一种USB2.0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 (Universal Serial Bus，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
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2011）09-0040-03
0 引言??
通用串行总线USB(Universal Serial Bus)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。

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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。

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1 ISP1581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。

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2 ISP1581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。

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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ISP1581 DATASHEET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］ISP1581 Product Datasheet）。

图1 USB2.0接口电路原理图2 固件程序主流程??
3 ISP1581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。

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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）。

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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。

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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（80 06
00 01 00 00 40 00），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（00 05 02 00 00 00 00 00），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（80 06 00 01 00 00 12 00），设备重新上发18位设备描述符；④主机使用新地址下发GetDeviceDescriptorC（80 06 00 02 00 00 09 00），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（80 06 00 02 00 00 FF 00），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（00 00 09 01
00 00 00 00）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4 BusHound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。

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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 = (unsigned char) len;??
ISP_Cntrl_Reg.ISP_BUFFER_LENGTH_MSB = (unsigned char) (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。

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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)。

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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。

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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（）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WinDriver Wizard，Driver Studio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)。

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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Bus Hound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Bus Hound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。

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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．Universal Serial Bus 2.0 Specification［EB/OL］．，2000．［2］PHILIPS SEMICONDUCTORS．ISP1581 Product Datasheet［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］ART BAKRER，JERRY LOZONO．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．
（责任编辑：杜能钢）。