51單片機控制SL811HS的USB主機底層驅動(dòng)

引言

基于usb接口的設備使用方便，性?xún)r(jià)比高，因此在人們的工作和生活中得到了廣泛的應用，如u盤(pán)，移動(dòng)硬盤(pán)，光驅?zhuān)瑄sb攝像頭，usb鼠標鍵盤(pán)等，同時(shí)，51系列單片機以其成熟的技術(shù)和高性?xún)r(jià)比吸引了大量國內用戶(hù)，被廣泛應用于測控和自動(dòng)化領(lǐng)域，因此，如果在51單片機系統中增加usb主機接口，實(shí)現對usb從機設備的控制，則該單片機系統可以充分利用現有的各種usb從機設備，大大擴展單片機系統功能。

本設計實(shí)現了在51單片機系統中增加usb主機功能，采用普通51單片機外接專(zhuān)用usb接口芯片的方案，這種方案雖然會(huì )使系統傳輸速度受到限制，而且在穩定性有所欠缺，但此方案設計靈活性高，且易于移植，為低成本產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了廣闊前景，設計中采用51單片機是atmel公司的at89s52芯片，usb主機功能的擴展通過(guò)外接專(zhuān)用usb接口芯片sl811hs實(shí)現，cypress公司的usb接口芯片sl811hs可以工作在主機或從機模式，支持usb1.1的全速和低速數據傳輸，工作在主機模式時(shí)，sl811hs可以自動(dòng)檢測外設的插拔動(dòng)作，可以按照外處理器（如單片機）的要求自動(dòng)把數據整合為usb協(xié)議數據包進(jìn)行數據傳輸。

本文將介紹單片機at89s52控制sl811hs的硬件設備和底層驅動(dòng)的編寫(xiě)，其中重點(diǎn)講述底層驅動(dòng)的設計。

硬件設計

系統的硬件原理圖如圖1所示，at89s52的供電電壓為5v，sl811hs的為3.3v，盡管供電電壓不同，但根據芯片引腳的信號噪聲容限參數分析可知，at89s52與sl811hs之間的引腳可以直接相連，不需要電平轉換或緩沖。

軟件設計

usb主機驅動(dòng)是一個(gè)高低層子程序的組合，實(shí)現usb傳輸和控制的過(guò)程是較高層子程序調用較低層子程序的過(guò)程，編寫(xiě)usb主機驅動(dòng)時(shí)，可按從低層往高層的順序逐層進(jìn)行。

以usb主機枚舉從機設備的操作為例，實(shí)現該功能所需要的各層子程序層次關(guān)系如表1所示，本文將介紹較低層的幾個(gè)子程序的實(shí)現，包括讀寫(xiě)sl811hs內部寄存器，傳輸事務(wù)的實(shí)現，設備插拔檢測、復位等，其中，傳輸事務(wù)的實(shí)現是關(guān)鍵和難點(diǎn)，同時(shí)也是本文的重點(diǎn)。

單片機讀寫(xiě)sl811hs
內部寄存器
讀寫(xiě)sl811hs內部寄存器子程序是最低層的子程序，系統所進(jìn)行的各種操作主要都是通過(guò)調用這些子程序讀寫(xiě)sl811hs內部寄存器實(shí)現的，例如，通過(guò)讀取sl811hs的狀態(tài)寄存器獲取sl811hs的狀態(tài)信息可以實(shí)現設備插拔檢測、設備速度檢測等，通過(guò)向sl811hs的相關(guān)控制寄存器寫(xiě)入控制字節可以實(shí)現usb總線(xiàn)復位以及usb數據傳輸等操作。
sl811hs內部寄存器
從編程結構的角度來(lái)看，sl811hs內部寄存器一共有256個(gè)單元，每個(gè)單元是一個(gè)字節，其中地址為[00h]－[0fh]的前16個(gè)單元是sl811hs的狀態(tài)寄存器或控制寄存器（統稱(chēng)為特殊寄存器），其余的是數據緩沖寄存器，表2列出了16個(gè)特殊寄存器的名稱(chēng)和主要功能含義。
單片機讀寫(xiě)sl811hs
內部寄存器的實(shí)現
按照sl811hs的讀寫(xiě)控制信號時(shí)序圖編寫(xiě)單片機讀寫(xiě)sl811hs內部寄存器的子程序，使各控制引腳上按照規定的時(shí)序給出符合要求的信號脈沖。在這個(gè)程序中，單片機指令周期的大小將直接影響輸出信號的保持時(shí)長(cháng)和時(shí)序關(guān)系。
初始化
初始化操作主要包括sl811hs芯片復位、usb總線(xiàn)復位、設備插拔檢測和設備usb數據傳輸速度檢測等，通過(guò)這些初始化操作，sl811hs將作為usb主機與從機之間建立一個(gè)底層協(xié)議連接關(guān)系，為后續的數據通信做好準備。
sl811hs芯片復位
usb接口芯片sl811hs的復位是對芯片的狀態(tài)進(jìn)行復位，包括了對芯片內部寄存器值的復位，實(shí)現該操作不需要讀寫(xiě)接口芯片內部寄存器，只需向接口芯片的復位引腳輸入一個(gè)有效的復位脈沖即可。
usb總線(xiàn)復位。
按照usb協(xié)議，usb總線(xiàn)復位是指在usb數據線(xiàn)上輸出se0態(tài)，并保持10ms以上，接在usb總線(xiàn)上的從機設備受到這個(gè)復位信號后就會(huì )進(jìn)行自身的復位操作，為接下來(lái)的usb數據傳輸作好準備，通過(guò)設置接口芯片的ctrlreg[05h]寄存器的第4、3位為邏輯"01"，并保持10ms，然后再把它們恢復為邏輯"00"，就可以讓接口芯片產(chǎn)生usb總線(xiàn)復位信號。
設備插拔檢測和設備速度檢測
在usb協(xié)議的物理層上，usb從機設備是否接在usb總線(xiàn)上是通過(guò)檢測總線(xiàn)的電壓得知的，根據該電壓的高低，還可獲得usb總線(xiàn)上的設備所支持的速度（例如，在usb1.1協(xié)議中，分有低速和全速）。usb主機接口芯片sl811hs把這個(gè)物理層的電壓檢測結果反應到狀態(tài)寄存器的取值上，通過(guò)讀取這些狀態(tài)寄存器的值，可以獲知當前的設備插拔狀態(tài)的設備速度。
usb主機所進(jìn)行的初始化操作除了上述3項外，還包括幀起始包啟動(dòng)/禁止的設置、幀同步設置、幀定時(shí)初值的設置等，它們都是通過(guò)對接口芯片特殊寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)而實(shí)現的。
傳輸事務(wù)的實(shí)現
根據usb1.1協(xié)議，一個(gè)傳輸事務(wù)一般包含3個(gè)包（packet）的傳輸，分別是標記包（token packet）的傳輸，分別是標記包（token packet），數據包（data packet）和握手包（handshake packet）。usb數據傳輸方式一共有四種，分別是控制傳輸（control transfer）、同步傳輸（isochronous transfer）、中斷傳輸（interrupt transfer）和批傳輸（bulk transfer）。其中，控制傳輸方式至少由2個(gè)傳輸事務(wù)構成，其他三種傳輸方式則都各由1個(gè)傳輸事務(wù)構成，可見(jiàn)，傳輸事務(wù)在usb傳輸中至關(guān)重要。
一個(gè)典型的傳輸事務(wù)含有3個(gè)包的傳送，這連續的3個(gè)包數據流如表3所示。

使用sl811hs設計usb主機系統時(shí)，用戶(hù)只需要讓單片機設置sl11hs內部幾個(gè)相關(guān)的特殊寄存器，然后把傳輸事務(wù)啟動(dòng)位使能（置為邏輯"1"），就可以讓接口芯片自動(dòng)完成這3個(gè)包的發(fā)送與接收，在表3所示的例子中，第n個(gè)包（標記包）和第n＋2個(gè)包（握手包）都是由主機法給從機的，第n＋1個(gè)包（數據包）是由從機發(fā)送給主機的。這個(gè)傳送方向和第n＋2個(gè)包的傳送方向都是由標記包中的標識域取值決定的，其規律可參考usb協(xié)議。

如果傳輸事務(wù)的數據包是由從機發(fā)送給主機，則該傳輸事務(wù)屬于輸入類(lèi)型，稱(chēng)為輸入傳輸事務(wù)，反之則稱(chēng)為輸出傳輸事務(wù)，可見(jiàn)，表3例子是一個(gè)輸入傳輸事務(wù)，對于一個(gè)輸入傳輸事務(wù)，單片機通過(guò)設置 sl811hs內部特殊寄存器就可以決定其取值的包域主要有：標記包中的標識域、地址域或端點(diǎn)域，數據包中的標識域。在輸入傳輸事務(wù)中，雖然數據包并不是主機發(fā)送的，但之所以仍需要單片機設置與數據包標識域相關(guān)的寄存器，是因為主機在該傳輸事務(wù)中將只認可標識域符合所設置值的數據包。其余部分，如標記包中的其他域及握手包的內容則都是sl811hs根據情況自動(dòng)產(chǎn)生的。

主機接口芯片sl811hs完成一次輸入傳輸事務(wù)后，如果傳輸成功，單片機就可以從sl811hs的數據緩沖寄存器讀到從機發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，此處，數據緩沖區的首地址是由單片機預先通過(guò)設置控制寄存器指定的。

對于輸出傳輸事務(wù)，單片機同樣需要設置相關(guān)的寄存器以確定標記包的標識域、地址域、端點(diǎn)域和數據包的標識域，以及存放發(fā)送數據的緩沖區首地址，并且，這個(gè)緩沖區中的數據也是由單片機寫(xiě)入的。

具體的，單片機控制usb主機接口芯片進(jìn)行一次傳輸事務(wù)所需要知執行的操作步驟如下：

首先，如果是輸出傳輸事務(wù)，則需要把將在數據包中發(fā)送給從機的數據存放到sl811hs的數據緩沖區中。

其次，做好相關(guān)的傳輸準備工作，即設置接口芯片中的4個(gè)特殊寄存器，這4個(gè)寄存器的名稱(chēng)及其在傳輸事務(wù)中的作用如表4的前4項所列。

第三、啟動(dòng)傳輸事務(wù)：把寄存器ep0control[00h]或ep1control[08h]的第0位（即傳輸事務(wù)啟動(dòng)位）置為邏輯"1"，即可啟動(dòng)傳輸事務(wù)。但在此之前必須他這個(gè)寄存器中其他位設置好（或與啟動(dòng)位同時(shí)設置），與這個(gè)寄存器相關(guān)的包域如表4中最后一項所列。