一种USB20数据传输的实现方式Word格式.docx

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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。

　　1ISP1581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：

①ISP1581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；

②通过Philips串行接口引擎（SIE）来完成所有USB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；

③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；

④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。

　　2ISP1581硬件电路设计

　　ISP1581与系统的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1.5kΩ电阻器上拉；

RREF引脚通过12.0kΩ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ISP1581DATASHEET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］ISP1581ProductDatasheet）。

　　图1USB2.0接口电路原理图2固件程序主流程

　　3ISP1581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：

　　①主机使用默认地址下发GetDeviceDescriptorA（8006000100004000），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；

②主机发送含有指定地址命令SetAddress（0005020000000000），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；

③主机使用新地址下发GetDeviceDescriptorB（8006000100001200），设备重新上发18位设备描述符；

④主机使用新地址下发GetDeviceDescriptorC（8006000200000900），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；

⑤主机使用新地址下发GetDeviceDescriptorD（800600020000FF00），设备上发全部描述符，包括配置描述符号、接口描述符号、端点描述符，确定接口与端点详细信息；

⑥读取全部ConfigDescriptor后，主机将找到新设备，提示安装驱动程序；

⑦在设备能通信前，主机给出SetConfiguration（0000090100000000）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ISP1581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4BusHound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=（unsignedchar）len;

　　ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_MSB=（unsignedchar）（len>

>

8）;

//数据长度

　　while（len--!

=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：

　　len=ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_MSB;

　　len<

<

=8;

　　len+=ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_LSB;

//数据长度

　　{*buf=ISP_Cntrl_Reg.ISP_DATA_PORT_LSB;

//从FIFO中读取数据

　　}

　　DMA数据源或数据接收端与主机通信，不仅要求DMA数据源或数据接收端能够提供ISP1581DMA传输引脚需要时序，同时还需要89C51处理选择ISP1581端点等工作。

需要注意的是选择进行DMA传输的端点不能同时是ISP1581端点索引寄存器选择的端点。

　　设置上传主机数据的程序段主要内容如下：

　　ISP_Cntrl_Reg.ISP_ENDPT_INDEX=port1;

//ISP1581端点索引寄存器选择的端点

　　ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_ENDPOINT=port;

//选择DMA传输的端点

　　//初始化DMA传输计数寄存器

　　ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_TRANSFER_COUNTER_LSB=（UC）Datalength;

　　ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_TRANSFER_COUNTER_LSB_M=（UC）（Datalength>

8）;

　　ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_TRANSFER_COUNTER_MSB_L=0;

　　ISP_Cntrl_Reg.ISP_DMA_TRANSFER_COUNTER_MSB=0;

　　ISP_Cntrl_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_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WinDriverWizard，DriverStudio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BusHound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BusHound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到广泛应用。

　　参考文献：

　　［1］PHILIPS，INTEL，MICROSOFT，ect．UniversalSerialBus2.0Specification［EB/OL］．www.usb.org，2000．

　　［2］PHILIPSSEMICONDUCTORS．ISP1581ProductDatasheet［EB/OL］．，2002．

　　［3］萧世文．USB2.0硬件设计［M］．北京：

清华大学出版社，2003．

　　［4］ARTBAKRER，JERRYLOZONO．Windows2000设备驱动程序设计指南（第2版）［M］.北京：

机械工业出版社，2001．