專用USB通信控制芯片USBN9604的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)USB接口的軟硬件設(shè)計(jì)

1、引言

USB通用串行總線是近年興起的一種通信方式。USB協(xié)議1．1版規(guī)定了低速（1．5Mb／s）和全速（12Mb／s）兩種速率，目前大部分USB器件支持該協(xié)議。2000年USB2．0白皮書出臺(tái)后，其速度最高可達(dá)480Mb／s。該總線是由Compaq、Intel、Microsoft、NEC四公司共同提出，并得到了眾多廠商的支持。USB接口具有安裝方便、高速、靈活、低成本、易擴(kuò)展，支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。

2 、USBN9604

USBN9604是NatiONalSemiconductor公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款較新型的專用USB通信控制芯片，是US-BN9602的改進(jìn)產(chǎn)品，同時(shí)在時(shí)鐘產(chǎn)生電路的復(fù)位機(jī)制上又較USBN9603有所改進(jìn)。USBN9604支持全速傳輸，可滿足USBl．0和1．1協(xié)議。它具有8位并行接口，可支持DMA、MICROWIRE／PLUS。圖1是US-BN9604的結(jié)構(gòu)框圖。其主要特點(diǎn)如下：

工作頻率為48MHz，但外部只需接24MHz晶振，因?yàn)樾酒瑑?nèi)部有倍頻電路，因而可得到48MHz時(shí)鐘。

可由編程時(shí)鐘發(fā)生器編程產(chǎn)生不同的頻率時(shí)鐘，以作為外部器件（如CPU）的時(shí)鐘信號(hào)。

帶有串行引擎接口（SⅢ），可實(shí)現(xiàn)USB物理層和信號(hào)層協(xié)議的轉(zhuǎn)換，主要有CRC校驗(yàn)／產(chǎn)生、PID校驗(yàn)／產(chǎn)生、位填充／解除填充、地址識(shí)別、握手評(píng)估／產(chǎn)生、并串轉(zhuǎn)換等。

帶有7個(gè)端點(diǎn)的USB功能控制器，每個(gè)端點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)FIFO。其中端點(diǎn)0是雙向控制端點(diǎn)（FIFO 8字節(jié)深），另有3個(gè)發(fā)送端點(diǎn)：EPl（16）、EP3（16）和EP5（64）以及3個(gè)接收端點(diǎn)EP2（16）、EP4（16）和EP6（64）。

USBN9604內(nèi)部有64個(gè)映射到內(nèi)存的寄存器，主要有主控制寄存器（MCNTRL）、時(shí)鐘配置寄存器（CCONF）、主事件寄存器（MAEV）、轉(zhuǎn)換事件寄存器ALteV）、接收發(fā)送事件寄存器（RXEV、TXEV）以及各端點(diǎn)的控制寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)及狀態(tài)寄存器等。固件的大部分功能就是完成對此寄存器組的讀寫，實(shí)現(xiàn)對接口的配置、接口狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)在外設(shè)和計(jì)算機(jī)之間的傳輸?shù)取?/p>

3、 USB接口的硬件實(shí)現(xiàn)

51單片機(jī)與USBN9604的并行連接有兩種方式，即非復(fù)用方式和復(fù)用方式。它們可通過設(shè)置引腳MODE0、MODEl來選擇。在非復(fù)用方式時(shí)，可用控制引腳CS、RD、WR、地址引腳A0和雙向數(shù)據(jù)線D［7：0］實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的地址讀寫。而在復(fù)用方式時(shí)，則使用控制引腳CS、RD、WR、地址鎖存信號(hào)ALE和雙向數(shù)據(jù)線D［7：01實(shí)現(xiàn)其地址讀寫。本設(shè)計(jì)采用復(fù)用方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖2所示是89C51單片機(jī)和USBN9604的接口電路，該電路由一片89C51單片機(jī)、USBN9604、時(shí)鐘振蕩電路以及相應(yīng)的外圍電路組成。其中USBN9604通過外部中斷INT0與89C51單片機(jī)進(jìn)行通信。

4 、USB接口的軟件實(shí)現(xiàn)

設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心，可采用C語言設(shè)計(jì)。其主要功能是控制USBN9604接受并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請求（如各種標(biāo)準(zhǔn)請求）、接收／_k傳數(shù)據(jù)。當(dāng)主程序完成CPU和USBN9604的初始化后，可用while循環(huán)等待外部中斷。中斷處理程序可在給出中斷人口后跳出中斷。所有的USB事物處理都在函數(shù)USB-ISR中完成。圖3所示是USB-ISR程序框圖。在USB-ISR中，通過程序可讀取USBN9604中的主事件寄存器（MAEV），并判斷中斷原因，包括收發(fā)事件的發(fā)生、總線狀態(tài)的改變以及握手信號(hào)的產(chǎn)生等，同時(shí)可根據(jù)不同原因進(jìn)入相應(yīng)函數(shù)。另外也可通過函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)各種USB標(biāo)準(zhǔn)的請求、端點(diǎn)0的接收和發(fā)送以及其它端點(diǎn)的收發(fā)和總線狀態(tài)的改變等。

5、 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

目前較流行的驅(qū)動(dòng)程序編寫軟件主要有DDK、VtoolsD和WinDriver等，其中WinDfiver相對比較簡單，并可滿足開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)的需要。利用它開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不需要熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核，同時(shí)整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中的所有函數(shù)都工作在用戶模式下，因而可通過與WinDriver的．Vxd或．Sys文件交互達(dá)到驅(qū)動(dòng)硬件的目的。

5．1WinDriver的主要特征

WinDriver編程軟件具有以下特點(diǎn)：

提供有從用戶層直接訪問硬件的方法；

無需DDK以及核心態(tài)驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)；

支持I／O、DMA、中斷處理，同時(shí)支持PCI、ISA、USB、PCMCIA的開發(fā)；

對于性能要求特別苛刻的部分，WinDriver提供的APl可插入到核心態(tài)模式中運(yùn)行，從而提高執(zhí)行效率；

可利用常見的軟件開發(fā)平臺(tái)（VisualC++、BorlandC++、Delphi等）。

5．2開發(fā)步驟

利用WinDriver開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序有兩種方法，分別介紹如下：

第一種是利用WinDriver自帶的WinDriverWizard來分析用戶開發(fā)的插卡，看其能否象設(shè)計(jì)的那樣正常工作，然后自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序的框架代碼，接著再修改代碼并加入定制功能，同時(shí)在用戶態(tài)執(zhí)行和調(diào)試代碼并將性能要求苛刻的部分插入到核心態(tài)。

第二種則直接應(yīng)用WinDriver提供的API函數(shù)編寫驅(qū)動(dòng)程序，這種方法比用Wizard生成框架代碼的方法更加靈活方便。但要求編程人員對驅(qū)動(dòng)程序的框架有一定的了解。

在實(shí)驗(yàn)中采用的是第一種方法，實(shí)驗(yàn)效果良好。

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