一种USB20数据传输的实现方式.docx
- 文档编号:5947028
- 上传时间:2023-01-02
- 格式:DOCX
- 页数:6
- 大小:20.34KB
一种USB20数据传输的实现方式.docx
《一种USB20数据传输的实现方式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种USB20数据传输的实现方式.docx(6页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
一种USB20数据传输的实现方式
一种USB2.0数据传输的实现方式
摘要:
USB(UniversalSerialBus,通用串行总线)是外围设备与计算机进行连接的新型接口,其诞生对计算机外设连接技术产生重大变革。
对Philips公司的工业级USB2.0控制芯片ISP1581的性能特点作了介绍,并重点讨论了其硬件电路及固件程序的设计。
此外还简要提及了其上层程序的编写。
关键词:
USB2.0;ISP1581;DMA传输
0引言
通用串行总线USB(UniversalSerialBus)接口是近年来开始普遍应用于PC领域的新型接口;同时,USB2.0在USB1.1的基础上又有了质的提高,其理论速度可以达到480Mbps。
目前市场上供应的USB2.0控制器主要有两种:
带USB接口的单片机和纯粹的USB接口芯片。
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:
ISP_Cntrl_Reg.ISP_ENDPT_INDEX=port;//选择端点
len=ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_MSB;
len<<=8;
len+=ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_LSB;//数据长度
while(len--!
=0)
{*buf=ISP_Cntrl_Reg.ISP_DATA_PORT_LSB;//从FIFO中读取数据
buf++;
}
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.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一种 USB20 数据传输 实现 方式