引言
基于USB接口的設備使用方便，性價比高，因此在人們的工作和生活中得到了廣泛的應用，如U盤、移動硬盤、移動光驅、USB攝像頭、USB鼠標鍵盤等。同時，51 系列單片機以其成熟的技術和高性價比吸引了大量國內(nèi)用戶，被廣泛應用于測控和自動化領域。因此，如果在51 單片機系統(tǒng)中增加USB 主機接口，實現(xiàn)對USB 從機設備的控制，則該單片機系統(tǒng)可充分利用現(xiàn)有的各種USB從機設備，大大擴展單片機系統(tǒng)的功能。
本設計實現(xiàn)了在51單片機系統(tǒng)中增加USB主機功能，采用普通51單片機外接專用USB接口芯片的方案。這種方案雖然會使系統(tǒng)傳輸速度受到限制，而且在穩(wěn)定性方面有所欠缺，但此方案設計靈活性高，且易于移植，為低成本產(chǎn)品的開發(fā)提供了廣闊前景。設計中采用的51單片機是Atmel公司的AT89S52芯片，USB主機功能的擴展通過外接專用USB接口芯片SL811HS實現(xiàn)。CYPRESS公司的USB接口芯片SL811HS可以工作在主機或從機模式，支持USB1.1的全速和低速數(shù)據(jù)傳輸。工作在主機模式時，SL811HS可以自動檢測外設的插拔動作，可以按照外處理器(如單片機)的要求自動把數(shù)據(jù)整合為USB協(xié)議數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)傳輸。
圖 1 系統(tǒng)硬件示意圖
本文將介紹單片機AT89S52控制SL811HS的硬件設計和底層驅動的編寫，其中重點講述底層驅動的設計。
硬件設計
系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示。AT89S52的供電電壓為5V，SL811HS的為3.3V。盡管供電電壓不同，但根據(jù)芯片引腳的信號噪聲容限參數(shù)分析可知，AT89S52與SL811HS之間的引腳可以直接相連，不需要電平轉換或緩沖。
表1 USB主機枚舉操作驅動的層次關系
軟件設計
USB主機驅動是一個高低層子程序的組合，實現(xiàn)USB傳輸和控制的過程是較高層子程序調(diào)用較低層子程序的過程。編寫USB主機驅動時，可接從低層往高層的順序逐層進行。
以USB主機枚舉從機設備的操作為例，實現(xiàn)該功能所需要的各層子程序層次關系如表1所示。本文將介紹較低層的幾個子程序的實現(xiàn)，包括讀寫SL811HS內(nèi)部寄存器、傳輸事務的實現(xiàn)、設備插拔檢測、復位等，其中，“傳輸事務的實現(xiàn)”是關鍵和難點，同時也是本文的重點。
單片機讀寫SL811HS
內(nèi)部寄存器
讀寫SL811HS內(nèi)部寄存器子程序是最低層的子程序，系統(tǒng)所進行的各種操作主要都是通過調(diào)用這些子程序讀寫SL811HS內(nèi)部寄存器實現(xiàn)的。例如，通過讀取SL811HS的狀態(tài)寄存器獲取SL811HS的狀態(tài)信息可以實現(xiàn)設備插拔檢測、設備速度檢測等，通過向SL811HS的相關控制寄存器寫入控制字節(jié)可以實現(xiàn)USB總線復位以及USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?br />
SL811HS內(nèi)部寄存器
從編程結構的角度來看，SL811HS內(nèi)部寄存器一共有256個單元，每個單元是一個字節(jié)，其中地址為[00H]~[0FH]的前16個單元是SL811HS的狀態(tài)寄存器或控制寄存器(統(tǒng)稱為特殊寄存器)，其余的是數(shù)據(jù)緩沖寄存器。表2列出了16個特殊寄存器的名稱和主要功能含義。
表2 SL811HS內(nèi)部特殊寄存器簡介
單片機讀寫SL811HS
內(nèi)部寄存器的實現(xiàn)
按照SL811HS的讀寫控制信號時序圖編寫單片機讀寫SL811HS內(nèi)部寄存器的子程序，使各控制引腳上按照規(guī)定的時序給出符合要求的信號脈沖。 在這個程序中，單片機指令周期的大小將直接影響輸出信號的保持時長和時序關系。
初始化
初始化操作主要包括SL811HS芯片復位、USB總線復位、設備插拔檢測和設備USB數(shù)據(jù)傳輸速度檢測等。通過這些初始化操作，SL811HS將作為USB主機與從機之間建立一個底層協(xié)議連接關系，為后續(xù)的數(shù)據(jù)通信做好準備。
SL811HS芯片復位
USB接口芯片SL811HS的復位是對芯片的狀態(tài)進行復位，包括了對芯片內(nèi)部寄存器值的復位。實現(xiàn)該操作不需要讀寫接口芯片內(nèi)部寄存器，只需向接口芯片的復位引腳輸入一個有效的復位脈沖即可。
USB總線復位
按照USB協(xié)議，USB總線復位是指在USB數(shù)據(jù)線上輸出SE
0態(tài)，并保持10ms以上，接在USB總線上的從機設備收到這個復位信號后就會進行自身的復位操作，為接下來的USB數(shù)據(jù)傳輸做好準備。通過設置接口芯片的CtrlReg[05H]寄存器的第4、3位為邏輯”01”，并保持10ms，然后再把它們恢復為邏輯”00”，就可以讓接口芯片產(chǎn)生USB總線復位信號。
設備拔插檢測和設備速度檢測
在USB協(xié)議的物理層上，USB從機設備是否接在USB總線上是通過檢測總線的電壓得知的。根據(jù)該電壓的高低，還可獲知USB總線上的設備所支持的速度(例如，在USB1.1協(xié)議中，分有低速和全速)。 USB主機接口芯片SL811HS把這個物理層的電壓檢測結果反映到狀態(tài)寄存器的取值上，通過讀取這些狀態(tài)寄存器的值，可以獲知當前的設備插拔狀態(tài)和設備速度。
USB主機所進行的初始化操作除了上述3項外，還包括幀起始包啟動/禁止的設置、幀同步設置、幀定時初值的設置等，它們都是通過對接口芯片特殊寄存器進行讀寫而實現(xiàn)的。
傳輸事務的實現(xiàn)
根據(jù)USB1.1協(xié)議，一個傳輸事務一般包含3個包(Packet)的傳輸，分別是標記包(Token Packet)、數(shù)據(jù)包(Data Packet)和握手包(Handshake Packet)。USB數(shù)據(jù)傳輸方式一共有四種，分別是控制傳輸(Control Transfer)、同步傳輸(Isochronous Transfer)、中斷傳輸(Interrupt Transfer)和批傳輸(Bulk Transfer)。其中，控制傳輸方式至少由2個傳輸事務構成，其它三種傳輸方式則都各由１個傳輸事務構成。可見，傳輸事務在USB傳輸中至關重要。
一個典型的傳輸事務含有3個包的傳送，這連續(xù)的3個包數(shù)據(jù)流如表3所示。
表3 一個傳輸事務的數(shù)據(jù)流示意
使用SL811HS設計USB主機系統(tǒng)時，用戶只需讓單片機設置SL811HS內(nèi)部幾個相關的特殊寄存器，然后把傳輸事務啟動位使能(置為邏輯’1’)，就可以讓接口芯片自動完成這個包的發(fā)送與接收。在表3所示的例子中，第n個包(標記包)和第n+2個包(握手包)都是由主機發(fā)送給從機的，第n+1個包(數(shù)據(jù)包)是由從機發(fā)送給主機的。這個傳送方向和第n+2個包的傳送方向都是由標記包中的標識域取值決定的，其規(guī)則可參考USB協(xié)議。
如果傳輸事務的數(shù)據(jù)包是由從機發(fā)送給主機，則該傳輸事務屬于輸入類型，稱為輸入傳輸事務，反之則稱為輸出傳輸事務。可見，表3例子是一個輸入傳輸事務。對于一個輸入傳輸事務，單片機通過設置SL811HS內(nèi)部特殊寄存器就可以決定其取值的包域主要有：標記包中的標識域、地址域和端點域，數(shù)據(jù)包中的標識域。在輸入傳輸事務中，雖然數(shù)據(jù)包并不是由主機發(fā)送的，但之所以仍需要單片機設置與數(shù)據(jù)包標識域相關的寄存器，是因為主機在該傳輸事務中將只認可標識域符合所設置值的數(shù)據(jù)包。其余部分，如標記包中的其它域及握手包的內(nèi)容則都是SL811HS根據(jù)情況自動產(chǎn)生的。
主機接口芯片SL811HS完成一次輸入傳輸事務后，如果傳輸成功，單片機就可以從SL811HS的數(shù)據(jù)緩沖寄存器讀到從機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。此處，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的首地址是由單片機預先通過設置控制寄存器指定的。
對于輸出傳輸事務，單片機同樣需要設置相關的寄存器以確定標記包的標識域、地址域、端點域和數(shù)據(jù)包的標識域，以及存放發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址，并且，這個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)也是由單片機寫入的。
具體地，單片機控制USB主機接口芯片進行一次傳輸事務所需要執(zhí)行的操作步驟如下：
首先，如果是輸出傳輸事務，則需要把將在數(shù)據(jù)包中發(fā)送給從機的數(shù)據(jù)存放到SL811HS的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。
其次，做好相關的傳輸準備工作，即設置接口芯片中的4個特殊寄存器。這4個寄存器的名稱及其在傳輸事務中的作用如表4的前4項所列。
表4 與傳輸事務
直接相關的SL811HS特殊寄存器
第三，啟動傳輸事務：把寄存器EP0Control[00H]或EP1Control[08H]的第0位(即傳輸事務啟動位)置為邏輯’1’即可啟動傳輸事務。但在此之前必須把這個寄存器中其它位設置好(或與啟動位同時設置)，與這個寄存器相關的包域如表4中最后一項所列。
第四，單片機讀取寄存器EP0Status[03H]或EP1Status[0BH]的值，以獲知此次事務傳輸?shù)耐瓿汕闆r。
最后，如果傳輸成功，而且該傳輸事務是輸入性質(zhì)的，則單片機可讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，獲得由從機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。
結語
在51單片機控制USB接口芯片SL811HS的底層驅動中，讀寫SL811HS內(nèi)部寄存器的子程序是最低層的，各種USB傳輸?shù)妮^低層操作，如總線復位、插拔檢測、速度檢測以及傳輸事務等，都主要是通過讀寫SL811HS內(nèi)部特殊寄存器實現(xiàn)的。其中，傳輸事務的實現(xiàn)就直接涉及了5個特殊寄存器的讀寫。