51单片机控制SL811HS的USB主机底层驱动

2006-07-18 15:28:36来源: 电子设计应用

引言

基于USB接口的设备使用方便,性价比高,因此在人们的工作和生活中得到了广泛的应用,如U盘,移动硬盘,光驱,USB摄像头,USB鼠标键盘等,同时,51系列单片机以其成熟的技术和高性价比吸引了大量国内用户,被广泛应用于测控和自动化领域,因此,如果在51单片机系统中增加USB主机接口,实现对USB从机设备的控制,则该单片机系统可以充分利用现有的各种USB从机设备,大大扩展单片机系统功能。

本设计实现了在51单片机系统中增加USB主机功能,采用普通51单片机外接专用USB接口芯片的方案,这种方案虽然会使系统传输速度受到限制,而且在稳定性有所欠缺,但此方案设计灵活性高,且易于移植,为低成本产品的开发提供了广阔前景,设计中采用51单片机是Atmel公司的AT89S52芯片,USB主机功能的扩展通过外接专用USB接口芯片SL811HS实现,CYPRESS公司的USB接口芯片SL811HS可以工作在主机或从机模式,支持USB1.1的全速和低速数据传输,工作在主机模式时,SL811HS可以自动检测外设的插拔动作,可以按照外处理器(如单片机)的要求自动把数据整合为USB协议数据包进行数据传输。

本文将介绍单片机AT89S52控制SL811HS的硬件设备和底层驱动的编写,其中重点讲述底层驱动的设计。

硬件设计

系统的硬件原理图如图1所示,AT89S52的供电电压为5V,SL811HS的为3.3V,尽管供电电压不同,但根据芯片引脚的信号噪声容限参数分析可知,AT89S52与SL811HS之间的引脚可以直接相连,不需要电平转换或缓冲。

软件设计

USB主机驱动是一个高低层子程序的组合,实现USB传输和控制的过程是较高层子程序调用较低层子程序的过程,编写USB主机驱动时,可按从低层往高层的顺序逐层进行。

以USB主机枚举从机设备的操作为例,实现该功能所需要的各层子程序层次关系如表1所示,本文将介绍较低层的几个子程序的实现,包括读写SL811HS内部寄存器,传输事务的实现,设备插拔检测、复位等,其中,传输事务的实现是关键和难点,同时也是本文的重点。

单片机读写SL811HS
内部寄存器
读写SL811HS内部寄存器子程序是最低层的子程序,系统所进行的各种操作主要都是通过调用这些子程序读写SL811HS内部寄存器实现的,例如,通过读取SL811HS的状态寄存器获取SL811HS的状态信息可以实现设备插拔检测、设备速度检测等,通过向SL811HS的相关控制寄存器写入控制字节可以实现USB总线复位以及USB数据传输等操作。
SL811HS内部寄存器
从编程结构的角度来看,SL811HS内部寄存器一共有256个单元,每个单元是一个字节,其中地址为[00H]-[0FH]的前16个单元是SL811HS的状态寄存器或控制寄存器(统称为特殊寄存器),其余的是数据缓冲寄存器,表2列出了16个特殊寄存器的名称和主要功能含义。
单片机读写SL811HS
内部寄存器的实现
按照SL811HS的读写控制信号时序图编写单片机读写SL811HS内部寄存器的子程序,使各控制引脚上按照规定的时序给出符合要求的信号脉冲。在这个程序中,单片机指令周期的大小将直接影响输出信号的保持时长和时序关系。
初始化
初始化操作主要包括SL811HS芯片复位、USB总线复位、设备插拔检测和设备USB数据传输速度检测等,通过这些初始化操作,SL811HS将作为USB主机与从机之间建立一个底层协议连接关系,为后续的数据通信做好准备。
SL811HS芯片复位
USB接口芯片SL811HS的复位是对芯片的状态进行复位,包括了对芯片内部寄存器值的复位,实现该操作不需要读写接口芯片内部寄存器,只需向接口芯片的复位引脚输入一个有效的复位脉冲即可。
USB总线复位。
按照USB协议,USB总线复位是指在USB数据线上输出SE0态,并保持10ms以上,接在USB总线上的从机设备受到这个复位信号后就会进行自身的复位操作,为接下来的USB数据传输作好准备,通过设置接口芯片的CtrlReg[05H]寄存器的第4、3位为逻辑"01",并保持10ms,然后再把它们恢复为逻辑"00",就可以让接口芯片产生USB总线复位信号。
设备插拔检测和设备速度检测
在USB协议的物理层上,USB从机设备是否接在USB总线上是通过检测总线的电压得知的,根据该电压的高低,还可获得USB总线上的设备所支持的速度(例如,在USB1.1协议中,分有低速和全速)。USB主机接口芯片SL811HS把这个物理层的电压检测结果反应到状态寄存器的取值上,通过读取这些状态寄存器的值,可以获知当前的设备插拔状态的设备速度。
USB主机所进行的初始化操作除了上述3项外,还包括帧起始包启动/禁止的设置、帧同步设置、帧定时初值的设置等,它们都是通过对接口芯片特殊寄存器进行读写而实现的。
传输事务的实现
根据USB1.1协议,一个传输事务一般包含3个包(Packet)的传输,分别是标记包(Token Packet)的传输,分别是标记包(Token Packet),数据包(Data Packet)和握手包(Handshake Packet)。USB数据传输方式一共有四种,分别是控制传输(Control Transfer)、同步传输(Isochronous Transfer)、中断传输(Interrupt Transfer)和批传输(Bulk Transfer)。其中,控制传输方式至少由2个传输事务构成,其他三种传输方式则都各由1个传输事务构成,可见,传输事务在USB传输中至关重要。
一个典型的传输事务含有3个包的传送,这连续的3个包数据流如表3所示。

使用SL811HS设计USB主机系统时,用户只需要让单片机设置SL11HS内部几个相关的特殊寄存器,然后把传输事务启动位使能(置为逻辑"1"),就可以让接口芯片自动完成这3个包的发送与接收,在表3所示的例子中,第n个包(标记包)和第n+2个包(握手包)都是由主机法给从机的,第n+1个包(数据包)是由从机发送给主机的。这个传送方向和第n+2个包的传送方向都是由标记包中的标识域取值决定的,其规律可参考USB协议。

如果传输事务的数据包是由从机发送给主机,则该传输事务属于输入类型,称为输入传输事务,反之则称为输出传输事务,可见,表3例子是一个输入传输事务,对于一个输入传输事务,单片机通过设置 SL811HS内部特殊寄存器就可以决定其取值的包域主要有:标记包中的标识域、地址域或端点域,数据包中的标识域。在输入传输事务中,虽然数据包并不是主机发送的,但之所以仍需要单片机设置与数据包标识域相关的寄存器,是因为主机在该传输事务中将只认可标识域符合所设置值的数据包。其余部分,如标记包中的其他域及握手包的内容则都是SL811HS根据情况自动产生的。

主机接口芯片SL811HS完成一次输入传输事务后,如果传输成功,单片机就可以从SL811HS的数据缓冲寄存器读到从机发送过来的数据,此处,数据缓冲区的首地址是由单片机预先通过设置控制寄存器指定的。

对于输出传输事务,单片机同样需要设置相关的寄存器以确定标记包的标识域、地址域、端点域和数据包的标识域,以及存放发送数据的缓冲区首地址,并且,这个缓冲区中的数据也是由单片机写入的。

具体的,单片机控制USB主机接口芯片进行一次传输事务所需要知执行的操作步骤如下:

首先,如果是输出传输事务,则需要把将在数据包中发送给从机的数据存放到SL811HS的数据缓冲区中。

其次,做好相关的传输准备工作,即设置接口芯片中的4个特殊寄存器,这4个寄存器的名称及其在传输事务中的作用如表4的前4项所列。

第三、启动传输事务:把寄存器EP0Control[00H]或EP1Control[08H]的第0位(即传输事务启动位)置为逻辑"1",即可启动传输事务。但在此之前必须他这个寄存器中其他位设置好(或与启动位同时设置),与这个寄存器相关的包域如表4中最后一项所列。

第四,单片机读取寄存器EP0Status(03H]或EP1Status[0BH]的值,以获知此次事务传输的完成情况。

最后,如果传输成功,而且该传输事务是输入性质,则单片机可读取数据缓冲区,获得从机发送过来的数据。

结语

在51单片机控制USB接口芯片SL811HS的底层驱动中,读写SL811HS内部寄存器的子程序是最底层的,各种USB传输的较低层操作,如总线复位、插拔检测、速度检测以及传输事务等,都主要是通过读写SL811HS内部特殊寄存器实现的,其中,传输事务的实现直接涉及了5个特殊寄存器的读写。
在本文所述的底层驱动基础上,添加相关的高层程序,使该51单片机系统实现了对各种USB从机设备的枚举控制和对U盘的数据交换,为51单片机系统的开发提供了广阔的应用前景,同时也对其他平台的USB主机设计有一定的参考价值。

关键字:寄存器  单片机  复位

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/mcu/200607/5027.html
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