基于ISP1581型接口電路的USB2.0接口設計

摘要：通用串行總線(xiàn)（USB）作為一種計算機與外圍設備連接的標準接口，具有即插即用、外展方便和傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。文中給出一種基于SIP1581型微控制器的USB2.0接口實(shí)現方案，同時(shí)給出它的軟硬件設計方法。

關(guān)鍵詞：通用串行總線(xiàn) 接口電路 固件 驅動(dòng)程序

1 引言

通用串行總線(xiàn)（USB）是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種串行總線(xiàn)標準，主要用于PC與外圍設備的互聯(lián)。USB總線(xiàn)具有使用簡(jiǎn)單、即插即用、易于擴展和傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。其協(xié)議主要有USB1.1和USB2.0二個(gè)版本，USB1.1的傳輸速率最高可以達到12Mb/s，USB2.0最高可以達到480Mb/s，因此可以滿(mǎn)足大部分數據的傳輸需要。

目前，用于USB接口的電路主要有二類(lèi)：一類(lèi)是帶USB接口的微控制器（如Cypress公司的EZUSB，Intel公司的8x931等）；另一類(lèi)是純粹的USB接口電路，它需要一個(gè)外部微控制器（如National Semiconductor公司的USBN9602，Philips公司的PDIUSBD12和ISP1581等）。通常在開(kāi)發(fā)USB設備之間必須根據具體要求選用合適的USB接口電路，以降低開(kāi)發(fā)成本,減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。

本文給出一種以Philips公司的ISP1581型接口電路作為USB接口，以TI公司的TMS320F2812型DSP作為微控制器的USB2.0接口實(shí)現方案和系統軟硬件設計方法。

圖1

2 ISP1581簡(jiǎn)介

ISP1581是Philips公司推出的一款高性?xún)r(jià)比的USB2.0接口電路。它完全遵循它完全遵循USB2.0規范,支持7個(gè)IN端點(diǎn),7個(gè)OUT端點(diǎn)和一個(gè)固定控制IN/OUT端點(diǎn)。ISP1581支持SUB2.0的自檢工作模式和USB1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運行。內部集成有串行接口引擎（SIE）、PIE、8KB的FIFO存儲器、數據收發(fā)器、PLL的12MHz晶體振蕩器和3.3V的電壓調整器。該電路可直接與ATA/ATAPI外設相連，并具有高速DMA接口。同時(shí)，可通過(guò)軟件控制與USB總線(xiàn)的連接（SoftConnect），ISP1581內部具有上電復位電路，支持3.3V和5V二種電源工作方式。

ISP1581與外部微控制器的通信主要通過(guò)一個(gè)高速通用并行接口來(lái)實(shí)現。它與微控制器的連接有二種模式：斷開(kāi)總線(xiàn)模式和通用處理器工作模式。在斷開(kāi)總線(xiàn)模式下，AD[7：0]為多路復用的8位地址/數據總線(xiàn)，DATA[15：0]為單獨的DMA數據總線(xiàn)；在通用處理器工作模式下，AD[7：0]為單獨的8位地址線(xiàn)，DATA[15：0]為16位控制器數據總線(xiàn)，此時(shí)，DMA將多路復用到DATA[15：0]控制器的數據總線(xiàn)上。ISP1581適合PDA、存儲器類(lèi)、通訊設備類(lèi)、數碼相機類(lèi)、復印機類(lèi)和掃描儀類(lèi)等大多數USB設備類(lèi)的設計。

3 硬件電路設計

由TMS320F2812（以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2812）和ISP1581構成的USB2.0接口電路如圖1所示。F2812是TI公司的C2000系列DSP，具有很高的運算速度、較大的尋址空間和豐富的片上外設資源。F2812和ISP1581的連接采用通用處理器模式，即8位地址總線(xiàn)和16位數據總線(xiàn)分離。F2812的XCS0AND1作為ISP1581的片選信號，此時(shí)ISP1581的寄存器地址映射到F2812的地址空間0x2000-0x4000。F2812與ISP1581的數據交換采用中斷方式。ISP1581的喚醒功能引腳WAKEUP接到F2812的一個(gè)通用I/O口上；RPU引腳通過(guò)1.5kΩ電阻器上拉；RREF引腳通過(guò)12.0kΩ精密電阻器接模擬地；MODE引腳在通用處理器模式下也應上拉；BUS_CONF引腳的功能是選擇總線(xiàn)模式，上拉后為通用處理模式；MODE0引腳用來(lái)選擇通用處理器模式下的讀/寫(xiě)功能，上拉后為8051型。該電路內部集成了復位電路，將RESET引腳直接接高電平即可復位。由于本設計沒(méi)有使用DMA傳輸，所以與DMA相關(guān)的引腳沒(méi)有連接。主機提供的5V電源經(jīng)過(guò)HT7133變換為3.3V后可給整個(gè)系統供電。

4 軟件設計

軟件即微控制器的程序文件，它主要完成USB協(xié)議處理和數據交換，目的是讓W(xué)indows檢測和識別設備，建立起正確的通信連接。設備與主機的USB通信可以分為配置通信和應用通信。配置通信 主要指主機在對設備進(jìn)行檢測的過(guò)程中設備軟件對主機的一系列標準請求所做出的響應。設備必須識別每個(gè)請求，并返回被請求的信息，同時(shí)采取其他一些請求指定的動(dòng)作。應用通信主要指主機識別設備后進(jìn)行的有用數據傳輸。USB支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和等時(shí)傳輸4種傳輸類(lèi)型，控制傳輸主要用于配置通信，其他3種類(lèi)型主要用于應用通信。所有的USB器件都只有端點(diǎn)0支持控制傳輸。

根據USB2.0協(xié)議，任何傳輸都是由主機開(kāi)始的，微控制器做它的前臺工作，并等待中斷。系統的軟件程序主要由三部分組成：一是初始化F2812和所有的外圍電路（包括ISP1581）；二是主循環(huán)部分，其任務(wù)是循環(huán)掃描USB事件和等待中斷；三是中斷服務(wù)程序，其任務(wù)執行系統指令。

在初始化過(guò)程中，除了F2812自身初始化外，還要完成對ISP1581各個(gè)端點(diǎn)使用的傳輸類(lèi)型、傳輸包大小和中斷類(lèi)型及方式等設備任務(wù)。F2812對ISP1581的操作是通過(guò)寫(xiě)/讀寄存器來(lái)實(shí)現的。初始化結束后，通過(guò)設置ISP1581方式寄存器中的軟件連接位（SOFTCT）可使外設連接到USB總線(xiàn)上。主機檢測到有設備連接后會(huì )進(jìn)行總線(xiàn)復位。在此期間，ISP1581將發(fā)送高速（HS）模式檢測信號來(lái)判斷主控制器支持的是USB2.0還是USB1.1規范，若接收到一個(gè)高速（HS）握手信號，則表明有一個(gè)HS主機與總線(xiàn)相連，此此ISP1581將轉換到高速（HS）狀態(tài)，否則仍工作在全速（FS）狀態(tài)。

當ISP1581接收到主機的令牌包、總線(xiàn)復位、掛起和接收到高速模式握手信號等事件后，ISP1581都會(huì )給F2812發(fā)送中斷請求。F2812進(jìn)人中斷服務(wù)程序后，首先讀ISP1581的中斷寄存器，判斷中斷類(lèi)型，然后執行相應的操作?？偩€(xiàn)復位和高速模式中斷不需要進(jìn)行特殊的處理，只需在中斷服務(wù)程序中設定標志。在軟件程序中，比較難處理的是包含標準USB請求的控制傳輸。由于只有端點(diǎn)0支持控制傳輸，因此主要是對端點(diǎn)0的編程?？刂苽鬏斂偸窃谠O定（SETUP）階段開(kāi)始，之后為可選的數據（DATA）階段，然后在狀態(tài)（STATUS）階段結束。主機會(huì )發(fā)送建立包（SETUP）、控制讀包(CONTROL_IN)和控制寫(xiě)包（CONTROL_OUT）3種包到設備，ISP1581相應的會(huì )產(chǎn)生3種中斷。在編程中，可以設備空閑（USB_IDLE）、發(fā)送（USB_TRANSMIT）和接收（USB_RECEIVE）3種狀態(tài)來(lái)處理控制傳輸。圖2為微控制器對3種包的控制傳輸處理流程。

USB2.0協(xié)議的第九章規定了11種標準請求，軟件應對這11種標準請求作出正確響應。這里以“Get_Desctiptor”和“Set_Descriptor”二個(gè)標準請求為例，并結合圖2來(lái)說(shuō)明軟件是如何通過(guò)控制傳輸來(lái)響應請求的?！癎et_Desctiptor”請求開(kāi)始時(shí)，主機發(fā)送一個(gè)建立包到ISP1581，ISP1581接收到“Get_Desctiptor”建立包后，將產(chǎn)生一個(gè)中斷通知F2812。微控制器響應中斷，并通過(guò)選擇端點(diǎn)0SETUP緩沖區來(lái)讀取建立包的內容并將其存入存儲區。微控制器根據建立包的內容判斷是否為標準請求，如果是一個(gè)標準請求，微控制器必須向控制輸出端點(diǎn)發(fā)送應答建立命令，以重新使能下一個(gè)建立階段。接下來(lái)微控制器再判斷控制傳輸是控制讀還是寫(xiě)，這可以通過(guò)讀建立包中bmRequestType的第8位來(lái)確定。如果控制傳輸是一個(gè)控制讀，器件將在下一個(gè)數據階段向主機發(fā)回數據包。微控制器需要設置一個(gè)標準以指示USB設備現在處于傳輸模式，即準備在主機發(fā)送請求時(shí)發(fā)送數據。

建立階段結束后，主機會(huì )執行數據階段。當ISP1581接收到所等待的Control_In包后，微控制器將對ISP1581處于傳輸模式后進(jìn)行數據包的發(fā)送進(jìn)行確認。ISP1581的控制端點(diǎn)有64B FIFO，每次只能傳輸64B的數據，微控制器在傳輸階段必須控制傳輸數據的數量。如果剩下的字節數大于64，微控制器將先發(fā)送64B并減去參考長(cháng)度64。當下一個(gè)Control_In包到來(lái)時(shí)，微控制器將確定剩余的字節是否為零。如果已經(jīng)沒(méi)有數據要發(fā)送，微控制器將發(fā)送一個(gè)空包向主機表明數據已經(jīng)發(fā)送完畢。

圖2

如果建立包為“Set_Descriptor”請求，那么建立包中的控制傳輸將指示此包為控制寫(xiě)類(lèi)型。在執行完“Set_Descriptor”請求過(guò)程后，F2812進(jìn)入等待數據階段。主機發(fā)送Control_Out包標志后，當ISP1581接收到該數據包時(shí)會(huì )對F2812產(chǎn)生一個(gè)端點(diǎn)0 OUT中斷。微控制器響應中斷時(shí)，首先確認ISP1581是否處于USB_Receive狀態(tài)，然后微控制器通過(guò)選擇控制輸出端點(diǎn)來(lái)確認緩沖區是否已滿(mǎn)，同時(shí)將數據從緩沖區讀出。

相對于控制傳輸來(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)編程設置為批量傳輸、中斷傳輸或等時(shí)傳輸模式。在軟件編程中需要注意以下幾點(diǎn)：

一是ISP1581的8kB FIFO是所有端點(diǎn)共享的，所以在設定各個(gè)端點(diǎn)傳輸包大小時(shí)，其總和不能超過(guò)8kB；二是在調試時(shí)，可根據Windows對USB設備的枚舉順序進(jìn)行程序調試；第三，為做到與USB1.1兼容，在全速狀態(tài)下響應主機標準請求時(shí)，需要發(fā)送全速描述符。

在完成USB軟件編程后，還需要在主機方面編寫(xiě)USB設備驅動(dòng)程序和應用程序。USB驅動(dòng)程序可使用Windows的DDK編寫(xiě)，也可以使用第三方提供的驅動(dòng)生成軟件編寫(xiě)（如Jungo公司的WinDriver驅動(dòng)生成軟件等）。最后采用批量傳輸方式對系統進(jìn)行測試（筆者實(shí)際測得的傳輸速度為9.5MB/s）。本文的設計未采用DMA，實(shí)際上，ISP1581采用DMA方式后，最高傳輸速度可以達到25MB/s。

5 結束語(yǔ)

本文詳細介紹了基于ISP1581型接口電路的USB2.0接口軟硬件設計。ISP1581是一個(gè)性能優(yōu)化的USB接口電路，具有同外部微控制器接口簡(jiǎn)單、應用靈活、調試方便和性?xún)r(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)。采用ISP1581可以快速開(kāi)發(fā)出高性能的USB2.0設備。實(shí)際上，USB作為新一代串行總線(xiàn)標準，在計算機與外設的互聯(lián)中得到越來(lái)越廣泛的應用，因此，USB接口的開(kāi)發(fā)也會(huì )得到越來(lái)越多的重視。