基于ISP1581型接口電路的USB2.0接口設(shè)計(jì)

    摘要：通用串行總線（USB）作為一種計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備連接的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)方案，同時(shí)給出它的軟硬件設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞：通用串行總線 接口電路 固件 驅(qū)動(dòng)程序

1 引言

通用串行總線（USB）是近年來(lái)開發(fā)的一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于PC與外圍設(shè)備的互聯(lián)。USB總線具有使用簡(jiǎn)單、即插即用、易于擴(kuò)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(dá)到12Mb/s，USB2.0最高可以達(dá)到480Mb/s，因此可以滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸需要。

目前，用于USB接口的電路主要有二類：一類是帶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）。通常在開發(fā)USB設(shè)備之間必須根據(jù)具體要求選用合適的USB接口電路，以降低開發(fā)成本,減少開發(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(xiàn)方案和系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方法。

圖1

2 ISP1581簡(jiǎn)介

ISP1581是Philips公司推出的一款高性價(jià)比的USB2.0接口電路。它完全遵循它完全遵循USB2.0規(guī)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(yùn)行。內(nèi)部集成有串行接口引擎（SIE）、PIE、8KB的FIFO存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、PLL的12MHz晶體振蕩器和3.3V的電壓調(diào)整器。該電路可直接與ATA/ATAPI外設(shè)相連，并具有高速DMA接口。同時(shí)，可通過(guò)軟件控制與USB總線的連接（SoftConnect），ISP1581內(nèi)部具有上電復(fù)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(xiàn)。它與微控制器的連接有二種模式：斷開總線模式和通用處理器工作模式。在斷開總線模式下，AD[7：0]為多路復(fù)用的8位地址/數(shù)據(jù)總線，DATA[15：0]為單獨(dú)的DMA數(shù)據(jù)總線；在通用處理器工作模式下，AD[7：0]為單獨(dú)的8位地址線，DATA[15：0]為16位控制器數(shù)據(jù)總線，此時(shí)，DMA將多路復(fù)用到DATA[15：0]控制器的數(shù)據(jù)總線上。ISP1581適合PDA、存儲(chǔ)器類、通訊設(shè)備類、數(shù)碼相機(jī)類、復(fù)印機(jī)類和掃描儀類等大多數(shù)USB設(shè)備類的設(shè)計(jì)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

由TMS320F2812（以下簡(jiǎn)稱F2812）和ISP1581構(gòu)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(yùn)算速度、較大的尋址空間和豐富的片上外設(shè)資源。F2812和ISP1581的連接采用通用處理器模式，即8位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線分離。F2812的XCS0AND1作為ISP1581的片選信號(hào)，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(shù)據(jù)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(yīng)上拉；BUS_CONF引腳的功能是選擇總線模式，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/寫功能，上拉后為8051型。該電路內(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。由于本設(shè)計(jì)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(jī)提供的5V電源經(jīng)過(guò)HT7133變換為3.3V后可給整個(gè)系統(tǒng)供電。

4 軟件設(shè)計(jì)

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(shù)據(jù)交換，目的是讓W(xué)indows檢測(cè)和識(shí)別設(shè)備，建立起正確的通信連接。設(shè)備與主機(jī)的USB通信可以分為配置通信和應(yīng)用通信。配置通信 主要指主機(jī)在對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中設(shè)備軟件對(duì)主機(jī)的一系列標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求所做出的響應(yīng)。設(shè)備必須識(shí)別每個(gè)請(qǐng)求，并返回被請(qǐng)求的信息，同時(shí)采取其他一些請(qǐng)求指定的動(dòng)作。應(yīng)用通信主要指主機(jī)識(shí)別設(shè)備后進(jìn)行的有用數(shù)據(jù)傳輸。USB支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和等時(shí)傳輸4種傳輸類型，控制傳輸主要用于配置通信，其他3種類型主要用于應(yīng)用通信。所有的USB器件都只有端點(diǎn)0支持控制傳輸。

根據(jù)USB2.0協(xié)議，任何傳輸都是由主機(jī)開始的，微控制器做它的前臺(tái)工作，并等待中斷。系統(tǒng)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(zhí)行系統(tǒng)指令。

在初始化過(guò)程中，除了F2812自身初始化外，還要完成對(duì)ISP1581各個(gè)端點(diǎn)使用的傳輸類型、傳輸包大小和中斷類型及方式等設(shè)備任務(wù)。F2812對(duì)ISP1581的操作是通過(guò)寫/讀寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。初始化結(jié)束后，通過(guò)設(shè)置ISP1581方式寄存器中的軟件連接位（SOFTCT）可使外設(shè)連接到USB總線上。主機(jī)檢測(cè)到有設(shè)備連接后會(huì)進(jìn)行總線復(fù)位。在此期間，ISP1581將發(fā)送高速（HS）模式檢測(cè)信號(hào)來(lái)判斷主控制器支持的是USB2.0還是USB1.1規(guī)范，若接收到一個(gè)高速（HS）握手信號(hào)，則表明有一個(gè)HS主機(jī)與總線相連，此此ISP1581將轉(zhuǎn)換到高速（HS）狀態(tài)，否則仍工作在全速（FS）狀態(tài)。

當(dāng)ISP1581接收到主機(jī)的令牌包、總線復(fù)位、掛起和接收到高速模式握手信號(hào)等事件后，ISP1581都會(huì)給F2812發(fā)送中斷請(qǐng)求。F2812進(jìn)人中斷服務(wù)程序后，首先讀ISP1581的中斷寄存器，判斷中斷類型，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作?？偩€復(fù)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(shè)定標(biāo)志。在軟件程序中，比較難處理的是包含標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)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(duì)端點(diǎn)0的編程。控制傳輸總是在設(shè)定（SETUP）階段開始，之后為可選的數(shù)據(jù)（DATA）階段，然后在狀態(tài)（STATUS）階段結(jié)束。主機(jī)會(huì)發(fā)送建立包（SETUP）、控制讀包(CONTROL_IN)和控制寫包（CONTROL_OUT）3種包到設(shè)備，ISP1581相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生3種中斷。在編程中，可以設(shè)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(duì)3種包的控制傳輸處理流程。

USB2.0協(xié)議的第九章規(guī)定了11種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，軟件應(yīng)對(duì)這11種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求作出正確響應(yīng)。這里以“Get_Desctiptor”和“Set_Descriptor”二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求為例，并結(jié)合圖2來(lái)說(shuō)明軟件是如何通過(guò)控制傳輸來(lái)響應(yīng)請(qǐng)求的。“Get_Desctiptor”請(qǐng)求開始時(shí)，主機(jī)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(yīng)中斷，并通過(guò)選擇端點(diǎn)0SETUP緩沖區(qū)來(lái)讀取建立包的內(nèi)容并將其存入存儲(chǔ)區(qū)。微控制器根據(jù)建立包的內(nèi)容判斷是否為標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，如果是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，微控制器必須向控制輸出端點(diǎn)發(fā)送應(yīng)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，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(shù)據(jù)階段向主機(jī)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)包。微控制器需要設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以指示USB設(shè)備現(xiàn)在處于傳輸模式，即準(zhǔn)備在主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

建立階段結(jié)束后，主機(jī)會(huì)執(zhí)行數(shù)據(jù)階段。當(dāng)ISP1581接收到所等待的Control_In包后，微控制器將對(duì)ISP1581處于傳輸模式后進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送進(jìn)行確認(rèn)。ISP1581的控制端點(diǎn)有64B FIFO，每次只能傳輸64B的數(shù)據(jù)，微控制器在傳輸階段必須控制傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量。如果剩下的字節(jié)數(shù)大于64，微控制器將先發(fā)送64B并減去參考長(zhǎng)度64。當(dāng)下一個(gè)Control_In包到來(lái)時(shí)，微控制器將確定剩余的字節(jié)是否為零。如果已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，微控制器將發(fā)送一個(gè)空包向主機(jī)表明數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。

圖2

    如果建立包為“Set_Descriptor”請(qǐng)求，那么建立包中的控制傳輸將指示此包為控制寫類型。在執(zhí)行完“Set_Descriptor”請(qǐng)求過(guò)程后，F(xiàn)2812進(jìn)入等待數(shù)據(jù)階段。主機(jī)發(fā)送Control_Out包標(biāo)志后，當(dāng)ISP1581接收到該數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)對(duì)F2812產(chǎn)生一個(gè)端點(diǎn)0 OUT中斷。微控制器響應(yīng)中斷時(shí)，首先確認(rèn)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(rèn)緩沖區(qū)是否已滿，同時(shí)將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀出。

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(shè)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(diào)試時(shí)，可根據(jù)Windows對(duì)USB設(shè)備的枚舉順序進(jìn)行程序調(diào)試；第三，為做到與USB1.1兼容，在全速狀態(tài)下響應(yīng)主機(jī)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)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(jī)方面編寫USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。USB驅(qū)動(dòng)程序可使用Windows的DDK編寫，也可以使用第三方提供的驅(qū)動(dòng)生成軟件編寫（如Jungo公司的WinDriver驅(qū)動(dòng)生成軟件等）。最后采用批量傳輸方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試（筆者實(shí)際測(cè)得的傳輸速度為9.5MB/s）。本文的設(shè)計(jì)未采用DMA，實(shí)際上，ISP1581采用DMA方式后，最高傳輸速度可以達(dá)到25MB/s。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于ISP1581型接口電路的USB2.0接口軟硬件設(shè)計(jì)。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(yīng)用靈活、調(diào)試方便和性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)。采用ISP1581可以快速開發(fā)出高性能的USB2.0設(shè)備。實(shí)際上，USB作為新一代串行總線標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)與外設(shè)的互聯(lián)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，因此，USB接口的開發(fā)也會(huì)得到越來(lái)越多的重視。