嵌入USB控制器的51系列單片機EZ-USB

 主要介紹嵌入USB控制核的51系列單片機EZ-USB的特性及傳輸與控制機理。該內(nèi)核可幫助USB外設(shè)開發(fā)者完成USB協(xié)議中規(guī)定的80%~90%的通信工作,是USB外設(shè)研制者的理想選擇。
       文中還對使用不同的USB芯片組成的應用系統(tǒng)作了比較

        1  概述

　　隨著PC的廣泛應用,其外設(shè)也越來越多,打印機、鼠標、掃描儀、游戲桿、音箱……,每個外設(shè)都需要通過一個接口與PC相連。外設(shè)多了,PC的I/O插口自然也就不夠用了。在很多特定的應用場合,如工業(yè)數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域,常常用采集板卡來完成工作,而每一個板卡自然會占用一個PC插槽。PC插槽有限。采集點多了就不夠用。除此之外,在個人電腦的應用中,外圍設(shè)備存在很多問題。這些問題大致可以歸結(jié)到成本、配置以及個人電腦的連接等幾個方面,而USB正是為了解決這些問題而出現(xiàn)的一種方案。簡而言之,USB的出現(xiàn)不僅解決了I/O插口不夠的問題,而且還建立了一條連接和訪問外設(shè)的方法。這些方法可以有效地減少總體成本,而且從終端用戶的角度來看,可以增加可連接的外設(shè)數(shù)目,簡化設(shè)備的連接和配置。

　　通用串行總線USB是由Intel等廠商制定的連接計算機與具有USB接口的多種外設(shè)之間的串行總線。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  USB的層次拓撲圖

　　USB的特性有：

　　◇ 成本低。為了把外設(shè)連接到PC上,USB提供了一種低成本的解決方案。
　　◇ 熱插拔。設(shè)備連接后由USB自動檢測,并由軟件自動配置,完成后可立即使用,無須用戶干涉。
　　◇ 單一的連接器類型。USB定義了一種簡單的連接器,可以用來連接任何一個USB設(shè)備。多個連接器可以通過USB集線器連接。
　　◇ 每個USB總線支持127個設(shè)備的連接。
　　◇ USB支持三種設(shè)備傳輸速率：1.5 Mb/s（低速設(shè)備）、12 Mb/s（中速設(shè)備）和480 Mb/s（高速設(shè)備）。
　　◇ 外設(shè)能夠直接由USB總線進行供電。
　　◇ 不需要系統(tǒng)資源（如內(nèi)存、I/O地址空間和中斷請求線路）。
　　◇ USB事務處理包括錯誤檢測機制,它們用以確保數(shù)據(jù)無錯誤發(fā)送。
　　◇ 電源保護。如果連續(xù)3 ms沒有總線活動,USB將自動進入掛起狀態(tài)。
　　◇ 支持四種類型的傳輸方式：塊傳輸、控制傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。

　　2  通用USB控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

　　在每一個USB設(shè)備中都有一個串行接口引擎（SIE）。SIE與USB數(shù)據(jù)線的D+和D-兩個引腳相連,與USB設(shè)備進行字節(jié)傳送。圖2表示一次USB塊傳輸,時間順序從左到右。SIE對PID信息包進行解碼,并通過傳送的CRC位對數(shù)據(jù)進行錯誤檢測,然后,將有效數(shù)據(jù)送到USB設(shè)備。如果SIE檢測到一個出錯的數(shù)據(jù),它并不是發(fā)出一個握手信號,而是自動地不進行響應,并告訴主機延時重發(fā)。

圖2  SIE的功能

　　由于USB被設(shè)計成可以用簡便有效的方法來與多種類型的外設(shè)通信,沒有現(xiàn)有接口的局限性和缺點,這樣,導致了對USB接口的設(shè)計和編程更加復雜。為了降低設(shè)計者的開發(fā)難度,使用專用的USB控制器已成為研制人員的首選方案。[!--empirenews.page--]

　　USB協(xié)議的復雜性意味著USB外設(shè)必須具備智能。USB控制器必須知道如何檢測并對USB端口的事件做出反應。一般的做法是：USB控制器只處理USB通信,由一個外部的微控制器（MCU）來管理USB控制器的寄存器、設(shè)備描述符的獲取和數(shù)據(jù)包的交換等,如圖3所示。

圖3  通用USB設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)

　　表1所示為可與一般微控制器連接的USB控制器。

        表1

       USB控制器使用串行口或并行口與MCU連接。這樣,外部接口可能比USB最大速度要慢,使得芯片只適合傳送間歇數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計的好處是系統(tǒng)組成靈活,可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求,搭配不同的MCU,使其具有很高的性能價格比;但同時也加大了編程設(shè)計人員的開發(fā)難度,延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

　　另一種可行的方法是使用嵌入MCU的USB控制器。這樣,CPU只需要訪問一系列寄存器和存儲器,便可實現(xiàn)USB口的數(shù)據(jù)傳輸。從而簡化了程序的設(shè)計,并且許多供應商還提供許多范例電路和測試代碼,使設(shè)計者從復雜的協(xié)議解釋中得到解脫?，F(xiàn)在,許多芯片制造商開始生產(chǎn)一些基于通用MCU的USB控制器,采用研制人員所熟知的指令集,大大簡化了編程的難度。如基于8051結(jié)構(gòu)的USB控制器有：Intel公司的8X930A、8X931A;CYPRESS公司的EZ-USB等。此外,還有基于MITSUBISHI 740/7600/M16C的USB芯片;基于MOTORORA HC05系列的USB芯片等。受篇幅所限,本文僅介紹EZ-USB 2100系列單片機。

       3  EZ-USB組成結(jié)構(gòu)及特性

　　美國CYPRESS公司是一家從事USB接口芯片和USB單片機開發(fā)和生產(chǎn)的公司。CYPRESS最新推出的帶智能USB接口的單片機EZ-USB,極大地降低了USB外設(shè)的開發(fā)難度,為PC外設(shè)的制造商提供了一個性能優(yōu)良、價格較低的設(shè)計方案。

　　EZ-USB有多個系列的產(chǎn)品,根據(jù)不同的速率需求,可滿足不同的系統(tǒng)要求和價格。CYPRESS提供三個系列的EZ-USB芯片,如表2和表3所列。

表2  CYPRESS的EZ-USB系列產(chǎn)品

表3  EZ-USB2100系列產(chǎn)品

       3.1  EZ-USB芯片組成結(jié)構(gòu)

　　EZ-USB芯片將USB接口的控制核整合到單片機集成電路中,如圖4所示。

集成的USB收發(fā)模塊與USB 總線的D+和D－引腳相連。SIE進行串行數(shù)據(jù)譯碼和錯誤更正,以及其他USB所要求的信號級操作等,最后,再與USB收發(fā)模塊接口進行數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸。

圖4  EZ-USB的組成框圖

　　內(nèi)部的微處理器在標準8051上縮短了執(zhí)行時間并增加了新的特性。它用內(nèi)部SRAM存儲程序和數(shù)據(jù),使EZ-USB 系統(tǒng)具有軟配置的特性。USB主機經(jīng)USB總線將8051的程序代碼和描述符裝入SRAM中,然后,EZ-USB芯片用已下裝程序中定義的外設(shè)特性進行重新連接,這個過程也叫再枚舉。[!--empirenews.page--]

　　EZ-USB系列使用了強大的SIE/USB接口(稱為USB內(nèi)核)。這個具有強大功能的內(nèi)核可以自動完成USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換,簡化8051的代碼。

　　EZ-USB 芯片在3.3 V電壓下就可以運行,簡化了USB設(shè)備總線電壓的設(shè)計。

        3.2  EZ-USB特性

　　①  改進的8051內(nèi)核。性能可達到標準8051的5~10倍,與標準8051的指令完全兼容。

　?、?nbsp; 高度集成。傳統(tǒng)USB外設(shè)的硬件設(shè)計通常包括非易失性存儲器（如EPROM、EEPROM、FLASH ROM）、微處理器、RAM、SIE（串行接口引擎）和DMA等。EZ-USB將上述多個模塊集成在一個芯片中,從而減少了各芯片接口部分時序配合時的麻煩。

　?、?nbsp; USB 內(nèi)核。EZ-USB可以代替USB外設(shè)開發(fā)者完成USB協(xié)議中規(guī)定的80 %~90 %的通信工作,使得開發(fā)者不需要深入了解USB的低級協(xié)議即可順利地開發(fā)出所需要的USB外設(shè)。EZ-USB系列芯片接收全部USB 的吞吐量。這種采用EZ-USB的設(shè)計,不受端點數(shù)目、緩沖區(qū)大小及傳輸速度的限制。

　　④  軟配置。外設(shè)未通過USB接口連接到PC機之前,外設(shè)上的固件存儲在PC上;一旦外設(shè)接到PC機上,PC先詢問該外設(shè)是"誰"（即讀設(shè)備描述符）,然后,將該外設(shè)的固件下載到EZ-USB的RAM中并執(zhí)行,這個過程叫作再枚舉。這個特性給USB外設(shè)開發(fā)者帶來許多方便。如開發(fā)過程中,當固件需要修改時,可以在PC機上修改好以后,下載到EZ-USB,從而省去了編程芯片的麻煩。這種基于RAM的軟配置方法,可以允許無限的配置和升級。

　?、?nbsp; 易用的軟件開發(fā)工具。固件可獨立于驅(qū)動程序被測試。驅(qū)動程序和固件的開發(fā)與調(diào)試相互獨立,可加快開發(fā)的速度。

　　4  EZ-USB微處理器

　　EZ-USB微處理器是一個改進的8051內(nèi)核,使用標準8051指令系統(tǒng),其指令執(zhí)行速度比標準8051快,原因有兩點：

　?、?nbsp; 空閑（ wasted）的總線周期被消去。一個總線周期僅包含4個時鐘周期,而標準8051則為12個時鐘周期。

　?、?nbsp; 8051的運行速度為24 MHz。

　　除了速度的提高,改進的8051內(nèi)核還有以下幾處結(jié)構(gòu)上的改進：

　?、?nbsp; 第二個數(shù)據(jù)指針,可用于存儲器塊之間的傳輸;

　?、?nbsp; 第二個UART;

　?、?nbsp; 第三個16位計數(shù)器/定時器（TIMER2）;

　?、?nbsp; 與非多路復用16位地址總線的高速存儲器直接接口;

　?、?nbsp; 增加了7個中斷源（INT2~INT5、PFI、T2和UART1）;

　?、?nbsp; 可變的MOVX執(zhí)行時間可適應高/低速的RAM外設(shè);

　　⑦  256字節(jié)的內(nèi)部寄存器RAM,8K字節(jié)的程序/數(shù)據(jù)復合SRAM;

　?、?nbsp; 3.3 V工作電壓。

　　EZ-USB 集成芯片在8051的基礎(chǔ)上又有其他改進：

　　①  快速外部數(shù)據(jù)塊傳輸（指針自動增量,快速傳輸模式）;

　?、?nbsp; USB中斷向量;

　?、?nbsp; CONTROL傳輸?shù)腟ETUP和DATA部分有各自的緩沖器。

　　4.1  AN2131Q的封裝和引腳描述

　　圖5是EZ-USB 2100系列中80引腳封裝的AN2131Q的引腳排列圖。

圖5  80引腳的PQFP（AN2131Q）

　　各引腳功能分述如下：

　　DISCON#：引腳1,輸出。該引腳由兩個位DISCOE和DISCON控制。

當DISCOE=0時,引腳懸空;當DISCOE=1時,驅(qū)動引腳。當DISCOE=1時,驅(qū)動的邏輯級與DISCON位相反。

　　USBD－,USBD+：引腳77,79 ,高阻態(tài)。USB D+/D－信號。將24Ω振蕩器與USB D+/D－引腳相連。

　　A0~A15：引腳7~12,15,16,26~29,34~37輸出。8051地址總線。

　　D0~D7：引腳48~51,57~60,I/O/高阻態(tài)。8051數(shù)據(jù)總線。該雙向總線空閑時處于高阻狀態(tài),總線讀時為輸入,總線寫時為輸出。

　　PSEN#：引腳80,輸出。程序存儲器使能端。引腳接低電平時有效,表示從外部存儲器中讀取程序。當EA為低電平時,程序存儲器的地址從0x1B40開始;當EA為高電平時,程序存儲器的地址從0x0000開始。

　　PA0~PA7：引腳68~71,73~76,I/O。多功能輸入/輸出引腳。

　　PB0~PB7：引腳44~47,52~55,I/O。多功能輸入/輸出引腳。

　　PC0~PC7：引腳30~33,38~41,I/O。多功能輸入/輸出引腳。

　　BKPT：引腳61,輸出。斷點。當8051地址總線與BPADDRH/L寄存器的內(nèi)容一致,且USBBAV寄存器中的斷點使能（BPEN）時,該引腳被激活（高電平）。如果USBBAV寄存器中的BPPULSE位為高,就產(chǎn)生8個24 MHz的高電平的時鐘脈沖;如果BPPULSE位為低,保持高電平直到8051清除USBBAV寄存器中的BREAK位（寫1）。

　　RESET：引腳25,輸入。有效高電平復位。使8051和SIE復位。該引腳一般通過1個10 kΩ電阻接地,用1個1μF電容接VCC。

　　EA：引腳24,輸入。訪問外部存儲器。該引腳有效（HI）時,8051并不是從內(nèi)部程序RAM中獲得代碼,而是從外部存儲器中讀取代碼。當EA=0時,8051從外部存儲器的0x1B40地址（AN2131）開始讀取代碼。

　　AVCC：引腳21,電源。Analog Vcc（模擬電源）。該引腳為芯片的模擬部分提供電源。

　　AGND：引腳18,電源。Analog Ground（模擬地）。盡可能以最短路徑接地。

　　XIN：引腳19,輸入。晶振輸入。該引腳經(jīng)由12 MHz晶振和22~33 pF電容接地。它也能用12 MHz的時鐘電路驅(qū)動。

　　XOUT：引腳20,輸出。晶振輸出。該引腳經(jīng)由12 MHz晶振和22~33 pF電容接地。當XIN由12 MHz時鐘電路驅(qū)動時,該引腳懸空。

　　WAKEUP#：引腳66,輸入。USB喚醒。當8051掛起時,該引腳上的一個上升沿可開啟振蕩器,向8051發(fā)出中斷,請求推出掛起狀態(tài)。維持WAKEUP#的低電平可避免EZ-US芯片進入掛起狀態(tài)。[!--empirenews.page--]

　　SCL：引腳65,OD（漏極開路）。I2C時鐘。即使沒有I2C設(shè)備相連,也要用2.2 kΩ電阻接VCC。

　　SDA：引腳64,OD（漏極開路）。I2C數(shù)據(jù)。即使沒有I2C設(shè)備相連,也要用2.2 kΩ電阻接VCC。

　　CLK24：引腳4,輸入。24 MHz時鐘,可鎖定為12 MHz輸入時鐘。當CPUCS寄存器中的OUTCLKEN=0時沒有輸出。

　　NC：引腳67。該引腳不連接。

　　軟配置是EZ-USB系列芯片的一個重要特性。EZ-USB芯片中包含內(nèi)部程序/數(shù)據(jù)RAM,不再需要ROM或其他固定的存儲器。通過USB本身將程序下載到RAM中,為設(shè)備提供獨特的特性,使得修改、版本更新更容易。

　　EZ-USB可作為USB設(shè)備進行連接,當內(nèi)部8051處于復位狀態(tài)時,將程序下載到內(nèi)部RAM。這一切都是由改進的SIE完成的,它可以進行圖2中的所有操作,甚至更多。SIE包含其他邏輯,可用內(nèi)部描述符表進行枚舉操作。它也能響應主機發(fā)出的特殊的"下載固件"設(shè)備請求,將固件裝入內(nèi)部RAM。還有一點值得一提的是,增加的SIE功能可用于8051。這一特點可縮減8051程序,加快程序的執(zhí)行。

　　5  EZ-USB的枚舉和再枚舉

　　PC機運行時,若插上或拔去一個USB設(shè)備,Windows系統(tǒng)便會自動裝載或卸去設(shè)備的驅(qū)動程序,即所謂的即插即用。這一系列動作的自動完成歸因于在每一個USB設(shè)備里都有一個描述符表,記錄了設(shè)備的要求和性能。當插上USB時,要經(jīng)過以下幾個步驟：

　　①  主機向地址0發(fā)送"Get_Descriptor/Device"請求（設(shè)備第一次連接時,必須響應地址0）;

　?、?nbsp; 設(shè)備響應該請求,并將ID數(shù)據(jù)發(fā)送給主機;

　?、?nbsp; 主機向設(shè)備發(fā)出"Set_Address"請求,給設(shè)備提供一個唯一的地址,以區(qū)別其他與總線相連的設(shè)備;

　　④  主機發(fā)出"Get_Descriptor"請求,獲取更多的設(shè)備信息。據(jù)此,主機可以了解到該設(shè)備的其他情況,如該設(shè)備的端點個數(shù)、電氣要求、所需帶寬,然后下載程序。

　　為了支持軟特性,EZ-USB芯片能自動地作為一個不需要固件的USB設(shè)備進行枚舉,所以,USB接口本身可用來下載8051的程序和描述符表。當8051復位時,EZ-USB的內(nèi)核進行最初(通電)的枚舉和下載。這種支持程序下載的最初USB 設(shè)備被稱為"默認的USB設(shè)備"。

　　在代碼描述符表從主機中下載到EZ-USB RAM后,8051脫離復位狀態(tài),開始執(zhí)行設(shè)備程序。EZ-USB設(shè)備再次枚舉,這一次是作為裝入的設(shè)備。第二次枚舉稱為"再枚舉"。 再枚舉的完成是EZ-USB芯片通過給USB 加電,模擬物理斷開和重連接來完成的。

　　被稱為"ReNum"(再枚舉)的EZ-USB控制位決定由內(nèi)核及8051中的哪一個實體處理端點的設(shè)備請求。通電時,RENUM位(USBCS.1)為0,表示EZ-USB內(nèi)核自動處理設(shè)備請求。一旦運行8051,它能設(shè)RENUM=1,表示用戶8051程序用它下載的固件處理子設(shè)備請求。

　　6  EZ-USB端點

　　由于USB是串行總線,因此設(shè)備端點實際上是一個FIFO存儲器。

主機通過發(fā)出4位地址及1位方向位,選擇設(shè)備端點。所以,USB可定位32個端點：IN0~IN15和OUT0~OUT15。8051從OUT緩沖區(qū)中讀取端點數(shù)據(jù),將通過USB傳輸?shù)亩它c數(shù)據(jù)寫入IN緩沖區(qū)。

　　USB端點有四種類型：塊（bulk）、控制、中斷、同步。

        6.1  塊端點

　　塊端點無方向控制,一個端點地址對應一個方向,所以,端點IN2的地址不同于端點OUT2。EZ-USB提供了14個用于塊傳輸?shù)亩它c,包括7個IN端點（EP1_IN~EP7_IN）和7個OUT端點（EP1_OUT~EP7 _OUT）。每一個端點都有1個64字節(jié)的緩沖區(qū)。

        6.2  控制端點0

　　控制端點用于傳輸控制信息。任一個USB設(shè)備必須有默認的控制端點0。設(shè)備的枚舉（即第一次插上該設(shè)備時,主機對其進行初始化的過程）就是由端點0引導的。主機通過端點發(fā)送所有的USB請求。

　　控制端點是雙向的,它只接受SETUP信號?？刂苽鬏敯瑑蓚€或三個階段：SETUP、DATA（可選）和HANDSHAKE。

        6.3  中斷端點

　　中斷端點與塊端點大致相同。14個EZ-USB端點（EP1~EP7、IN和OUT）可用作中斷端點。中斷端點的信息包的最大長度可達到64字節(jié),在它們的描述符中包含一個"輪詢間隔"字節(jié),告訴主機為之服務的頻率。8051通過中斷端點傳送數(shù)據(jù)的方式與塊端點完全一樣。

        6.4  同步端點

　　同步端點通過USB發(fā)送高帶寬、時間精確的數(shù)據(jù)。同步端點從數(shù)碼相機或掃描儀等外設(shè)中獲得數(shù)據(jù),或?qū)⑦@些數(shù)據(jù)輸出至音頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。EZ-USB包含16個同步端點,編號為8~15（8IN~15IN,8OUT~15OUT）。FIFO存儲器為16個端點提供了1024字節(jié)的存儲單元,這些單元可作為FIFO存儲器,提供雙緩沖器。作為雙緩沖器,8051從包含前一幀數(shù)據(jù)的同步端點的FIFO緩沖器讀取OUT數(shù)據(jù),同時主機將當前幀的數(shù)據(jù)寫入另一緩沖器中。相似地,8051將IN數(shù)據(jù)裝入同步端點的FIFO緩沖器中,在下一幀中通過USB發(fā)送,此時主機從另一緩沖器中讀當前幀的數(shù)據(jù)。在每一個起始幀,USB FIFO和8051 FIFO置位開關(guān)或進行乒乓通信。

        7  USB的前景展望

　　其實,除了像顯卡這種需要極高數(shù)據(jù)量和一些實時性要求特別高的控制設(shè)備外,幾乎所有的PC外設(shè)都可以移植到USB上來。而事實上國外幾乎已經(jīng)做到了這一點,特別是在鼠標、鍵盤等產(chǎn)品上有很強的競爭實力。所以,USB的PC外設(shè)的發(fā)展空間是不可限量的。它可歸納為以下幾個大類供開發(fā)者參考：

　?、?nbsp; 傳統(tǒng)PC外設(shè),像鼠標、鍵盤、音箱、游戲桿、掃描儀、打印機等;

　?、?nbsp; 基于PC的通信設(shè)備,如Modem、ISDN等;

　?、?nbsp; 端口轉(zhuǎn)接器,如USB→232、USB→LPT等,以適應原來的設(shè)備;

　　④  具有中國特色的設(shè)備,像漢字輸入筆那樣的東西;

　?、?nbsp; 工業(yè)領(lǐng)域。

　　選擇何種芯片來設(shè)計USB控制系統(tǒng),一般是基于任務的需求、學習編程的難易程度、性能價格比、可重編程及提供范例代碼等幾個因素來考慮。EZ-USB使得開發(fā)過程更簡單和廉價,同時也大大提高了開發(fā)效率,縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。