基于ISP1581型接口電路的USB2.0接口設計

摘要：通用串行總線（USB）作為一種計算機與外圍設備連接的標準接口，具有即插即用、外展方便和傳輸速度快等優(yōu)點。文中給出一種基于SIP1581型微控制器的USB2.0接口實現(xiàn)方案，同時給出它的軟硬件設計方法。

關鍵詞：通用串行總線 接口電路 固件 驅(qū)動程序

1 引言

通用串行總線（USB）是近年來開發(fā)的一種串行總線標準，主要用于PC與外圍設備的互聯(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數(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)軟硬件設計方法。

圖1

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、通訊設備類、數(shù)碼相機類、復印機類和掃描儀類等大多數(shù)USB設備類的設計。

3 硬件電路設計

由TMS320F2812（以下簡稱F2812）和ISP1581構成的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)部集成了復位電路，將RESET引腳直接接高電平即可復位。由于本設計沒有使用DMA傳輸，所以與DMA相關的引腳沒有連接。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Windows檢測和識別設備，建立起正確的通信連接。設備與主機的USB通信可以分為配置通信和應用通信。配置通信 主要指主機在對設備進行檢測的過程中設備軟件對主機的一系列標準請求所做出的響應。設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。應用通信主要指主機識別設備后進行的有用數(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，其任務是循環(huán)掃描USB事件和等待中斷；三是中斷服務程序，其任務執(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備任務。F2812對ISP1581的操作是通過寫/讀寄存器來實現(xiàn)的。初始化結束后，通過設置ISP1581方式寄存器中的軟件連接位（SOFTCT）可使外設連接到USB總線上。主機檢測到有設備連接后會進行總線復位。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將轉換到高速（HS）狀態(tài)，否則仍工作在全速（FS）狀態(tài)。

當ISP1581接收到主機的令牌包、總線復位、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)行相應的操作?？偩€復位和高速模式中斷不需要進行特殊的處理，只需在中斷服務程序中設定標志。在軟件程序中，比較難處理的是包含標準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種包到設備，ISP1581相應的會產(chǎn)生3種中斷。在編程中，可以設備空閑（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種標準請求，軟件應對這11種標準請求作出正確響應。這里以“Get_Desctiptor”和“Set_Descriptor”二個標準請求為例，并結合圖2來說明軟件是如何通過控制傳輸來響應請求的?！癎et_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)容判斷是否為標準請求，如果是一個標準請求，微控制器必須向控制輸出端點發(fā)送應答建立命令，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。微控制器需要設置一個標準以指示USB設備現(xiàn)在處于傳輸模式，即準備在主機發(fā)送請求時發(fā)送數(shù)據(jù)。

建立階段結束后，主機會執(zhí)行數(shù)據(jù)階段。當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。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。

圖2

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包標志后，當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。微控制器響應中斷時，首先確認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)下響應主機標準請求時，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設備驅(qū)動程序和應用程序。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 結束語

本文詳細介紹了基于ISP1581型接口電路的USB2.0接口軟硬件設計。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設備。實際上，USB作為新一代串行總線標準，在計算機與外設的互聯(lián)中得到越來越廣泛的應用，因此，USB接口的開發(fā)也會得到越來越多的重視。