51單片機(jī)控制SL811HS的USB主機(jī)底層驅(qū)動(dòng)

引言

基于usb接口的設(shè)備使用方便，性價(jià)比高，因此在人們的工作和生活中得到了廣泛的應(yīng)用，如u盤，移動(dòng)硬盤，光驅(qū)，usb攝像頭，usb鼠標(biāo)鍵盤等，同時(shí)，51系列單片機(jī)以其成熟的技術(shù)和高性價(jià)比吸引了大量國內(nèi)用戶，被廣泛應(yīng)用于測控和自動(dòng)化領(lǐng)域，因此，如果在51單片機(jī)系統(tǒng)中增加usb主機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)對usb從機(jī)設(shè)備的控制，則該單片機(jī)系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有的各種usb從機(jī)設(shè)備，大大擴(kuò)展單片機(jī)系統(tǒng)功能。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在51單片機(jī)系統(tǒng)中增加usb主機(jī)功能，采用普通51單片機(jī)外接專用usb接口芯片的方案，這種方案雖然會使系統(tǒng)傳輸速度受到限制，而且在穩(wěn)定性有所欠缺，但此方案設(shè)計(jì)靈活性高，且易于移植，為低成本產(chǎn)品的開發(fā)提供了廣闊前景，設(shè)計(jì)中采用51單片機(jī)是atmel公司的at89s52芯片，usb主機(jī)功能的擴(kuò)展通過外接專用usb接口芯片sl811hs實(shí)現(xiàn)，cypress公司的usb接口芯片sl811hs可以工作在主機(jī)或從機(jī)模式，支持usb1.1的全速和低速數(shù)據(jù)傳輸，工作在主機(jī)模式時(shí)，sl811hs可以自動(dòng)檢測外設(shè)的插拔動(dòng)作，可以按照外處理器（如單片機(jī)）的要求自動(dòng)把數(shù)據(jù)整合為usb協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本文將介紹單片機(jī)at89s52控制sl811hs的硬件設(shè)備和底層驅(qū)動(dòng)的編寫，其中重點(diǎn)講述底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。

硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示，at89s52的供電電壓為5v，sl811hs的為3.3v，盡管供電電壓不同，但根據(jù)芯片引腳的信號噪聲容限參數(shù)分析可知，at89s52與sl811hs之間的引腳可以直接相連，不需要電平轉(zhuǎn)換或緩沖。

軟件設(shè)計(jì)

usb主機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)高低層子程序的組合，實(shí)現(xiàn)usb傳輸和控制的過程是較高層子程序調(diào)用較低層子程序的過程，編寫usb主機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可按從低層往高層的順序逐層進(jìn)行。

以usb主機(jī)枚舉從機(jī)設(shè)備的操作為例，實(shí)現(xiàn)該功能所需要的各層子程序?qū)哟侮P(guān)系如表1所示，本文將介紹較低層的幾個(gè)子程序的實(shí)現(xiàn)，包括讀寫sl811hs內(nèi)部寄存器，傳輸事務(wù)的實(shí)現(xiàn)，設(shè)備插拔檢測、復(fù)位等，其中，傳輸事務(wù)的實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵和難點(diǎn)，同時(shí)也是本文的重點(diǎn)。

單片機(jī)讀寫sl811hs
內(nèi)部寄存器
讀寫sl811hs內(nèi)部寄存器子程序是最低層的子程序，系統(tǒng)所進(jìn)行的各種操作主要都是通過調(diào)用這些子程序讀寫sl811hs內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)的，例如，通過讀取sl811hs的狀態(tài)寄存器獲取sl811hs的狀態(tài)信息可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備插拔檢測、設(shè)備速度檢測等，通過向sl811hs的相關(guān)控制寄存器寫入控制字節(jié)可以實(shí)現(xiàn)usb總線復(fù)位以及usb數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?
sl811hs內(nèi)部寄存器
從編程結(jié)構(gòu)的角度來看，sl811hs內(nèi)部寄存器一共有256個(gè)單元，每個(gè)單元是一個(gè)字節(jié)，其中地址為[00h]－[0fh]的前16個(gè)單元是sl811hs的狀態(tài)寄存器或控制寄存器（統(tǒng)稱為特殊寄存器），其余的是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，表2列出了16個(gè)特殊寄存器的名稱和主要功能含義。
單片機(jī)讀寫sl811hs
內(nèi)部寄存器的實(shí)現(xiàn)
按照sl811hs的讀寫控制信號時(shí)序圖編寫單片機(jī)讀寫sl811hs內(nèi)部寄存器的子程序，使各控制引腳上按照規(guī)定的時(shí)序給出符合要求的信號脈沖。在這個(gè)程序中，單片機(jī)指令周期的大小將直接影響輸出信號的保持時(shí)長和時(shí)序關(guān)系。
初始化
初始化操作主要包括sl811hs芯片復(fù)位、usb總線復(fù)位、設(shè)備插拔檢測和設(shè)備usb數(shù)據(jù)傳輸速度檢測等，通過這些初始化操作，sl811hs將作為usb主機(jī)與從機(jī)之間建立一個(gè)底層協(xié)議連接關(guān)系，為后續(xù)的數(shù)據(jù)通信做好準(zhǔn)備。
sl811hs芯片復(fù)位
usb接口芯片sl811hs的復(fù)位是對芯片的狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位，包括了對芯片內(nèi)部寄存器值的復(fù)位，實(shí)現(xiàn)該操作不需要讀寫接口芯片內(nèi)部寄存器，只需向接口芯片的復(fù)位引腳輸入一個(gè)有效的復(fù)位脈沖即可。
usb總線復(fù)位。
按照usb協(xié)議，usb總線復(fù)位是指在usb數(shù)據(jù)線上輸出se0態(tài)，并保持10ms以上，接在usb總線上的從機(jī)設(shè)備受到這個(gè)復(fù)位信號后就會進(jìn)行自身的復(fù)位操作，為接下來的usb數(shù)據(jù)傳輸作好準(zhǔn)備，通過設(shè)置接口芯片的ctrlreg[05h]寄存器的第4、3位為邏輯"01"，并保持10ms，然后再把它們恢復(fù)為邏輯"00"，就可以讓接口芯片產(chǎn)生usb總線復(fù)位信號。
設(shè)備插拔檢測和設(shè)備速度檢測
在usb協(xié)議的物理層上，usb從機(jī)設(shè)備是否接在usb總線上是通過檢測總線的電壓得知的，根據(jù)該電壓的高低，還可獲得usb總線上的設(shè)備所支持的速度（例如，在usb1.1協(xié)議中，分有低速和全速）。usb主機(jī)接口芯片sl811hs把這個(gè)物理層的電壓檢測結(jié)果反應(yīng)到狀態(tài)寄存器的取值上，通過讀取這些狀態(tài)寄存器的值，可以獲知當(dāng)前的設(shè)備插拔狀態(tài)的設(shè)備速度。
usb主機(jī)所進(jìn)行的初始化操作除了上述3項(xiàng)外，還包括幀起始包啟動(dòng)/禁止的設(shè)置、幀同步設(shè)置、幀定時(shí)初值的設(shè)置等，它們都是通過對接口芯片特殊寄存器進(jìn)行讀寫而實(shí)現(xiàn)的。
傳輸事務(wù)的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)usb1.1協(xié)議，一個(gè)傳輸事務(wù)一般包含3個(gè)包（packet）的傳輸，分別是標(biāo)記包（token packet）的傳輸，分別是標(biāo)記包（token packet），數(shù)據(jù)包（data packet）和握手包（handshake packet）。usb數(shù)據(jù)傳輸方式一共有四種，分別是控制傳輸（control transfer）、同步傳輸（isochronous transfer）、中斷傳輸（interrupt transfer）和批傳輸（bulk transfer）。其中，控制傳輸方式至少由2個(gè)傳輸事務(wù)構(gòu)成，其他三種傳輸方式則都各由1個(gè)傳輸事務(wù)構(gòu)成，可見，傳輸事務(wù)在usb傳輸中至關(guān)重要。
一個(gè)典型的傳輸事務(wù)含有3個(gè)包的傳送，這連續(xù)的3個(gè)包數(shù)據(jù)流如表3所示。

使用sl811hs設(shè)計(jì)usb主機(jī)系統(tǒng)時(shí)，用戶只需要讓單片機(jī)設(shè)置sl11hs內(nèi)部幾個(gè)相關(guān)的特殊寄存器，然后把傳輸事務(wù)啟動(dòng)位使能（置為邏輯"1"），就可以讓接口芯片自動(dòng)完成這3個(gè)包的發(fā)送與接收，在表3所示的例子中，第n個(gè)包（標(biāo)記包）和第n＋2個(gè)包（握手包）都是由主機(jī)法給從機(jī)的，第n＋1個(gè)包（數(shù)據(jù)包）是由從機(jī)發(fā)送給主機(jī)的。這個(gè)傳送方向和第n＋2個(gè)包的傳送方向都是由標(biāo)記包中的標(biāo)識域取值決定的，其規(guī)律可參考usb協(xié)議。

如果傳輸事務(wù)的數(shù)據(jù)包是由從機(jī)發(fā)送給主機(jī)，則該傳輸事務(wù)屬于輸入類型，稱為輸入傳輸事務(wù)，反之則稱為輸出傳輸事務(wù)，可見，表3例子是一個(gè)輸入傳輸事務(wù)，對于一個(gè)輸入傳輸事務(wù)，單片機(jī)通過設(shè)置 sl811hs內(nèi)部特殊寄存器就可以決定其取值的包域主要有：標(biāo)記包中的標(biāo)識域、地址域或端點(diǎn)域，數(shù)據(jù)包中的標(biāo)識域。在輸入傳輸事務(wù)中，雖然數(shù)據(jù)包并不是主機(jī)發(fā)送的，但之所以仍需要單片機(jī)設(shè)置與數(shù)據(jù)包標(biāo)識域相關(guān)的寄存器，是因?yàn)橹鳈C(jī)在該傳輸事務(wù)中將只認(rèn)可標(biāo)識域符合所設(shè)置值的數(shù)據(jù)包。其余部分，如標(biāo)記包中的其他域及握手包的內(nèi)容則都是sl811hs根據(jù)情況自動(dòng)產(chǎn)生的。

主機(jī)接口芯片sl811hs完成一次輸入傳輸事務(wù)后，如果傳輸成功，單片機(jī)就可以從sl811hs的數(shù)據(jù)緩沖寄存器讀到從機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，此處，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的首地址是由單片機(jī)預(yù)先通過設(shè)置控制寄存器指定的。

對于輸出傳輸事務(wù)，單片機(jī)同樣需要設(shè)置相關(guān)的寄存器以確定標(biāo)記包的標(biāo)識域、地址域、端點(diǎn)域和數(shù)據(jù)包的標(biāo)識域，以及存放發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址，并且，這個(gè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)也是由單片機(jī)寫入的。

具體的，單片機(jī)控制usb主機(jī)接口芯片進(jìn)行一次傳輸事務(wù)所需要知執(zhí)行的操作步驟如下：

首先，如果是輸出傳輸事務(wù)，則需要把將在數(shù)據(jù)包中發(fā)送給從機(jī)的數(shù)據(jù)存放到sl811hs的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

其次，做好相關(guān)的傳輸準(zhǔn)備工作，即設(shè)置接口芯片中的4個(gè)特殊寄存器，這4個(gè)寄存器的名稱及其在傳輸事務(wù)中的作用如表4的前4項(xiàng)所列。

第三、啟動(dòng)傳輸事務(wù)：把寄存器ep0control[00h]或ep1control[08h]的第0位（即傳輸事務(wù)啟動(dòng)位）置為邏輯"1"，即可啟動(dòng)傳輸事務(wù)。但在此之前必須他這個(gè)寄存器中其他位設(shè)置好（或與啟動(dòng)位同時(shí)設(shè)置），與這個(gè)寄存器相關(guān)的包域如表4中最后一項(xiàng)所列。