遵循USB協(xié)議的主/從機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

0 引言

隨著PDA、移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品的普及，用于這些設(shè)備與電腦、或設(shè)備與設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。以往以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，非常不利于USB,總線在嵌入式行業(yè)的應(yīng)用，也不適用于野外作業(yè)，而OTG技術(shù)的推出則可實(shí)現(xiàn)在沒有PC的情況下，設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，它拓展了USB技術(shù)的應(yīng)用范圍。本文采用的設(shè)計(jì)方案是基于Philips公司的ISP1362 OTG控制芯片，參照最新的USB OTG技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)了一種遵循USB協(xié)議的主/從機(jī)系統(tǒng)。

1 ISP1362芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Philips公司的ISP1362是一款符合USB 2.0總線協(xié)議的接口芯片，內(nèi)部有3個(gè)USB控制器一主機(jī)控制器、設(shè)備控制器和OTG控制器。其中，主機(jī)控制器具備高度優(yōu)化的USB主機(jī)功能;設(shè)備控制器則具有多達(dá)14個(gè)可編程端點(diǎn)，又可以被配置成雙緩沖端點(diǎn)進(jìn)一步提高吞吐量：而OTG控制器主要提供包括監(jiān)控和轉(zhuǎn)換功能在內(nèi)的所有OTG控制。ISP1362內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示。

2 USB OTG主/從機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

USB OTG主/從機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大模塊。其中硬件電路主要是USB接口電路板的設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì)包括設(shè)備初始化、系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)等，下面分別介紹系統(tǒng)軟、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

USB OTG主/從機(jī)設(shè)計(jì)的硬件電路如圖2所示，圖中ATmega 32的PD口和IPA口用于控制ISP1362的時(shí)序，PB口和PC口則用于與ISP1362的D[0..15]進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ISP1362芯片有Port1和IPort2兩個(gè)USB接口。Port1是個(gè)綜合接口，可以配置成downstream、upstream或者是OTG;Port2是作為固定的downstream，主要接一般的USB設(shè)備。當(dāng)ISP1362做主機(jī)時(shí)，主機(jī)內(nèi)部的寄存器通過檢測(cè)其相應(yīng)狀態(tài)寄存器的值就可以判斷是Port1還是Port2接了設(shè)備，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理。

ISP1362的Port1口主/從機(jī)功能通過ID、OTGMODE兩引腳電平的高低組合來確定。當(dāng)OTGMODE引腳接低，無論ID電平如何，則芯片的Port1口只能OTG用;如果OTGMODE接高，ID接低，芯片的Port1口作主機(jī)使用;OTGMODE接高，ID也接高時(shí)，則芯片的Port1口作外設(shè)使用。在電路中通過15kΩ的上拉電阻和下拉電阻實(shí)現(xiàn)ID、OTGMODE兩引腳電平的高低變化。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)軟件和硬件的集合體，功能的實(shí)現(xiàn)不依賴于任何操作系統(tǒng)，而是通過中斷來調(diào)度各個(gè)任務(wù)，使之滿足USB通信的要求，因此系統(tǒng)是按照協(xié)議規(guī)范和特定的時(shí)序運(yùn)行的。

本系統(tǒng)是ISP1362工作于主/從機(jī)模式下的應(yīng)用，按系統(tǒng)硬件電路配置完成接口芯片，然后對(duì)其編程，就可以進(jìn)行USB數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)工作流程如下：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，構(gòu)建PTD傳輸描述符，接著總線枚舉過程，給外設(shè)分配地址，獲取外設(shè)的基本信息，并判斷外設(shè)為主機(jī)設(shè)備或是從機(jī)設(shè)備，之后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的主/從機(jī)驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳送和接收，根據(jù)總線的活動(dòng)情況判斷是否掛起。系統(tǒng)流程圖如圖3所示：

實(shí)現(xiàn)ISP1362芯片的軟件編程控制，就是對(duì)該芯片的CS、RD、WR、A0、A1引腳的控制。本文中CS代表片選，低電平有效;RD代表讀信號(hào)，低電平有效;WR代表寫信號(hào)，低電平有效;A0引腳電平的高低不同，分別表示傳輸?shù)男盘?hào)代表的是命令信號(hào)還是數(shù)據(jù)信號(hào);A1引腳電平的高低不同，分別表示控制的是外設(shè)還是主機(jī)。通過上述幾個(gè)引腳信號(hào)的組合，可以實(shí)現(xiàn)讀寫控制ISP1362的不同功能。除此之外，以下的幾個(gè)引腳對(duì)于控制ISP1362也有重大意義：DREQ1引腳代表DMA請(qǐng)求輸出，當(dāng)它高電平有效時(shí)，通知IDMA控制器主機(jī)正在請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送;DREQ2引腳高電平有效時(shí)，通知DMA控制器外設(shè)正在請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送;DACK1引腳代表DMA確認(rèn)輸入，低電平有效時(shí)表明來自主機(jī)的DMA傳輸請(qǐng)求已經(jīng)被DMA控制器確認(rèn);DACK2引腳低電平有效時(shí)表明來自外設(shè)的DMA傳輸請(qǐng)求已經(jīng)被DMA控制器確認(rèn);INT1和INT2引腳連接到外部微處理器的IRQ引腳，使得ISP1362可以根據(jù)請(qǐng)求執(zhí)行中斷服務(wù)程序。軟件設(shè)計(jì)具體工作流程如下：

(1)系統(tǒng)硬件初始化，包括ATmega32和ISP1362的初始化。AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器，它具有功耗低、速度快、輸出高、開發(fā)工具開放、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，它的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是可以獨(dú)立訪問的哈佛結(jié)構(gòu)，因此代碼執(zhí)行效率非常高。ATmega系列單片機(jī)的內(nèi)部模塊還很豐富，可用的資源也很多，本文對(duì)ATmega32的初始化，就是要對(duì)它的I/O口、定時(shí)器、時(shí)鐘、看門狗等進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，使之開始工作。而ISP1362的初始化，就是當(dāng)ISP1362上電后，主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)必須通過一系列的硬件初始化步驟來配置主機(jī)控制器，從而進(jìn)入可操作狀態(tài)。首先檢測(cè)主機(jī)控制器是否存在，此步由MCU(單片機(jī))實(shí)現(xiàn)，本文通過MCL響HcScratch寄存器內(nèi)寫入某個(gè)值，再從該寄存器中讀取，將讀出值與寫入數(shù)值進(jìn)行比較，若相等，則可說明主機(jī)控制器存在;反之則出錯(cuò)，無主機(jī)控制器存在。

(2)構(gòu)建PTD描述符。PTD(Phi l ips Transfer Descriptor)為ISP1362主機(jī)控制器與外圍設(shè)備的通信提供了一個(gè)傳輸渠道，要在主機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行通訊，首先需要構(gòu)建一個(gè)PTD。PTD具有3種傳輸類型：控制和批量傳輸(非周期傳輸)PTD、中斷傳輸PTD和同步傳輸PTD。

(3)主機(jī)分配地址給設(shè)備，獲取設(shè)備描述符和設(shè)備的功能信息。主機(jī)通過不斷地向外設(shè)發(fā)送設(shè)備請(qǐng)求來獲取設(shè)備、端點(diǎn)的功能信息。獲取USB設(shè)備描述符的過程分為三個(gè)步驟：a.主機(jī)通過設(shè)備的默認(rèn)端點(diǎn)獲取設(shè)備描述符，為設(shè)備分配一個(gè)惟一的地址;b.主機(jī)讀取配置描述符信息、接口描述符信息和端點(diǎn)描述符信息;c.根據(jù)設(shè)備的相關(guān)信息調(diào)用相應(yīng)的事務(wù)處理程序。

(4)設(shè)備枚舉成功之后，主機(jī)就可以根據(jù)已編寫的進(jìn)程與外設(shè)進(jìn)行USB通信，等待、查詢數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

(5)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完畢之后，根據(jù)QueryBus函數(shù)查詢總線的活動(dòng)情況，判斷設(shè)備是否需要掛起。

2.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

要實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)從機(jī)的讀寫，USB主機(jī)必須具有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，對(duì)各種讀寫指令進(jìn)行封裝、解釋和執(zhí)行。開發(fā)驅(qū)動(dòng)有很多種方法，本文采用直接在USB主機(jī)接口驅(qū)動(dòng)上層封裝一個(gè)USB傳輸API 函數(shù)-USBXfer，應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種USB傳輸。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的USB 0TG主從機(jī)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸效率高。測(cè)試表明，此設(shè)計(jì)能夠正確地實(shí)現(xiàn)USB 0TG主從機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，性能可以滿足設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸要求，同時(shí)又能很好地控制成本，具有一定的實(shí)用價(jià)值。