遵循USB協(xié)議的主/從機系統(tǒng)設計方案

0 引言

隨著PDA、移動電話、數(shù)碼相機、打印機等消費類產(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(shù)據(jù)傳輸技術越來越受到人們的關注。以往以計算機為核心的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，非常不利于USB,總線在嵌入式行業(yè)的應用，也不適用于野外作業(yè)，而OTG技術的推出則可實現(xiàn)在沒有PC的情況下，設備與設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，它拓展了USB技術的應用范圍。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技術規(guī)范，設計了一種遵循USB協(xié)議的主/從機系統(tǒng)。

1 ISP1362芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Philips公司的ISP1362是一款符合USB 2.0總線協(xié)議的接口芯片，內(nèi)部有3個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個可編程端點，又可以被配置成雙緩沖端點進一步提高吞吐量：而OTG控制器主要提供包括監(jiān)控和轉(zhuǎn)換功能在內(nèi)的所有OTG控制。ISP1362內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示。

2 USB OTG主/從機系統(tǒng)設計

USB OTG主/從機系統(tǒng)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(tǒng)的功能設計、設備驅(qū)動程序設計等，下面分別介紹系統(tǒng)軟、硬件系統(tǒng)的設計方法。

2.1 系統(tǒng)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的時序，PB口和PC口則用于與ISP1362的D[0..15]進行數(shù)據(jù)交換。ISP1362芯片有Port1和IPort2兩個USB接口。Port1是個綜合接口，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，主機內(nèi)部的寄存器通過檢測其相應狀態(tài)寄存器的值就可以判斷是Port1還是Port2接了設備，從而進行相應的處理。

ISP1362的Port1口主/從機功能通過ID、OTGMODE兩引腳電平的高低組合來確定。當OTGMODE引腳接低，無論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，則芯片的Port1口作外設使用。在電路中通過15kΩ的上拉電阻和下拉電阻實現(xiàn)ID、OTGMODE兩引腳電平的高低變化。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

本設計的主機系統(tǒng)是一個軟件和硬件的集合體，功能的實現(xiàn)不依賴于任何操作系統(tǒng)，而是通過中斷來調(diào)度各個任務，使之滿足USB通信的要求，因此系統(tǒng)是按照協(xié)議規(guī)范和特定的時序運行的。

本系統(tǒng)是ISP1362工作于主/從機模式下的應用，按系統(tǒng)硬件電路配置完成接口芯片，然后對其編程，就可以進行USB數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)工作流程如下：首先進行系統(tǒng)初始化，構(gòu)建PTD傳輸描述符，接著總線枚舉過程，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(qū)動相應的主/從機驅(qū)動程序運行，數(shù)據(jù)傳送和接收，根據(jù)總線的活動情況判斷是否掛起。系統(tǒng)流程圖如圖3所示：

實現(xiàn)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代表寫信號，低電平有效;A0引腳電平的高低不同，分別表示傳輸?shù)男盘柎淼氖敲钚盘栠€是數(shù)據(jù)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。通過上述幾個引腳信號的組合，可以實現(xiàn)讀寫控制ISP1362的不同功能。除此之外，以下的幾個引腳對于控制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，通知IDMA控制器主機正在請求數(shù)據(jù)傳送;DREQ2引腳高電平有效時，通知DMA控制器外設正在請求數(shù)據(jù)傳送;DACK1引腳代表DMA確認輸入，低電平有效時表明來自主機的DMA傳輸請求已經(jīng)被DMA控制器確認;DACK2引腳低電平有效時表明來自外設的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(jù)請求執(zhí)行中斷服務程序。軟件設計具體工作流程如下：

(1)系統(tǒng)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、開發(fā)工具開放、性價比高等優(yōu)點，它的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是可以獨立訪問的哈佛結(jié)構(gòu)，因此代碼執(zhí)行效率非常高。ATmega系列單片機的內(nèi)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、定時器、時鐘、看門狗等進行相應的設置，使之開始工作。而ISP1362的初始化，就是當ISP1362上電后，主機控制器驅(qū)動程序(HCD)必須通過一系列的硬件初始化步驟來配置主機控制器，從而進入可操作狀態(tài)。首先檢測主機控制器是否存在，此步由MCU(單片機)實現(xiàn)，本文通過MCL響HcScratch寄存器內(nèi)寫入某個值，再從該寄存器中讀取，將讀出值與寫入數(shù)值進行比較，若相等，則可說明主機控制器存在;反之則出錯，無主機控制器存在。

(2)構(gòu)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傳輸渠道，要在主機與外設之間進行通訊，首先需要構(gòu)建一個PTD。PTD具有3種傳輸類型：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。主機通過不斷地向外設發(fā)送設備請求來獲取設備、端點的功能信息。獲取USB設備描述符的過程分為三個步驟：a.主機通過設備的默認端點獲取設備描述符，為設備分配一個惟一的地址;b.主機讀取配置描述符信息、接口描述符信息和端點描述符信息;c.根據(jù)設備的相關信息調(diào)用相應的事務處理程序。

(4)設備枚舉成功之后，主機就可以根據(jù)已編寫的進程與外設進行USB通信，等待、查詢數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

(5)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完畢之后，根據(jù)QueryBus函數(shù)查詢總線的活動情況，判斷設備是否需要掛起。

2.3 設備驅(qū)動程序

要實現(xiàn)主機對從機的讀寫，USB主機必須具有相應的驅(qū)動，對各種讀寫指令進行封裝、解釋和執(zhí)行。開發(fā)驅(qū)動有很多種方法，本文采用直接在USB主機接口驅(qū)動上層封裝一個USB傳輸API 函數(shù)-USBXfer，應用于實現(xiàn)各種USB傳輸。

3 結(jié)束語

本文設計的USB 0TG主從機系統(tǒng)性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸效率高。測試表明，此設計能夠正確地實現(xiàn)USB 0TG主從機間的數(shù)據(jù)交換，性能可以滿足設備間的數(shù)據(jù)傳輸要求，同時又能很好地控制成本，具有一定的實用價值。