一种USB2.0数据传输的实现方式

1、一种 USB2.0 数据传输的实现方式摘 要： USB (Universal Serial Bus ，通用串行总线 )是外围设备与计算机进行连接的新型接口，其诞生对计算机外设连接技术产生重大变革。对 Philips 公司的工业级 USB2.0 控制芯片 ISP1581 的性能特点作了介绍，并重点讨论了其硬件电路及固件程序的设计。此外还简要提及了其上层程序的编写。关键词： USB2.0 ； ISP1581； DMA 传输中图分类号： TP301 文献标识码： A 文章编号：1672-7800（ 2011） 09-0040-030 引言 ?通用串行总线USB(Universal Serial Bu

2、s) 接口是近年来开始普遍应用于PC 领域的新型接口；同时，USB2.0 在USB1.1 的基础上又有了质的提高，其理论速度可以达到480Mbps 。 ?目前市场上供应的USB2.0 控制器主要有两种：带USB接口的单片机和纯粹的USB 接口芯片。但此类芯片基本上用于商业领域，无法适用工控领域的恶劣环境；纯粹的USB接口芯片仅处理USB 通信，必须有个外部微控制器/处理器来进行协议处理和数据交换。纯粹的 USB 接口芯片主要特点是接口方便、可靠性强、适用范围广，尤其Philips 公司提供的 ISP1581 芯片，能够在40 85的温度范围内正常工作，十分适合工控领域数据传输的需要。?1 IS

3、P1581的芯片性能特点?ISP1581是一款性能非常出众的USB2.0控制器，它实现了 USB2.0/1.1 物理层以及数据协议层需要完成的任务， 接口速度可达 12.5M 字节 /s 或 12.5M 字 /s；同时还做到可以与大部分类型的微控制器 /处理器相连， 非常适合做很多外围设备与 PC 的通讯接口。其一些具体的性能特点如下： ISP1581 含有 7 个 IN 端点， 7 个 OUT 端点和 2 个控制端点。芯片的工作频率为 12MHZ ，同时内部集成了一个 40 PLL 时钟乘法器可产生 480MHZ 的内部抽样时钟；通过 Philips 串行接口引擎（ SIE）来完成所有 US

4、B 协议层的功能，主要完成以下功能：同步方式的识别、并行 /串行的转换、位填充 /解除填充等。 考虑到速度， 它是全硬件的， 不需要软硬件介入；通过 MMU 和集成 RAM 实现了 USB 总线和微控制器 /处理器或 DMA 控制器之间的速度转换。 DMA 控制器接收到 DMA 命令后，可直接把数据从内部 RAM 传送到外部 DMA 设备或从外部 DMA 设备传送给内部 RAM ；在分离总线模式下，通过 DMA 模块来实现 ISP581 芯片与 DMA 数据源或数据接收端的数据传输， 不需要微控制器 /处理器参与， 提高传输速度。 ?2 ISP1581 硬件电路设计 ?ISP1581 与系统的

5、微控制器接口模式有两种：通用处理器模式与分离总线模式。相对于通用处理器模式，分离总线模式采用 DMA 方式直接传输数据，在保证系统性能的前提下降低对微处理器的要求。故此处Atmel89C51(以下简称89C51) 与ISP1581连接采用分离总线模式，即多路复用8 位地址 /数据总线和单独的8 位/16位DMA总线。由89C51和ISP1581构成的USB2.0接口电路如图1 所示。?在硬件系统中， 89C51 与 ISP1581 的通讯采用中断方式，当 ISP1581 接收到主机信号后引发 89C51 的 INT0 中断，使 89C51 进行下一步工作。 RPU 引脚通过 1.5k电阻器上拉

6、； RREF 引脚通过 12.0k 精密电阻器接数字地； BUS_CONF引脚的功能是选择总线模式，接地后为分离总线模式；MODE0 引脚用来选择读/写功能，上拉后为 8051 型；MODE1引脚在分离总线模式下用于ALE/A0 的功能选择，接地后选择 ALE 功能。ISP1581 内部集成了复位电路 , 将 RESET 引脚直接接高电平即可复位。 （DMA 传输引脚 EOT 、DIOR/W 、DATAi 等信号不由 89C51 提供，由 DMA 数据源或数据接收端提供符合 ISP1581 DATASHEET 要求的 DMA 时序信号即可，不涉及 USB 协议内容， 相对简单。 因为图片排版问

7、题此处没有提供图例，类似还有系统供电滤波部分。详细可参见参考文献 2 ISP1581 Product Datasheet）。图 1 USB2.0 接口电路原理图 2 固件程序主流程?3 ISP1581 固件程序设计 ?在 USB2.0 协议中规定， 所有 USB 通信都必须由主机发起，设备只能响应来自主机的命令。 在这种结构下， ISP1581的固件编程采取中断驱动的方式。主机对 1SP1581 的任何操作都会引起ISP1581 对相应的中断位置位，同时引发89C51中断； 89C51 通过查询 ISP1581 中断源寄存器判断并处理中断。这样一方面保证了快速的数据传输和较好的软件结构，另一方

8、面简化了编程和测试。 ?固件程序主循环流程如图 2 所示。在系统上电后，首先初始化 89C51 和 ISP1581。初始化主要完成 89C51 中断设置与 ISP1581 预设寄存器设置，主要包括地址寄存器，方式寄存器，中断寄存器， DMA 寄存器，及端点寄存器等。地址寄存器设置 USB 的分配地址并激活 USB 设备（一般设置默认地址 0，在 SETUP 过程中改设为主机提供的地址） ；方式寄存器控制着重新开始、挂起和唤醒行为、中断行为、软件复位、时钟信号和软件连接操作；中断寄存器控制中断使能以及决定 INT 输出的动作和极性； DMA 寄存器中， DMA 配置寄存器和 DMA 硬件寄存器设

9、置 DMA 模式及信号触发极性；端点寄存器包括设置端点缓存大小，端点传输类型，以及端点使能等（端点寄存器的设置要与准备提供的端点描述符相一致） 。 ?初始化完成后，系统循环等待主机命令引发的中断，主要中断有 SETUP 中断 (即 USB 控制传输中断 )、总线挂起中断、总线唤醒中断、各端点数据 IN 或 OUT 中断和两个厂商请求中断 (固件版本查询中断和 DMA 传输使能中断 )。中断服务程序流程如图 3 所示。系统进入中断服务程序后，读取 ISP1581 中断寄存器内容并拷贝到全局中断，然后清除 ISP1581 中断源，以免再次触发。 ?当固件接受到第一个SETUP 中断后，进入USB

10、枚举过程。枚举过程与USB 协议关系最为密切，其过程是主机发出一系列 USB 标准设备请求并要求及时得到设备响应，使主机能为该设备准备其所请求的资源，建立好两者之间的信息沟通机制。主要枚举过程如下：?主机使用默认地址下发GetDeviceDescriptorA （80 0600 01 00 00 40 00），设备上发18 位设备描述符，确定USB规范版本号与厂商ID 、产品 ID ，不用返回64 位数据；主机发送含有指定地址命令SetAddress（ 00 05 02 00 00 00 0000），在主机只有一个USB 设备的时候，此地址一般是2，最大地址可为127，即 USB 协议中规定可

11、以连接127 个设备。固件设置 ISP1581 的地址寄存器，进入新地址状态，主机以后会在新的指定地址处访问设备；主机使用新地址下发GetDeviceDescriptorB （ 80 06 00 01 00 00 12 00），设备重新上发 18 位设备描述符；主机使用新地址下发GetDeviceDescriptorC （ 80 06 00 02 00 00 09 00），设备上发 9位配置描述符，确定接口数目以及电源获取方式等；主机使用新地址下发GetDeviceDescriptorD （ 80 06 00 02 00 00 FF00），设备上发全部描述符，包括配置描述符号、接口描述符号、端

12、点描述符，确定接口与端点详细信息；读取全部ConfigDescriptor 后，主机将找到新设备， 提示安装驱动程序；在设备能通信前，主机给出SetConfiguration （ 00 00 09 010 00 00 00）请求，设备收到后调整有关信息，使设备能被客户软件利用枚举过程涉及大量USB 协议中规定的内容， 其重点是 USB 描述符所代表的具体含义，如最大信息包、 接口数目、端点数目、电源配置等。在提示安装驱动程序前，可使用 BusHound 对 USB 传输数据进行监。驱动可先使用philips 的驱动，待系统完成后再根据性能考虑是否需要驱动的更新。枚举过程中数据传输皆通过ISP1

13、581 的端点 0 实现，使用 USB 的控制传输类型。图 3 中断服务程序流程图 4 BusHound 对 USB 口数据流的监控结果 ?枚举结束，系统又处于循环等待主机其他命令状态，一旦得到主机要求，就开始传输数据。 相对于控制传输来说，USB 的其他几种传输模式都比较好处理。ISP1581 的 7 个 IN端点和 7 个 OUT 端点均可通过编程设置为批量传输、中断传输或等时传输模式。在芯片处于分离总线模式下，89C51与 DMA 数据源或数据接收端均可以与主机进行数据交换，一般少量控制命令数据由 89C51 实现，大批量数据由 DMA数据源或数据接收端通过DMA 传输引脚提供或接收，两

14、者需分别通过ISP1581 不同的端点进行传输。?89C51 与主机通信， 通过设置 ISP1581 的端点索引寄存器、数据端口寄存器、缓冲区长度寄存器来实现（枚举阶段固件程序相相似） 。89C51 上传主机数据的程序段主要内容如下：?ISP_Cntrl_Reg.ISP_ENDPT_INDEX = port; /选择端点?ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_LSB =(unsigned char) len;?ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_MSB =(unsigned char) (len8); / 数据长度 ?while(len -

15、 != 0)? ISP_Cntrl_Reg.ISP_DATA_PORT_LSB = *buf; /填写FIFO ， buf为数据地址?buf+;? ?89C51 接收主机数据的程序段主要内容如下：?ISP_Cntrl_Reg.ISP_ENDPT_INDEX = port; /选择端点?len = ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_MSB;?len 8);?ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_TRANSFER_COUNTER_MSB_L = 0;?ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_TRANSFER_COUNTER_MSB = 0;?ISP_Cntr

16、l_Reg.ISP_DMA_COMMAND =DMA_Write_Command; / 启动 DMA 传输 ?while(!DMA_Int_Flag.BITS.DMA_DONE& !DMA_Int_Flag.BITS.INT_EOT)? if(USB_Int_Flag.BITS.SUSP |Kernel_Flag.BITS.Bus_Reset | ?USB_Int_Flag.BITS.EP0SETUP)? ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_COMMAND =DMA_RESET;?DMA_Init();?break;? ? / 循环判断是否DMA 传输结束或系统强制结束DMA_Int_

17、Flag.BITS.DMA_DONE = 0;?DMA_Int_Flag.BITS.INT_EOT = 0; /复位系统标志?设置接收主机数据的程序段主要内容(略 )。?4 主机程序设计?主机程序设计包括驱动程序设计与应用程序设计。?主机的驱动程序可以使用USB芯片厂商提供的驱动（ Philips 公司提供了 ISP1581 的驱动 , ?在 Philips 网站（ www.P ）上可获得），也可以自己编写。编写主机的驱动程序是 USB 开发中较困难的事情 ,通常采用 WindowsDDK来实现。目前有许多第三方开发软件, 使用他们开发要简单许多，有WinDriver Wizard ，Driv

18、erStudio 等 (这部分在参考文献 4 Windows2000 设备驱动程序设计指南中已有很详细说明)。 ?应用程序设计相对比较简单，它调用驱动程序提供的函数即可，包括初始化USB 设备，发送操作命令，关闭USB设备等。应用程序也可先用Bus Hound 替代，它可以监控USB 口上数据流的一举一动，是调试主机应用程序和固件的有力工具。上面介绍系统程序的运行结果，用 Bus Hound 监控的得到数据如图 4 所示，从图中可以看到从 USB 口读进来的数据有设备描述符数据、管道信息数据以及从数据端点上读进来的数据块。 ?5 结束语 ?本文详细介绍了基于ISP1581 芯片的 USB2.0 接口设计。ISP1581 是一款性能优化的USB 接口芯片 , 具有同外部微控制器接口简单、应用灵活、调试方便和性价比较高、适用于工业领域等优点。采用ISP1581 可以快速开发出高性能的USB2.0 设备。可以预见， 它将在大容量存储器、音频视频等高速大流量的数据传输场合得