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 單片機系統中增加USB 主機接口，實現對USB 從機設備的控制，則該單片機系統可充分利用現有的各種USB從機設備，大大擴展單片機系統的功能。
本設計實現了在51單片機系統中增加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傳輸速度受到限制，而且在穩定性方面有所欠缺，但此方案設計靈活性高，且易于移植，為低成本產品的開發提供了廣闊前景。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。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的全速和低速數據傳輸。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)的要求自動把數據整合為USB協議數據包進行數據傳輸。
圖 1 系統硬件示意圖
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，但根據芯片引腳的信號噪聲容限參數分析可知，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USB傳輸和控制的過程是較高層子程序調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，包括讀寫SL811HS內部寄存器、傳輸事務的實現、設備插拔檢測、復位等，其中，“傳輸事務的實現”是關鍵和難點，同時也是本文的重點。
單片機讀寫SL811HS
內部寄存器
讀寫SL811HS內部寄存器子程序是最低層的子程序，系統所進行的各種操作主要都是通過調用這些子程序讀寫SL811HS內部寄存器實現的。例如，通過讀取SL811HS的狀態寄存器獲取SL811HS的狀態信息可以實現設備插拔檢測、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可以實現USB總線復位以及USB數據傳輸等操作。
SL811HS內部寄存器
從編程結構的角度來看，SL811HS內部寄存器一共有256個單元，每個單元是一個字節，其中地址為[00H]~[0FH]的前16個單元是SL811HS的狀態寄存器或控制寄存器(統稱為特殊寄存器)，其余的是數據緩沖寄存器。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內部特殊寄存器簡介
單片機讀寫SL811HS
內部寄存器的實現
按照SL811HS的讀寫控制信號時序圖編寫單片機讀寫SL811HS內部寄存器的子程序，使各控制引腳上按照規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數據傳輸速度檢測等。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議連接關系，為后續的數據通信做好準備。
SL811HS芯片復位
USB接口芯片SL811HS的復位是對芯片的狀態進行復位，包括了對芯片內部寄存器值的復位。實現該操作不需要讀寫接口芯片內部寄存器，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協議，USB總線復位是指在USB數據線上輸出SE
0態，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數據傳輸做好準備。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生USB總線復位信號。
設備拔插檢測和設備速度檢測
在USB協議的物理層上，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寄存器的取值上，通過讀取這些狀態寄存器的值，可以獲知當前的設備插拔狀態和設備速度。
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的。
傳輸事務的實現
根據USB1.1協議，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)、數據包(Data Packet)和握手包(Handshake Packet)。USB數據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，這連續的3個包數據流如表3所示。
表3 一個傳輸事務的數據流示意
使用SL811HS設計USB主機系統時，用戶只需讓單片機設置SL811HS內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)都是由主機發送給從機的，第n+1個包(數據包)是由從機發送給主機的。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，其規則可參考USB協議。
如果傳輸事務的數據包是由從機發送給主機，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，數據包中的標識域。在輸入傳輸事務中，雖然數據包并不是由主機發送的，但之所以仍需要單片機設置與數據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據包。其余部分，如標記包中的其它域及握手包的內容則都是SL811HS根據情況自動產生的。
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的數據緩沖寄存器讀到從機發送過來的數據。此處，數據緩沖區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、端點域和數據包的標識域，以及存放發送數據的緩沖區首地址，并且，這個緩沖區中的數據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，則需要把將在數據包中發送給從機的數據存放到SL811HS的數據緩沖區中。
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的完成情況。
最后，如果傳輸成功，而且該傳輸事務是輸入性質的，則單片機可讀取數據緩沖區，獲得由從機發送過來的數據。
結語
在51單片機控制USB接口芯片SL811HS的底層驅動中，讀寫SL811HS內部寄存器的子程序是最低層的，各種USB傳輸的較低層操作，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內部特殊寄存器實現的。其中，傳輸事務的實現就直接涉及了5個特殊寄存器的讀寫。