usb接口设计.docx

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usb接口设计

6.4USB接口实验

6.4.1实验目的

􀁺了解USB接口基本原理。

􀁺掌握通过USB接口与PC通讯的编程技术

6.4.2实验设备

􀁺硬件：

EmbestEduKit-III实验平台，EmbestARM标准/增强型仿真器套件，PC机。

􀁺软件：

EmbestIDEProARM集成开发环境，Windows98/2000/NT/XP。

6.4.3实验内容

编写USB通信程序程序，基于已有的USB驱动程序接口，完成与PC端的USB测试程序之间的

数据接收与发送。

6.4.4实验原理

1.USB基础

􀂗定义

通用串行总线协议USB（UniversalSerialBus）是由Intel、Compaq、Microsoft等公司联

合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外围设备的互联。

1994年11月发布第一个草案，

1996年2月发布第一个规范版本1.0，2000年4月发布高速模式版本2.0，对应的设备传输速度也

从1.5Mb/s的低速和12Mb/s的全速提高到如今的480Mb/s的高速。

其主要特点是：

支持即插即用。

允许外设在主机和其它外设工作时进行连接配置使用及移除。

传输速度快。

USB支持三种设备传输速率：

低速设备1.5Mb/s、中速设备12Mb/s和高速设备

480Mb/s。

连接方便。

USB可以通过串行连接或者使用集线器Hub连接127个USB设备，从而以一个串

行通道取代PC上其他I/O端口如串行口、并行口等，使PC与外设之间的连接更容易。

独立供电。

USB接口提供了内置电源。

低成本。

USB使用一个4针插头作为标准插头，通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把多达

127个的USB外设连接起来，所有的外设通过协议来共享USB的带宽。

􀂗组成

USB规范中将USB分为五个部分：

控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备

以及针对不同USB设备的客户驱动程序。

控制器（HostController），主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令，如位于PC主板的

USB控制芯片。

控制器驱动程序（HostControllerDriver），在控制器与USB设备之间建立通信信道，一般

由操作系统或控制器厂商提供。

USB芯片驱动程序（USBDriver），提供对USB芯片的支持，设备上的固件（Firmware）。

USB设备（USBDevice），包括与PC相连的USB外围设备。

设备驱动程序（ClientDriverSoftware），驱动USB设备的程序，一般由USB设备制造商提

供。

􀂗传输方式

针对设备对系统资源需求的不同，在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式：

同步传输（Isochronous），该方式用来联接需要连续传输数据，且对数据的正确性要求不高而

对时间极为敏感的外部设备，如麦克风、嗽叭以及电话等。

同步传输方式以固定的传输速率，连续不

断地在主机与USB设备之间传输数据，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是继续

传送新的数据。

同步传输方式的发送方和接收方都必须保证传输速率的匹配，不然会造成数据的丢失。

中断传输（Interrupt），该方式用来传送数据量较小，但需要及时处理，以达到实时效果的设备，

此方式主要用在偶然需要少量数据通信，但服务时间受限制的键盘、鼠标以及操纵杆等设备上。

控制传输（Control），该方式用来处理主机到USB设备的数据传输，包括设备控制指令、设备

状态查询及确认命令，当USB设备收到这些数据和命令后，将依据先进先出的原则处理到达的数据。

主要用于主机把命令传给设备、及设备把状态返回给主机。

任何一个USB设备都必须支持一个与控制

类型相对应的端点0。

批量传输（Bulk），该方式不能保证传输的速率，但可保证数据的可靠性，当出现错误时，会要

求发送方重发。

通常打印机、扫描仪和数字相机以这种方式与主机联接。

􀂗关键定义

USB主机（Host）

USB主机控制总线上所有的USB设备和所有集线器的数据通信过程，一个USB系统中只有一个

USB主机，USB主机检测USB设备的连接和断开、管理主机和设备之间的标准控制管道、管理主机

和设备之间的数据流、收集设备的状态和统计总线的活动、控制和管理主机控制器与设备之间的电气

接口，每一毫秒产生一帧数据，同时对总线上的错误进行管理和恢复。

USB设备（Device）

通过总线与USB主机相连的称为USB设备。

USB设备接收USB总线上的所有数据包，根据数

据包的地址域来判断是否接收；接收后通过响应USB主机的数据包与USB主机进行数据传输。

端点（Endpoint）

端点是位于USB设备中与USB主机进行通信的基本单元。

每个设备允许有多个端点，主机只能

通过端点与设备进行通讯，各个端点由设备地址和端点号确定在USB系统中唯一的地址。

每个端点都

包含一些属性：

传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等。

除控制端点0外的

其他端点必须在设备配置后才能生效，控制端点0通常用于设备初始化参数。

USB芯片中，每个端点

实际上就是一个一定大小的数据缓冲区。

管道（Pipe）

管道是USB设备和USB主机之间数据通信的逻辑通道，一个USB管道对应一个设备端点，各端

点通过自己的管道与主机通信。

所有设备都支持对应端点0的控制管道，通过控制管道主机可以获取

USB设备的信息，包括：

设备类型、电源管理、配置、端点描述等。

2.USB设备开发

USB设备开发包括硬件电路设计和软件设计二部分内容，其中软件部分又包括USB芯片驱动程

序和应用程序二部分。

USB设备在硬件上通过USB芯片实现，USB芯片负责：

管理和实现USB物理层差分信号；

通过配置和管理寄存器初始化设备。

提供连接的端点；

电源管理；

通过寄存器管理端点；

USB芯片驱动程序基于以上硬件资源实现USB的功能。

USB芯片提供多个标准的端点，每个端点都支持单一的总线传输方式。

端点0支持控制传输，其

他端点支持同步传输、批量传输或中断传输中的任意一种。

管理和使用这些端点，实际上就是通过操

作相应的控制寄存器、状态寄存器、中断寄存器和数据寄存器来实现。

其中，控制寄存器用于设置端点的工作模式、启用端点的功能等；状态寄存器用于查询端点的当前状态；中断寄存器则用于设置端

点的中断触发和响应功能；数据寄存器则是设备与主机交换数据用的缓冲区。

􀂗电路设计原理

EmbestEduKit-IIIUSB接口模块采用美国国家半导体公司的USBN9603USB控制器，该控

制器是全速USB节点器件，完全兼容USB1.0，USB1.1通信规范。

USBN9603/4-28M芯片引脚图如下：

USBN9603与MCU的接口模式分为两种：

􀂋8位并行总线模式（ParallelInterface），使用并行总线方式时又可选择复用（Multiplexed）

或非复用（Non-Multiplexed）模式，其中地址/数据线的复用方式电路设计稍显复杂。

􀂋微总线模式（MICROWIREinterface）。

以上模式的选择由管脚MODE0，MODE1决定。

在使用复用的8位并行总线模式下，USBN9603支持与MCU之间的增强型DMA方式传输，使

用DMA方式传输使MCU和USBN9603之间交换数据的速度成倍提高，最终可以显著提高PC与USB

的通讯速度。

USBN9603在EmbestEduKit-III评估板与CPU连接图如下：

EduKit-III的电路设计中采用的是非复用的8位并行总线模式，该模式中没有使用DMA方式，

因此DACK接高电平。

CPU通过译码器生成的片选信号CS1对USB控制器进行选通，USBN9603

通过EXINT1对CPU发出中断请求。

􀂗设备驱动程序设计

USB读写

EmbestEduKit-III的USB控制器USBN9603用户寄存器有两个，分别为只写的内部地址寄

存器，与可读写的数据寄存器，内部地址寄存器的地址为0x02000002，数据寄存器地址为

0x02000000。

对USB控制器进行读操作（包括读USB内部寄存器及数据）时，第一步是设置USB6bits宽的内部地址寄存器，指明将要从USB某个内部地址读一个字节，第二步是从数据寄存器读出8bits宽的

数据。

对USB进行写操作类似读操作，第一步同样是设置USB的内部地址寄存器，指明将要写一个字

节数据到USB内部某个地址中去。

USB中断

EmbestEduKit-III的USB控制器中断请求引脚连接S3C44B0X外部中断引脚EXINT1，对

应的中断向量为1，初始化USB中断的步骤是：

使EINT1中断使能。

安装USB中断服程序入口到中断向量中去。

初始化IO端口G组控制器PCONG，PUPG指明EXINT1是作为中断输入引脚使用。

设置外部中断寄存器EXTINT，指明触发中断方式。

初始化USB

初始化USB需要使用USB读写函数对USB控制器内部的控制寄存器进行设置。

需要设置的USB

控制寄存器如下：

首先，通过设置主控制寄存器MCNTRL软件复位位（SRST），复位USB控制器。

设置主控制寄存器MCNTRL，电压调整位（VGE），及中断输出（INTOC）位，以禁止中断输出。

写时钟寄存器CCONF，设置USB控制器工作频率。

初始化功能地址寄存器FAR（FunctionAddressRegister），及EPC0寄存器（Endpoint0

ControlRegister），端点号0为双向端点，作控制使用。

设置中断掩码寄存器，有主掩码寄存器（MAMSK），无应答事件寄存器（NAKMSK），发送事件寄

存器（TXMSK），接收事件寄存器（RXMSK），Alternate事件寄存器（ALTMSK）。

最后允许USB控制器中信号输出，使控制器附加到USB总线上。

USB中断服务例程

中断服务程序处理USB控制器产生的中断，它将数据从USB内部FIFO读出，并建立正确的事

件标志，以通知主循环程序处理。

基本步骤如下：

从主事件寄存器（MAEV）读出产生中断的事件。

根据主事件寄存器某位状态判别事件，接着读取相应的事件寄存器：

接收事件寄存器（RXEV），

或发送事件寄存器（TXEV），或无应答事件寄存器（NAKEV），或Alternate事件寄存器（ALTEV）。

进一步判别事件寄存器的某位状态，根据具体事件，分别做相应的操作。

通道0（端点0）用于控制传输，在驱动程序中调用rxevent0（），txevent0（）处理端点0的事件。

通道1中由Txevent1（）处理端点1（单向发送）的事件，rxevent1（）处理端点2（单向接

收）的事件。

通道2中由Txevent2（）处理端点3（单向发送）的事件，rxevent2（）处理端点4（单向接

收）的事件。

通道3中由Txevent3（）处理端点5的事件，rxevent3（）处理端点6的事件。

6.4.5实验操作步骤

1）拷贝光盘CD1\Software\EduKit44b0文件夹到EmbestIDE\Examples\Samsung\目录

下；

2）实验环境准备。

使用USB连接线连接EduKit-III的USB接口和PC主机的USB接口；通过Embest仿真

器连接PC主机并行口和目标板JTAG接口。

3）编译、链接、运行USB例程。

使用EmbestIDE打开USB_Test\USB_Test.pjf工作区，直接编译链接输出可执行文件

USB_Test.elf，下载到EduKit-III上运行。

4）安装USB设备驱动程序。

运行USB例程后，Windows弹出发现新硬件的提示对话框，按照安装向导安装驱动程序

EmbestEduKit-IIIUSBDriver，驱动程序安装文件位于USB_Test\Driver目录。

5）运行USB数据传送演示软件。

运行位于USB_Test目录下demo.exe，出现如下窗口：

6）发送和接收数据。

在传送数据窗口里输入要发送的数据，点发送按钮，在接收数据窗口里，显示目标板USB控

制器返回的数据。

7）在PC机上观察超级终端程序主窗口，可以看到如下界面：

bootsuccess...

USBN9603TestExample

Receivedata...

ReceiveOK.

6.4.6实验参考程序

/*********************************************************************************************

*name:

write_usb

*func:

writes9603controls/conditions/dataregister

*para:

addr---registeraddress//寄存器地址

*dat---data

*********************************************************************************************/

voidwrite_usb（unsignedcharaddr,unsignedchardat）

{

（*（volatileunsignedchar*）0x02000002）=addr;

（*（volatileunsignedchar*）0x02000000）=dat;

}

/*********************************************************************************************

*name:

read_usb

*func:

reads9603controls/conditions/dataregister//控制、状态、数据寄存器

*para:

addr---registeraddress//寄存器地址

*ret:

data

*********************************************************************************************/

unsignedcharread_usb（unsignedcharaddr）

{

（*（volatileunsignedchar*）0x02000002）=addr;

return（*（volatileunsignedchar*）0x02000000）;

}

/*********************************************************************************************

*name:

Isr_Init//中断性量表地址映射

*func:

Theseveranceinitialization,installstheUSBseveranceservicefunction//中断的初

//始化，安装usb中断服务函数

*********************************************************************************************/

voidIsr_Init（void）

{

rINTMOD&=~BIT_EINT1;//eint1中断

rINTMSK&=~BIT_GLOBAL;//GLOBALvalid

pISR_EINT1=（int）__Eint1Isr;

rPCONG=rPCONG|（3<<2）;

rPUPG=rPUPG&0xFD;

rEXTINT=0x00;

rINTMSK=rINTMSK|BIT_EINT1;

}

/*********************************************************************************************

*name:

Init_9603

*func:

theinitializationUSBN9603,initialization9603interiorregisters,attach9063toarriveonUSBHUB//初始化初始化USB-CAN转换，9603内部寄存器，在USB集线器到附加9063

**********************************************************************************************/

voidInit_9603（void）//9603初始化

{

status_GETDESC=0;

usb_cfg=0;

//giveasoftreset,thensetintstopushpull,activehiorlo

write_usb（MCNTRL,SRST）;

while（read_usb（MCNTRL）&SRST）;

write_usb（MCNTRL,VGE+INT_H_P）;

//initializetheclockgenerator初始化时钟发生器

write_usb（CCONF,CODIS+0x0c）;

//setdefaultaddress,enableEP0only设置默认的地址，使EP0只有

write_usb（FAR,AD_EN+0）;//FAR=FUNCTIONADDRESSREGISTERfar=函数地址寄存器

write_usb（EPC0,0x00）;

//setupinterruptmasks设置中断

write_usb（NAKMSK,NAK_O0）;//NAKevnts

write_usb（TXMSK,TXFIFO0+TXFIFO1+TXFIFO2+TXFIFO3）;//TXevents

write_usb（RXMSK,RXFIFO0+RXFIFO1+RXFIFO2+RXFIFO3）;//RXevents

write_usb（ALTMSK,SD3+RESET_A）;//ALTevnts

write_usb（MAMSK,INTR_E+RX_EV+NAK+TX_EV+ALT）;

//enablethereceiverandgooperational使接受并工作

FLUSHTX0;//flushTX0anddisable

write_usb（RXC0,RX_EN）;//enablethereceiver接收

write_usb（NFSR,OPR_ST）;//gooperational工作

write_usb（MCNTRL,VGE+INT_L_P+NAT）;//setNODEATTACH

delay（100）;

}

/*********************************************************************************************

*name:

Eint0Isr

*func:

TheUSBinterruptserviceisr,processestheUSBseverance,disposestheequipment,transmitsthedataUSB中断服务程序，过程的USB遣散，配置设备，发送数据

*********************************************************************************************/

voidEint0Isr（void）

{

rINTMSK=rINTMSK|BIT_EINT0;

rI_ISPC=BIT_EINT0;

evnt=read_usb（MAEV）;//checktheevents检查事件

if（evnt&RX_EV）

{

evnt=read_usb（RXEV）;//checktheRXevents检查接收的事件

if（evnt&RXFIFO0）

rxevent_0（）;//endpoint0

elseif（evnt&RXFIFO1）

rxevent_1（）;//endpoint2

elseif（evnt&RXFIFO2）

rxevent_2（）;//endpoint4

elseif（evnt&RXFIFO3）

rxevent_3（）;//endpoint6

}

elseif（evnt&TX_EV）

{

evnt=read_usb（TXEV）;//checktheTXevents检查发送的事件

if（evnt&TXFIFO0）

txevent_0（）;//endpoint0

elseif（evnt&TXFIFO1）

txevent_1（）;//endpoint1

elseif（evnt&TXFIFO2）

txevent_2（）;//endpoint3

elseif（evnt&TXFIFO3）

txevent_3（）;//endpoint5

}

elseif（evnt&ALT）usb_alt（）;//alternateevent?

//NAKscancomesofastandfurious（especiallywithOHCIhosts）

//thattheyMUSThavealowerprioritythantheotherevents.If

//theydidnot,theothereventscouldgetstarvedout.

elseif（evnt&NAK）

{

evnt=read_usb（NAKEV）;//checktheNAKevents检查该事件

if（evnt&NAK_O0）nak0（）;

elseif（evnt&NAK_O1）onak1（）;

elseif（evnt&NAK_O2）onak2（）;

elseif（evnt&NAK_I3）inak3（）;

}

rINTMSK=rINTMSK&（~BIT_EINT0）;

}

/******************************************************