它拓展了USB技術(shù)的應用范圍。本文采用的設計方案是基于Philips公司的ISP1362 OTG控制芯片，參照最新的USB OTG技術(shù)規范，設計了一種遵循USB協(xié)議的主/從機系統。

1 ISP1362芯片的內部結構

Philips公司的ISP1362是一款符合USB 2.0總線(xiàn)協(xié)議的接口芯片，內部有3個(gè)USB控制器一主機控制器、設備控制器和OTG控制器。其中，主機控制器具備高度優(yōu)化的USB主機功能;設備控制器則具有多達14個(gè)可編程端點(diǎn)，又可以被配置成雙緩沖端點(diǎn)進(jìn)一步提高吞吐量：而OTG控制器主要提供包括監控和轉換功能在內的所有OTG控制。ISP1362內部構造如圖1所示。

2 USB OTG主/從機系統設計

USB OTG主/從機系統設計包括硬件設計和軟件設計兩大模塊。其中硬件電路主要是USB接口電路板的設計;軟件設計包括設備初始化、系統的功能設計、設備驅動(dòng)程序設計等，下面分別介紹系統軟、硬件系統的設計方法。

2.1 系統硬件電路設計

USB OTG主/從機設計的硬件電路如圖2所示，圖中ATmega 32的PD口和IPA口用于控制ISP1362的時(shí)序，PB口和PC口則用于與ISP1362的D[0..15]進(jìn)行數據交換。ISP1362芯片有Port1和IPort2兩個(gè)USB接口。Port1是個(gè)綜合接口，可以配置成downstream、upstream或者是OTG;Port2是作為固定的downstream，主要接一般的USB設備。當ISP1362做主機時(shí)，主機內部的寄存器通過(guò)檢測其相應狀態(tài)寄存器的值就可以判斷是Port1還是Port2接了設備，從而進(jìn)行相應的處理。

ISP1362的Port1口主/從機功能通過(guò)ID、OTGMODE兩引腳電平的高低組合來(lái)確定。當OTGMODE引腳接低，無(wú)論ID電平如何，則芯片的Port1口只能OTG用;如果OTGMODE接高，ID接低，芯片的Port1口作主機使用;OTGMODE接高，ID也接高時(shí)，則芯片的Port1口作外設使用。在電路中通過(guò)15kΩ的上拉電阻和下拉電阻實(shí)現ID、OTGMODE兩引腳電平的高低變化。

2.2 系統軟件設計

本設計的主機系統是一個(gè)軟件和硬件的集合體，功能的實(shí)現不依賴(lài)于任何操作系統，而是通過(guò)中斷來(lái)調度各個(gè)任務(wù)，使之滿(mǎn)足USB通信的要求，因此系統是按照協(xié)議規范和特定的時(shí)序運行的。

本系統是ISP1362工作于主/從機模式下的應用，按系統硬件電路配置完成接口芯片，然后對其編程，就可以進(jìn)行USB數據傳輸。系統工作流程如下：首先進(jìn)行系統初始化，構建PTD傳輸描述符，接著(zhù)總線(xiàn)枚舉過(guò)程，給外設分配地址，獲取外設的基本信息，并判斷外設為主機設備或是從機設備，之后驅動(dòng)相應的主/從機驅動(dòng)程序運行，數據傳送和接收，根據總線(xiàn)的活動(dòng)情況判斷是否掛起。系統流程圖如圖3所示：

實(shí)現ISP1362芯片的軟件編程控制，就是對該芯片的CS、RD、WR、A0、A1引腳的控制。本文中CS代表片選，低電平有效;RD代表讀信號，低電平有效;WR代表寫(xiě)信號，低電平有效;A0引腳電平的高低不同，分別表示傳輸的信號代表的是命令信號還是數據信號;A1引腳電平的高低不同，分別表示控制的是外設還是主機。通過(guò)上述幾個(gè)引腳信號的組合，可以實(shí)現讀寫(xiě)控制ISP1362的不同功能。除此之外，以下的幾個(gè)引腳對于控制ISP1362也有重大意義：DREQ1引腳代表DMA請求輸出，當它高電平有效時(shí)，通知IDMA控制器主機正在請求數據傳送;DREQ2引腳高電平有效時(shí)，通知DMA控制器外設正在請求數據傳送;DACK1引腳代表DMA確認輸入，低電平有效時(shí)表明來(lái)自主機的DMA傳輸請求已經(jīng)被DMA控制器確認;DACK2引腳低電平有效時(shí)表明來(lái)自外設的DMA傳輸請求已經(jīng)被DMA控制器確認;INT1和INT2引腳連接到外部微處理器的IRQ引腳，使得ISP1362可以根據請求執行中斷服務(wù)程序。軟件設計具體工作流程如下：

(1)系統硬件初始化，包括ATmega32和ISP1362的初始化。AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器，它具有功耗低、速度快、輸出高、開(kāi)發(fā)工具開(kāi)放、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，它的程序存儲器和數據存儲器是可以獨立訪(fǎng)問(wèn)的哈佛結構，因此代碼執行效率非常高。ATmega系列單片機的內部模塊還很豐富，可用的資源也很多，本文對ATmega32的初始化，就是要對它的I/O口、定時(shí)器、時(shí)鐘、看門(mén)狗等進(jìn)行相應的設置，使之開(kāi)始工作。而ISP1362的初始化，就是當ISP1362上電后，主機控制器驅動(dòng)程序(HCD)必須通過(guò)一系列的硬件初始化步驟來(lái)配置主機控制器，從而進(jìn)入可操作狀態(tài)。首先檢測主機控制器是否存在，此步由MCU(單片機)實(shí)現，本文通過(guò)MCL響HcScratch寄存器內寫(xiě)入某個(gè)值，再從該寄存器中讀取，將讀出值與寫(xiě)入數值進(jìn)行比較，若相等，則可說(shuō)明主機控制器存在;反之則出錯，無(wú)主機控制器存在。

(2)構建PTD描述符。PTD(Phi l ips Transfer Descriptor)為ISP1362主機控制器與外圍設備的通信提供了一個(gè)傳輸渠道，要在主機與外設之間進(jìn)行通訊，首先需要構建一個(gè)PTD。PTD具有3種傳輸類(lèi)型：控制和批量傳輸(非周期傳輸)PTD、中斷傳輸PTD和同步傳輸PTD。

(3)主機分配地址給設備，獲取設備描述符和設備的功能信息。主機通過(guò)不斷地向外設發(fā)送設備請求來(lái)獲取設備、端點(diǎn)的功能信息。獲取USB設備描述符的過(guò)程分為三個(gè)步驟：a.主機通過(guò)設備的默認端點(diǎn)獲取設備描述符，為設備分配一個(gè)惟一的地址;b.主機讀取配置描述符信息、接口描述符信息和端點(diǎn)描述符信息;c.根據設備的相關(guān)信息調用相應的事務(wù)處理程序。

(4)設備枚舉成功之后，主機就可以根據已編寫(xiě)的進(jìn)程與外設進(jìn)行USB通信，等待、查詢(xún)數據的發(fā)送和接收。

(5)數據發(fā)送或接收完畢之后，根據QueryBus函數查詢(xún)總線(xiàn)的活動(dòng)情況，判斷設備是否需要掛起。

2.3 設備驅動(dòng)程序

要實(shí)現主機對從機的讀寫(xiě)，USB主機必須具有相應的驅動(dòng)，對各種讀寫(xiě)指令進(jìn)行封裝、解釋和執行。開(kāi)發(fā)驅動(dòng)有很多種方法，本文采用直接在USB主機接口驅動(dòng)上層封裝一個(gè)USB傳輸API 函數-USBXfer，應用于實(shí)現各種USB傳輸。

3 結束語(yǔ)

本文設計的USB 0TG主從機系統性能穩定，數據傳輸效率高。測試表明，此設計能夠正確地實(shí)現USB 0TG主從機間的數據交換，性能可以滿(mǎn)足設備間的數據傳輸要求，同時(shí)又能很好地控制成本，具有一定的實(shí)用價(jià)值。