基于ISP1581型接口電路的USB2.0接口設(shè)計

1 引言

通用串行總線(USB)是近年來開發(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總線具有使用簡單、即插即用、易于擴展和傳輸速度快等優(yōu)點。其協(xié)議主要有USB1.1和USB2.0二個版本，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接口實現(xiàn)方案和系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方法。

2 ISP1581簡介

ISP1581是Philips公司推出的一款高性價比的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IN端點,7個 OUT端點和一個固定控制IN/OUT端點。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(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8KB的FIFO存儲器、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，可通過軟件控制與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一個高速通用并行接口來實現(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]為單獨的8位地址線，DATA[15：0]為16位控制器數(shù)據(jù)總線，此時，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、存儲器類、通訊設(shè)備類、數(shù)碼相機類、復(fù)印機類和掃描儀類等大多數(shù)USB設(shè)備類的設(shè)計。

3 硬件電路設(shè)計

由TMS320F2812(以下簡稱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，此時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的一個通用 I/O口上;RPU引腳通過1.5kΩ電阻器上拉;RREF引腳通過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)計沒有使用DMA傳輸，所以與DMA相關(guān)的引腳沒有連接。主機提供的5V電源經(jīng)過 HT7133變換為3.3V后可給整個系統(tǒng)供電。

4 軟件設(shè)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(shù)據(jù)交換，目的是讓W(xué)indows檢測和識別設(shè)備，建立起正確的通信連接。設(shè)備與主機的USB 通信可以分為配置通信和應(yīng)用通信。配置通信 主要指主機在對設(shè)備進行檢測的過程中設(shè)備軟件對主機的一系列標(biāo)準(zhǔn)請求所做出的響應(yīng)。設(shè)備必須識別每個請求，并返回被請求的信息，同時采取其他一些請求指定的動作。應(yīng)用通信主要指主機識別設(shè)備后進行的有用數(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0支持控制傳輸。

根據(jù)USB2.0協(xié)議，任何傳輸都是由主機開始的，微控制器做它的前臺工作，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。

在初始化過程中，除了F2812自身初始化外，還要完成對ISP1581各個端點使用的傳輸類型、傳輸包大小和中斷類型及方式等設(shè)備任務(wù)。F2812 對ISP1581的操作是通過寫/讀寄存器來實現(xiàn)的。初始化結(jié)束后，通過設(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。主機檢測到有設(shè)備連接后會進行總線復(fù)位。在此期間，ISP1581將發(fā)送高速(HS)模式檢測信號來判斷主控制器支持的是USB2.0還是 USB1.1規(guī)范，若接收到一個高速(HS)握手信號，則表明有一個HS主機與總線相連，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接收到主機的令牌包、總線復(fù)位、掛起和接收到高速模式握手信號等事件后，ISP1581都會給F2812發(fā)送中斷請求。F2812進人中斷服務(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。總線復(fù)位和高速模式中斷不需要進行特殊的處理，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請求的控制傳輸。由于只有端點0支持控制傳輸，因此主要是對端點0的編程?？刂苽鬏斂偸窃谠O(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。主機會發(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(guī)定了11種標(biāo)準(zhǔn)請求，軟件應(yīng)對這11種標(biāo)準(zhǔn)請求作出正確響應(yīng)。這里以“Get_Desctiptor”和 “Set_Descriptor”二個標(biāo)準(zhǔn)請求為例，并結(jié)合圖2來說明軟件是如何通過控制傳輸來響應(yīng)請求的。“Get_Desctiptor”請求開始時，主機發(fā)送一個建立包到ISP1581，ISP1581接收到“Get_Desctiptor”建立包后，將產(chǎn)生一個中斷通知F2812。微控制器響應(yīng)中斷，并通過選擇端點0SETUP緩沖區(qū)來讀取建立包的內(nèi)容并將其存入存儲區(qū)。微控制器根據(jù)建立包的內(nèi)容判斷是否為標(biāo)準(zhǔn)請求，如果是一個標(biāo)準(zhǔn)請求，微控制器必須向控制輸出端點發(fā)送應(yīng)答建立命令，以重新使能下一個建立階段。接下來微控制器再判斷控制傳輸是控制讀還是寫，這可以通過讀建立包中 bmRequestType的第8位來確定。如果控制傳輸是一個控制讀，器件將在下一個數(shù)據(jù)階段向主機發(fā)回數(shù)據(jù)包。微控制器需要設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)以指示USB 設(shè)備現(xiàn)在處于傳輸模式，即準(zhǔn)備在主機發(fā)送請求時發(fā)送數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]

建立階段結(jié)束后，主機會執(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ISP1581處于傳輸模式后進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送進行確認(rèn)。ISP1581的控制端點有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并減去參考長度 64。當(dāng)下一個Control_In包到來時，微控制器將確定剩余的字節(jié)是否為零。如果已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，微控制器將發(fā)送一個空包向主機表明數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。

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類型。在執(zhí)行完“Set_Descriptor”請求過程后，F(xiàn)2812進入等待數(shù)據(jù)階段。主機發(fā)送Control_Out包標(biāo)志后，當(dāng)ISP1581接收到該數(shù)據(jù)包時會對F2812產(chǎn)生一個端點0 OUT中斷。微控制器響應(yīng)中斷時，首先確認(rèn)ISP1581是否處于USB_Receive狀態(tài)，然后微控制器通過選擇控制輸出端點來確認(rèn)緩沖區(qū)是否已滿，同時將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀出。

相對于控制傳輸來說，USB的其他幾種傳輸模式都比較好處理。ISP1581的7個IN端點和7個OUT端點均可通過編程設(shè)置為批量傳輸、中斷傳輸或等時傳輸模式。在軟件編程中需要注意以下幾點：

一是ISP1581的8kB FIFO是所有端點共享的，所以在設(shè)定各個端點傳輸包大小時，其總和不能超過8kB;二是在調(diào)試時，可根據(jù)Windows對USB設(shè)備的枚舉順序進行程序調(diào)試;第三，為做到與USB1.1兼容，在全速狀態(tài)下響應(yīng)主機標(biāo)準(zhǔn)請求時，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USB設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。USB驅(qū)動程序可使用Windows的DDK編寫，也可以使用第三方提供的驅(qū)動生成軟件編寫(如Jungo公司的WinDriver驅(qū)動生成軟件等)。最后采用批量傳輸方式對系統(tǒng)進行測試(筆者實際測得的傳輸速度為 9.5MB/s)。本文的設(shè)計未采用DMA，實際上，ISP1581采用DMA方式后，最高傳輸速度可以達到25MB/s。

5 結(jié)束語

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。ISP1581是一個性能優(yōu)化的USB接口電路，具有同外部微控制器接口簡單、應(yīng)用靈活、調(diào)試方便和性價比較高等優(yōu)點。采用ISP1581可以快速開發(fā)出高性能的USB2.0設(shè)備。實際上，USB作為新一代串行總線標(biāo)準(zhǔn)，在計算機與外設(shè)的互聯(lián)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，因此，USB接口的開發(fā)也會得到越來越多的重視。