USB接口器件ISP1581的接口应用设计 ■ 解放军信息工程大学
王晖
摘
要关键词简单介绍USB接口的特点和Philips公司的USB接口芯片ISP1581;详细介绍USB接口的硬件原理设计、固件开发流程及USB设备的调试。
USB
ISP158
1固件
枚举
微控制器接口
DMA 引
言
通用串行总线USB(Universal Serial Bu s是近年来应用在PC领域的新型接口技术;是一些大PC厂商,如Microsoft、Int el等,为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾,而制定的一种串行通信的标准。USB以其高速、易于安装配置、使用灵活和可靠性高而日益受到人们的欢迎。现在已广泛使用于计算机和周边设备的连接,如键盘、鼠标、打印机、存储设备等。
USB控制器一般有两种类型:一种是MCU集成在芯片里面;另一种是纯粹的USB接口芯片,仅处理 USB 通信。前者由于开发时需要单独的开发系统,因此开发成本较高;后者只是一个芯片与MCU接口,实现USB 通信功能,因此成本较低、可靠性较高。本文主要介绍Philips公司的ISP1581器件的使用方法,它属于后者。1硬件设计
1.1I S P1581芯片特点
ISP1581 是一个高速USB 器件控制器。它实现了USB 2.0/1.1 物理层和数据协议
层的任务,并且实现了
连同端点EP0 (设置用于 访问设置缓冲器在内的 16 个USB 端点的共同协 作;用于基于微控制器 的系统,与微控制器/微 处理器的通信是通过一 个高速的通用并行接口 实现的,接口速度可达 12.5M字节/s或12.5 M字/s;支持DMA传输, 可很好地实现与大容量
存储设备的接口;通过ATA/A TAPI接口,可以直接与ATA/A TAPI设备相连。ISP1581能适应大多数设备类规范的设计,非常适合做很多外围设备,如打印机、扫描仪、外部大容量存储器和数码相机等的外部接口。(注: ATA/A TAPI,Advanced Technology Attachmen t/Advanced Technology Attachment Peripheral Int erface。中文名称为高级技术附加装置/高级技术附加装置外围接口。ATA是一种硬盘接口标准,ATA标准的接口类型其实就是IDE 接口类型。
1.2I S P1581内部模块功能描述
ISP1581内集成了多个模块,各自完成不同功能,如图1所示。
① USB2.0收发器。模拟收发器通过集成的终端电阻直接与USB电缆相连。
② Philips串行接口引擎(SIE,Serial Interface Engine。完成所有USB协议层的功能,主要完成以下的功能:同步方式的识别、并行/串行的转换,位填充/解除填充、CRC校验/产生、包标识(PID校验/产生、地址识别和握手评估/产生。考虑到速度,它是全硬件的,不需要
DREQ,DACK CS0,CS1, [16:0] DS/WR 图
1ISP1581内部结构方框图
固件介入。
③ 存储器管理单元(M M U和集成RA M 。MMU 和集成RAM 实现了USB 总线和微控制器管理器或DMA 管理器之间的速度转换。
④ 微控制器/处理器接口和微控制器/处理器的管理器。可以直接与大部分微控制器相连。
⑤ DMA 接口和DMA 管理器。DM A 管理器接收到DMA 命令后,可直接把数据从内部RAM 传送到外部DM A 设备或从外部DM A 设备传送给内部RAM 。
2硬件连接
ISP1581 有一个快速通用接口,利用它可以实现与大
部分类型的微控制器/处理器的通信。上电时,由引脚BUS_CONF、MODE1 和MODE0 共同设置。由于MMC2107的外部地址、数据总线是分开的,因此在本开发平台上ISP1581只能工作在通用处理器工作模式下,设置方式如表1所列。
ISP1581提供微控制器接口与微控制器进行数据传输,也支持DMA 传输。在微控制器速度较高时,两者的读写访问速度均可达12.5M b/s ,采用DMA 方式会增加电路设计的复杂度。经过综合比较,采取微控制器接口方式。USB 模块硬件连接原理如图2所示。
注:①ISP1581提供两种复位方式:a.ISP1581集成有上电复位电路(POR, RESET 引脚接电源,实现上电复位功能。b.RESET 引脚接MMC2107的一个数字I/O 引脚,
将该引脚置低800μs 后置高,实现复位。②ISP1581 的供电电压为3.3V 或5.0V ,I/O 引脚最大能承受5.0V 的电压。根据I/O 口的电压,从3.3V 和5.0V 中选择一个作为供电电压。
3I S P 1581固件(F I R E W A R E 程序设计 由于所有的通信都是由主机发起,设备只能响应来
自主机的命令。在这种结构下,ISP1581的固件采取中断驱动。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。
固件程序由5部分组成,如图3所示。(1主循环流程
上电后,初始化MMC2107和ISP1581。然后,主循环程序轮询检查事件标志,进入相应的子程序进行进一步的处理。图4是主循环的流程。
表
1设置工作方式
注:这里使用16位总线,AD[0]必须与ISP1581的地端相连。 图
3固件结构和数据流向 图
4USB主循环程序
图
2MMC2107与ISP1581硬件连接原理
(2中断服务程序(ISR流程
图5所示的中断服务流程,用来处理由ISP1581产生的中断。通过访问ISP1581的中断寄存器,建立正确的事件标志,以通知主循环程序进行处理。(3USB 标准请求处理
进行应用通信以前,主机必须枚举设备。该过程是通过给端点0发送包含标准设备请求(CHA P_9的控制传
输实现的。USB 标准请求流程(见图6译码设备请求类型,转到相应的处理子流程。枚举过程如下: ①主机使用默认地址(地址0读取设备描述符G etDeviceDescriptor ; ② SetAddre ; ③ 连续3次G etDev iceDescriptor ,读取全部设备描述符; ④ G etConfigDescriptor ;
⑤ G etStringDescriptor(可能没有; 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 请求,设备收到后调整有关信息,使设备能被客户软件利用。(4厂商请求处理(VENDOR 厂商请求和USB 标准请求一样,都根据控制传输的内容进行相应处理。本开发平台的固件程序中定义了两个厂商请求,分别为取得固件版本和将批量数据写入设备或从设备中读出数据。
取得固件版本流程如图7所示。主机发送批量数据读写请求时,在控制传输的数据阶段,主机给出需要传输的数据字节数、数据传输方向、页索引和数据定位。控制传输结束后,主机和设备就可以根据双
方约定,启动批量传输。批量传输流程如图8所示。
4 调
试 4.1 调试步骤
USB 的调试可分为以下几个步骤: ① 若USB 芯片正常工作,可实现软连接,将设备插 入主机后,主机上出现“未知设备类型”的USB 设备; ② 提供描述符,提供正确的VID 和PID 后,主机能够识别设备,但要求提供设备的驱动程序; ③ 安装驱动程序后,调试各端点,使其均可传输数据,用主机端的测试程序对其进行测试,验证硬件及固件的正确性。
中断服务程序
图
5中断服务程序流程 图6
USB标准设备请求流程 取得固件版本
图7
取得固件版本流程 图8
批量传送流程
4.2调试工具
因为每一次USB的传输过程,都有时效要求,等待时间过长,通信过程也就中止了,因此不适合用硬件仿真器来设断点调试。可采用串口辅助调试过程,即在固件代码中加入类似于Printf的语句,向串口输出一些信息。借此,可以知道程序是否运行到此处,以及运行到此处时相应的变量或寄存器值。
设备完成配置后,在Bus Hou nd中可看到该设备(bus Hound是一种应用软件。选择该设备,就可以对主机与此设备间的通信数据进行分析和监视。Bus Hound 工作在主机端,串口工作在微控制器端。将串口调试和Bus Hound两种手段配合使用,可以使USB通讯过程的调试更加容易。
在调试USB设备时,还可使用UsbView程序。在该程序中可以查看设备描述符、配置描述符和端点描述符是否正确。
(收稿日期:2004-02-24
