USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫(xiě)，而其中文簡(jiǎn)稱為“通串線，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。

　　隨著計(jì)算機(jī)硬件飛速發(fā)展，外圍設(shè)備日益增多，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、掃描儀早已為人所共知，數(shù)碼相機(jī)、MP3隨身聽(tīng)接踵而至，這么多的設(shè)備，如何接入個(gè)人計(jì)算機(jī)？USB就是基于這個(gè)目的產(chǎn)生的。USB是一個(gè)使計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備連接標(biāo)準(zhǔn)化、單一化的接口，其規(guī)格是由Intel（英特爾）、NEC、Compaq、DEC、IBM（商業(yè)機(jī)器公司）、Microsoft（微軟）、Northern Telecom聯(lián)系制定的。 目前USB設(shè)備雖已被廣泛應(yīng)用，比較普遍的是USB2.0接口，它的傳輸速度為480Mbps每秒。用戶的需求，是促進(jìn)科技發(fā)展的動(dòng)力，廠商也同樣認(rèn)識(shí)到了這個(gè)瓶頸。這時(shí)， COMPAQ、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS這7家廠商聯(lián)合制定了USB 2.0接口標(biāo)準(zhǔn)。USB 2.0將設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到了480Mbps，比USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)快40倍左右，速度的提高對(duì)于用戶的好處就是意味著用戶可以使用到更高效的外部設(shè)備，而且具有多種速度的周邊設(shè)備都可以被連接到USB 2.0的線路上，而且無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生瓶頸效應(yīng)。

　　1 USB接口電路的硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 Blackfin532DSP處理器簡(jiǎn)介

　　文中DSP處理器選用Blaclkfin532，它是ADI（Analog Device Instruments）公司推出的一款高性能、低功耗定點(diǎn)處理器，內(nèi)核時(shí)鐘頻率可達(dá)400 MHz，具有兩個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元（ALU），及4個(gè)8位視頻ALU，兩個(gè)16位硬件乘法器，兩個(gè)40位累加器，是具有較高性價(jià)比的DSP處理器。Blackfin532片上集成了84 kB的RAM，可尋址空間為4 GB，可與多種存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。此外，片上集成了多個(gè)外設(shè)接口，具體包括1個(gè)UART口，1個(gè)SPI口，2個(gè)串行口（Sports），4個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，1個(gè)并行外設(shè)接口等。

　　1.2 Netchip2272簡(jiǎn)介

　　文中USB接口芯片選用了Netchip2272。它在片上集成了USB收發(fā)模塊，串行接口引擎（SIE），USB協(xié)議控制器，端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，本地總線接口模塊等。Netchip2272具有如下特點(diǎn)

　?。?）支持全速／高速數(shù)據(jù)傳輸模式。

　?。?）具有3個(gè)可配置的物理端點(diǎn)，及30個(gè)邏輯端點(diǎn)。

　?。?）片上集成了3 kB的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，支持雙緩沖模式。

　?。?）可方便地與通用微處理器進(jìn)行連接。

　　點(diǎn)擊看原圖

　　在Blackfin533的EZ-KIT開(kāi)發(fā)板中也采用了Blackfin533和Netchip2272實(shí)現(xiàn)USB接口電路，但EZ-KIT開(kāi)發(fā)板中使用了設(shè)備管理器等，使得程序變得較大，在Blackfin533和Netchip2272之外，需要大約8 MB的存儲(chǔ)空間來(lái)存放部分程序和支持程序運(yùn)行時(shí)對(duì)存儲(chǔ)空間的要求，這就需要在外部添加一塊SDRAM。同時(shí)，在EZ-KIT開(kāi)發(fā)板的例程中只提供了USB接口電路的基于設(shè)備管理器的頂層源代碼，對(duì)于Blackfin533如何控制Netehip2272實(shí)現(xiàn)設(shè)備的枚舉和數(shù)據(jù)傳輸則沒(méi)有提供底層的源代碼，這些都使得開(kāi)發(fā)板中提供的USB接口電路方案，在實(shí)際應(yīng)用中不方便。

　　1.3 USB接口電路的原理

　　USB接口電路的硬件連接原理圖如圖2所示，其中D0～D15是Blackfin532和Netchip2272的數(shù)據(jù)線，A1～A5是地址線，PF10和PF11是Black-tln532的PF（Programmable Flags）口的第10、ll管腳，分別用作Netehip2272的中斷輸入管腳和復(fù)位控制管腳，ASMl是Blacktin532的異步存儲(chǔ)塊1的片選信號(hào)用作Netehip2272的片選信號(hào)，IOW，IOR是Blackfin532的寫(xiě)、讀選通輸出信號(hào)用作Netchip2272的寫(xiě)選通和讀選通信號(hào)。IRQ全稱為Interrupt Request，即是“中斷請(qǐng)求”的意思（以下使用IRQ稱呼）。IRQ的作用就是在我們所用的電腦中，執(zhí)行硬件中斷請(qǐng)求的動(dòng)作，用來(lái)停止其相關(guān)硬件的工作狀態(tài)，比如我們?cè)诖蛴∫环輬D片，在打印結(jié)束時(shí)就需要由系統(tǒng)對(duì)打印機(jī)提出相應(yīng)的中斷請(qǐng)求，來(lái)以此結(jié)束這個(gè)打印的操作。在每臺(tái)電腦的系統(tǒng)中，是由一個(gè)中斷控制器8259或是8259A的芯片（現(xiàn)在此芯片大都集成到其它的芯片內(nèi)）來(lái)控制系統(tǒng)中每個(gè)硬件的中斷控制。目前共有16組IRQ，去掉其中用來(lái)作橋接的一組IRQ，實(shí)際上只有15組IRQ可供硬件調(diào)用。

　　Blackfin532和Netchip2272的數(shù)據(jù)交換采用中斷驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)2272發(fā)生了特定的某些事件如收到主機(jī)發(fā)送的Setup包，收到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包等，需要Blackfin 532對(duì)事件進(jìn)行處理時(shí)，2272在其IRQ管腳產(chǎn)生1個(gè)低電平，與它相連接的PF10管腳在檢測(cè)到此低電平之后。在DSP內(nèi)部產(chǎn)生中斷，DSP在中斷處理函數(shù)內(nèi)部讀取2272相關(guān)寄存器的值，并根據(jù)這些寄存器的值對(duì)發(fā)生的事件作出相應(yīng)的處理。

　　2 USB接口電路的軟件設(shè)計(jì)

　　接口電路的軟件設(shè)計(jì)包括固件程序和PC端的驅(qū)動(dòng)程序。固件程序的設(shè)計(jì)需要對(duì)硬件電路和USB的通信協(xié)議比較熟悉，因而開(kāi)發(fā)起來(lái)難度比較大，這里對(duì)固件程序的開(kāi)發(fā)作以介紹。

　　2.1 固件程序

　　設(shè)備的固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備端CPU中的程序，它主要用來(lái)完成對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包的類型，內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別和分析，并在分析的基礎(chǔ)上對(duì)主機(jī)的請(qǐng)求做出相應(yīng)的處理，完成設(shè)備的枚舉，讀取主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。固件程序的流程圖如圖3所示。

　　固件程序主要包括初始化和中斷服務(wù)程序兩部分；

　　2.1.1 初始化

　　初始化程序用以對(duì)Blackfin532和Netchip2272進(jìn)行初始化設(shè)置。

　　（1）對(duì)Blaekfin532進(jìn)行軟復(fù)位，對(duì)PLL（Phase Locked Loop），EBIU（External Bus InteRFace Unit），PF口進(jìn)行設(shè)置，以及使能PF10引起的中斷。

　?。?）對(duì)Netchip2272進(jìn)行軟復(fù)位，對(duì)本地總線控制寄存器（LOCCTL，LOCCTL1），USB控制寄存器（USB_CTL0，USBCTL1），端點(diǎn)0的寄存器進(jìn)行設(shè)置，在中斷使能寄存器（IRQENDO，IRQENBl）中使能相應(yīng)的中斷。

　　2.1.2 中斷服務(wù)程序

　　中斷服務(wù)程序主要是用來(lái)處理主機(jī)的Setup標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，將主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)讀到Blacldin532中和將Blackfin532中的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

　　主機(jī)要和USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換首先要正確的識(shí)別USB設(shè)備，這需要經(jīng)過(guò)一個(gè)枚舉過(guò)程，這個(gè)過(guò)程主要通過(guò)主機(jī)向設(shè)備發(fā)送Setup請(qǐng)求，設(shè)備對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)來(lái)完成。

　?。?）USB設(shè)備加電，連接到主機(jī)的—個(gè)集線器端口。

　　（2）主機(jī)檢測(cè)到新設(shè)備連接后，總線復(fù)位。

　?。?）主機(jī)使用默認(rèn)地址（地址O）讀取設(shè)備描述符。

　?。?）主機(jī)給設(shè)備分配一個(gè)地址，在以后的通信里設(shè)備就只對(duì)這個(gè)地址的信息作出應(yīng)答。

　　（5）主機(jī)從新的地址獲取設(shè)備描述符。

　　（6）主機(jī)讀取配置描述符。

　　（7）主機(jī)讀取配置描述符集合，主機(jī)除了讀取配置描述符之外，還要讀取接口描述符及端點(diǎn)描述符。

　?。?）主機(jī)設(shè)置設(shè)備的配置。

　　在中斷服務(wù)程序中首先判斷是何種類型的中斷，如果是Setup請(qǐng)求中斷，則調(diào)用函數(shù)setup_handler（）進(jìn)行處理，函數(shù)的參數(shù)為設(shè)備接收到的Setup數(shù)據(jù)包的第3～第8 bit（Setup～Setup）。在setup_handler（）函數(shù)中根據(jù)Setup數(shù)據(jù)包的內(nèi)容跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的分支，對(duì)Setup請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。捕獲的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖4所示。

　　Bushound5.0只捕獲到了設(shè)備枚舉過(guò)程中主機(jī)發(fā)出獲取配置描述符請(qǐng)求及之后的數(shù)據(jù)，圖中的數(shù)據(jù)是主機(jī)發(fā)出獲取配置描述符請(qǐng)求到主機(jī)發(fā)出設(shè)置配置請(qǐng)求之間的數(shù)據(jù)。

　　USB設(shè)備和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)Netchip2272接收到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包之后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給Blackfin532，Blackfin532在中斷服務(wù)程序中查詢相應(yīng)的寄存器得知接收到數(shù)據(jù)包之后，直接將接收到的數(shù)據(jù)包讀到Blackfin532中。USB設(shè)備需要向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放到輸入端點(diǎn)的Buffer中，當(dāng)主機(jī)向相應(yīng)的輸入端點(diǎn)發(fā)送In Token時(shí)，Buffe中的數(shù)據(jù)包就返回給了主機(jī)，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功后Netehip2272會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給Blackfin532，在中斷處理函數(shù)中將全局變量Tx_data_flag的相應(yīng)位置1，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功。

　　2.2 驅(qū)動(dòng)程序

　　驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)是復(fù)雜的，選用Jungo的WindowsDriver，在Windows Driver檢測(cè)到枚舉成功的設(shè)備之后，輸入設(shè)備的廠商ID（VID）和產(chǎn)品ID（PID），即可生成一個(gè)inf文件，將設(shè)備的PID和VID與設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序綁定在一起，當(dāng)設(shè)備通過(guò)設(shè)備描述符將VID，PID傳送給主機(jī)之后，主機(jī)就可以據(jù)此找到設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序了。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　設(shè)備枚舉成功之后，利用BusView觀察到的設(shè)備的配置情況如圖5所示。

　　USB設(shè)備一共有6個(gè)端點(diǎn)，這里僅列出其中兩個(gè)端點(diǎn)的描述符，其他的和這兩個(gè)類似。BusView顯示的設(shè)備配置情況和固件程序中對(duì)設(shè)備的配置情況完全一致，這表明設(shè)備的枚舉過(guò)程是正確的。

　　通過(guò)使USB設(shè)備循環(huán)的向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)USB輸入到主機(jī)方向的數(shù)據(jù)傳輸，利用Bushound5.0捕獲的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖6所示。圖中的數(shù)據(jù)顯示USB設(shè)備循環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)是00 01 02 03 04 05 06 07 08 09，在Windows Driver中對(duì)相應(yīng)的管道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，收到的數(shù)據(jù)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示數(shù)據(jù)傳輸完全正確。對(duì)于主機(jī)輸出到USB設(shè)備方向的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行了檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)傳輸也完全正確。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　基于Blackfin532和Netchip2272的USB接口電路具有數(shù)據(jù)傳輸快速、可靠、接口電路簡(jiǎn)單、固件程序的可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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