嵌入U(xiǎn)SB控制器的51系列單片機(jī)EZUSB的應(yīng)用論文

1、嵌入usb控制器的51系列單片機(jī)ez-usb的應(yīng)用  主要介紹嵌入usb控制核的51系列單片機(jī)ez-usb的特性及傳輸與控制機(jī)理。該內(nèi)核可幫助usb外設(shè)開(kāi)發(fā)者完成usb協(xié)議中規(guī)定的80%90%的通信工作,是usb外設(shè)研制者的理想選擇。文中還對(duì)使用不同的usb芯片組成的應(yīng)用系統(tǒng)作了比較。 1  概述    隨著pc的廣泛應(yīng)用,其外設(shè)也越來(lái)越多,打印機(jī)、鼠標(biāo)、掃描儀、游戲桿、音箱,每個(gè)外設(shè)都需要通過(guò)一個(gè)接口與pc相連。外設(shè)多了,pc的i/o插口自然也就不夠用了。在很多特定的應(yīng)用場(chǎng)合,如工業(yè)數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域,常常用采集板卡

2、來(lái)完成工作,而每一個(gè)板卡自然會(huì)占用一個(gè)pc插槽。pc插槽有限。采集點(diǎn)多了就不夠用。除此之外,在個(gè)人電腦的應(yīng)用中,外圍設(shè)備存在很多問(wèn)題。這些問(wèn)題大致可以歸結(jié)到成本、配置以及個(gè)人電腦的連接等幾個(gè)方面,而usb正是為了解決這些問(wèn)題而出現(xiàn)的一種方案。簡(jiǎn)而言之,usb的出現(xiàn)不僅解決了i/o插口不夠的問(wèn)題,而且還建立了一條連接和訪問(wèn)外設(shè)的方法。這些方法可以有效地減少總體成本,而且從終端用戶的角度來(lái)看,可以增加可連接的外設(shè)數(shù)目,簡(jiǎn)化設(shè)備的連接和配置。    通用串行總線usb是由intel等廠商制定的連接計(jì)算機(jī)與具有usb接口的多種外設(shè)之間的串行總線。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1

3、所示。圖1  usb的層次拓?fù)鋱Dusb的特性有： 成本低。為了把外設(shè)連接到pc上,usb提供了一種低成本的解決方案。 熱插拔。設(shè)備連接后由usb自動(dòng)檢測(cè),并由軟件自動(dòng)配置,完成后可立即使用,無(wú)須用戶干涉。 單一的連接器類型。usb定義了一種簡(jiǎn)單的連接器,可以用來(lái)連接任何一個(gè)usb設(shè)備。多個(gè)連接器可以通過(guò)usb集線器連接。  每個(gè)usb總線支持127個(gè)設(shè)備的連接。 usb支持三種設(shè)備傳輸速率：1.5 mb/s（低速設(shè)備）、12 mb/s（中速設(shè)備）和480 mb/s（高速設(shè)備）。

4、0;外設(shè)能夠直接由usb總線進(jìn)行供電。 不需要系統(tǒng)資源（如內(nèi)存、i/o地址空間和中斷請(qǐng)求線路）。 usb事務(wù)處理包括錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制,它們用以確保數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)誤發(fā)送。 電源保護(hù)。如果連續(xù)3 ms沒(méi)有總線活動(dòng),usb將自動(dòng)進(jìn)入掛起狀態(tài)。 支持四種類型的傳輸方式：塊傳輸、控制傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。2  通用usb控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)在每一個(gè)usb設(shè)備中都有一個(gè)串行接口引擎（sie）。sie與usb數(shù)據(jù)線的d+和d-兩個(gè)引腳相連,與usb設(shè)備進(jìn)行字節(jié)傳送。圖2表示一次usb塊傳輸,時(shí)間順序從左到右。sie對(duì)pid信息包進(jìn)行解碼,并通過(guò)傳

5、送的crc位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè),然后,將有效數(shù)據(jù)送到usb設(shè)備。如果sie檢測(cè)到一個(gè)出錯(cuò)的數(shù)據(jù),它并不是發(fā)出一個(gè)握手信號(hào),而是自動(dòng)地不進(jìn)行響應(yīng),并告訴主機(jī)延時(shí)重發(fā)。圖2  sie的功能由于usb被設(shè)計(jì)成可以用簡(jiǎn)便有效的方法來(lái)與多種類型的外設(shè)通信,沒(méi)有現(xiàn)有接口的局限性和缺點(diǎn),這樣,導(dǎo)致了對(duì)usb接口的設(shè)計(jì)和編程更加復(fù)雜。為了降低設(shè)計(jì)者的開(kāi)發(fā)難度,使用專用的usb控制器已成為研制人員的首選方案。usb協(xié)議的復(fù)雜性意味著usb外設(shè)必須具備智能。usb控制器必須知道如何檢測(cè)并對(duì)usb端口的事件做出反應(yīng)。一般的做法是：usb控制器只處理usb通信,由一個(gè)外部的微控制器（mcu）來(lái)管理

6、usb控制器的寄存器、設(shè)備描述符的獲取和數(shù)據(jù)包的交換等,如圖3所示。圖3  通用usb設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)表1所示為可與一般微控制器連接的usb控制器。       usb控制器使用串行口或并行口與mcu連接。這樣,外部接口可能比usb最大速度要慢,使得芯片只適合傳送間歇數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計(jì)的好處是系統(tǒng)組成靈活,可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求,搭配不同的mcu,使其具有很高的性能價(jià)格比;但同時(shí)也加大了編程設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)難度,延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。另一種可行的方法是使用嵌入mcu的usb控制器。這樣,cpu只需要訪問(wèn)一系列寄存器

7、和存儲(chǔ)器,便可實(shí)現(xiàn)usb口的數(shù)據(jù)傳輸。從而簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì),并且許多供應(yīng)商還提供許多范例電路和測(cè)試代碼,使設(shè)計(jì)者從復(fù)雜的協(xié)議解釋中得到解脫。現(xiàn)在,許多芯片制造商開(kāi)始生產(chǎn)一些基于通用mcu的usb控制器,采用研制人員所熟知的指令集,大大簡(jiǎn)化了編程的難度。如基于8051結(jié)構(gòu)的usb控制器有：intel公司的8x930a、8x931a;cypress公司的ez-usb等。此外,還有基于mitsubishi 740/7600/m16c的usb芯片;基于motorora hc05系列的usb芯片等。受篇幅所限,本文僅介紹ez-usb 2100系列單片機(jī)。 3

8、60; ez-usb組成結(jié)構(gòu)及特性美國(guó)cypress公司是一家從事usb接口芯片和usb單片機(jī)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的公司。cypress最新推出的帶智能usb接口的單片機(jī)ez-usb,極大地降低了usb外設(shè)的開(kāi)發(fā)難度,為pc外設(shè)的制造商提供了一個(gè)性能優(yōu)良、價(jià)格較低的設(shè)計(jì)方案。ez-usb有多個(gè)系列的產(chǎn)品,根據(jù)不同的速率需求,可滿足不同的系統(tǒng)要求和價(jià)格。cypress提供三個(gè)系列的ez-usb芯片,如表2和表3所列。表2  cypress的ez-usb系列產(chǎn)品表3  ez-usb2100系列產(chǎn)品    3.1

9、0; ez-usb芯片組成結(jié)構(gòu)ez-usb芯片將usb接口的控制核整合到單片機(jī)集成電路中,如圖4所示。集成的usb收發(fā)模塊與usb 總線的d+和d引腳相連。sie進(jìn)行串行數(shù)據(jù)譯碼和錯(cuò)誤更正,以及其他usb所要求的信號(hào)級(jí)操作等,最后,再與usb收發(fā)模塊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸。圖4  ez-usb的組成框圖內(nèi)部的微處理器在標(biāo)準(zhǔn)8051上縮短了執(zhí)行時(shí)間并增加了新的特性。它用內(nèi)部sram存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù),使ez-usb 系統(tǒng)具有軟配置的特性。usb主機(jī)經(jīng)usb總線將8051的程序代碼和描述符裝入sram中,然后,ez-usb芯片用已下裝程序中定義的外設(shè)特

10、性進(jìn)行重新連接,這個(gè)過(guò)程也叫再枚舉。ez-usb系列使用了強(qiáng)大的sie/usb接口（稱為usb內(nèi)核）。這個(gè)具有強(qiáng)大功能的內(nèi)核可以自動(dòng)完成usb協(xié)議的轉(zhuǎn)換,簡(jiǎn)化8051的代碼。ez-usb 芯片在3.3 v電壓下就可以運(yùn)行,簡(jiǎn)化了usb設(shè)備總線電壓的設(shè)計(jì)。    3.2  ez-usb特性  改進(jìn)的8051內(nèi)核。性能可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)8051的510倍,與標(biāo)準(zhǔn)8051的指令完全兼容。  高度集成。傳統(tǒng)usb外設(shè)的硬件設(shè)計(jì)通常包括非易失性存儲(chǔ)器（如eprom、eeprom、flash&#

11、160;rom）、微處理器、ram、sie（串行接口引擎）和dma等。ez-usb將上述多個(gè)模塊集成在一個(gè)芯片中,從而減少了各芯片接口部分時(shí)序配合時(shí)的麻煩。  usb 內(nèi)核。ez-usb可以代替usb外設(shè)開(kāi)發(fā)者完成usb協(xié)議中規(guī)定的80 %90 %的通信工作,使得開(kāi)發(fā)者不需要深入了解usb的低級(jí)協(xié)議即可順利地開(kāi)發(fā)出所需要的usb外設(shè)。ez-usb系列芯片接收全部usb 的吞吐量。這種采用ez-usb的設(shè)計(jì),不受端點(diǎn)數(shù)目、緩沖區(qū)大小及傳輸速度的限制。   軟配置。外設(shè)未通過(guò)usb接口連接到pc機(jī)之前,外設(shè)上

12、的固件存儲(chǔ)在pc上;一旦外設(shè)接到pc機(jī)上,pc先詢問(wèn)該外設(shè)是"誰(shuí)"（即讀設(shè)備描述符）,然后,將該外設(shè)的固件下載到ez-usb的ram中并執(zhí)行,這個(gè)過(guò)程叫作再枚舉。這個(gè)特性給usb外設(shè)開(kāi)發(fā)者帶來(lái)許多方便。如開(kāi)發(fā)過(guò)程中,當(dāng)固件需要修改時(shí),可以在pc機(jī)上修改好以后,下載到ez-usb,從而省去了編程芯片的麻煩。這種基于ram的軟配置方法,可以允許無(wú)限的配置和升級(jí)。  易用的軟件開(kāi)發(fā)工具。固件可獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)程序被測(cè)試。驅(qū)動(dòng)程序和固件的開(kāi)發(fā)與調(diào)試相互獨(dú)立,可加快開(kāi)發(fā)的速度。 4  ez-usb微處理器ez-usb微處理器是一個(gè)改進(jìn)的80

13、51內(nèi)核,使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng),其指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051快,原因有兩點(diǎn)：  空閑（ wasted）的總線周期被消去。一個(gè)總線周期僅包含4個(gè)時(shí)鐘周期,而標(biāo)準(zhǔn)8051則為12個(gè)時(shí)鐘周期。  8051的運(yùn)行速度為24 mhz。除了速度的提高,改進(jìn)的8051內(nèi)核還有以下幾處結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)：  第二個(gè)數(shù)據(jù)指針,可用于存儲(chǔ)器塊之間的傳輸;  第二個(gè)uart;  第三個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（timer2）;  與非多路復(fù)用16位地址總線的高速存儲(chǔ)器直接接口;

14、60; 增加了7個(gè)中斷源（int2int5、pfi、t2和uart1）;  可變的movx執(zhí)行時(shí)間可適應(yīng)高/低速的ram外設(shè);  256字節(jié)的內(nèi)部寄存器ram,8k字節(jié)的程序/數(shù)據(jù)復(fù)合sram;  3.3 v工作電壓。ez-usb 集成芯片在8051的基礎(chǔ)上又有其他改進(jìn)：  快速外部數(shù)據(jù)塊傳輸（指針自動(dòng)增量,快速傳輸模式）;  usb中斷向量;  control傳輸?shù)膕etup和data部分有各自的緩沖器。   &#

15、160;4.1  an2131q的封裝和引腳描述圖5是ez-usb 2100系列中80引腳封裝的an2131q的引腳排列圖。圖5  80引腳的pqfp（an2131q）各引腳功能分述如下：discon#：引腳1,輸出。該引腳由兩個(gè)位discoe和discon控制。當(dāng)discoe=0時(shí),引腳懸空;當(dāng)discoe=1時(shí),驅(qū)動(dòng)引腳。當(dāng)discoe=1時(shí),驅(qū)動(dòng)的邏輯級(jí)與discon位相反。usbd,usbd+：引腳77,79 ,高阻態(tài)。usb d+/d信號(hào)。將24振蕩器與usb d+/d引腳相連。a0a15：引腳712,1

16、5,16,2629,3437輸出。8051地址總線。d0d7：引腳4851,5760,i/o/高阻態(tài)。8051數(shù)據(jù)總線。該雙向總線空閑時(shí)處于高阻狀態(tài),總線讀時(shí)為輸入,總線寫時(shí)為輸出。psen#：引腳80,輸出。程序存儲(chǔ)器使能端。引腳接低電平時(shí)有效,表示從外部存儲(chǔ)器中讀取程序。當(dāng)ea為低電平時(shí),程序存儲(chǔ)器的地址從0x1b40開(kāi)始;當(dāng)ea為高電平時(shí),程序存儲(chǔ)器的地址從0x0000開(kāi)始。pa0pa7：引腳6871,7376,i/o。多功能輸入/輸出引腳。pb0pb7：引腳4447,5255,i/o。多功能輸入/輸出引腳。pc0pc7：引腳3033,3841,i/o。多功能輸入/輸出引腳。bkpt：引

17、腳61,輸出。斷點(diǎn)。當(dāng)8051地址總線與bpaddrh/l寄存器的內(nèi)容一致,且usbbav寄存器中的斷點(diǎn)使能（bpen）時(shí),該引腳被激活（高電平）。如果usbbav寄存器中的bppulse位為高,就產(chǎn)生8個(gè)24 mhz的高電平的時(shí)鐘脈沖;如果bppulse位為低,保持高電平直到8051清除usbbav寄存器中的break位（寫1）。reset：引腳25,輸入。有效高電平復(fù)位。使8051和sie復(fù)位。該引腳一般通過(guò)1個(gè)10 k電阻接地,用1個(gè)1f電容接vcc。ea：引腳24,輸入。訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。該引腳有效（hi）時(shí),8051并不是從內(nèi)部程序ram中獲得代碼,而是從外部存儲(chǔ)器

18、中讀取代碼。當(dāng)ea=0時(shí),8051從外部存儲(chǔ)器的0x1b40地址（an2131）開(kāi)始讀取代碼。avcc：引腳21,電源。analog vcc（模擬電源）。該引腳為芯片的模擬部分提供電源。agnd：引腳18,電源。analog ground（模擬地）。盡可能以最短路徑接地。xin：引腳19,輸入。晶振輸入。該引腳經(jīng)由12 mhz晶振和2233 pf電容接地。它也能用12 mhz的時(shí)鐘電路驅(qū)動(dòng)。xout：引腳20,輸出。晶振輸出。該引腳經(jīng)由12 mhz晶振和2233 pf電容接地。當(dāng)xin由12 mhz時(shí)鐘電路驅(qū)動(dòng)時(shí),

19、該引腳懸空。wakeup#：引腳66,輸入。usb喚醒。當(dāng)8051掛起時(shí),該引腳上的一個(gè)上升沿可開(kāi)啟振蕩器,向8051發(fā)出中斷,請(qǐng)求推出掛起狀態(tài)。維持wakeup#的低電平可避免ez-us芯片進(jìn)入掛起狀態(tài)。scl：引腳65,od（漏極開(kāi)路）。i2c時(shí)鐘。即使沒(méi)有i2c設(shè)備相連,也要用2.2 k電阻接vcc。sda：引腳64,od（漏極開(kāi)路）。i2c數(shù)據(jù)。即使沒(méi)有i2c設(shè)備相連,也要用2.2 k電阻接vcc。clk24：引腳4,輸入。24 mhz時(shí)鐘,可鎖定為12 mhz輸入時(shí)鐘。當(dāng)cpucs寄存器中的outclken=0時(shí)沒(méi)有輸出。nc：引腳67。該引腳

20、不連接。軟配置是ez-usb系列芯片的一個(gè)重要特性。ez-usb芯片中包含內(nèi)部程序/數(shù)據(jù)ram,不再需要rom或其他固定的存儲(chǔ)器。通過(guò)usb本身將程序下載到ram中,為設(shè)備提供獨(dú)特的特性,使得修改、版本更新更容易。ez-usb可作為usb設(shè)備進(jìn)行連接,當(dāng)內(nèi)部8051處于復(fù)位狀態(tài)時(shí),將程序下載到內(nèi)部ram。這一切都是由改進(jìn)的sie完成的,它可以進(jìn)行圖2中的所有操作,甚至更多。sie包含其他邏輯,可用內(nèi)部描述符表進(jìn)行枚舉操作。它也能響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的特殊的"下載固件"設(shè)備請(qǐng)求,將固件裝入內(nèi)部ram。還有一點(diǎn)值得一提的是,增加的sie功能可用于8051。這一特點(diǎn)可縮減8051程序,加

21、快程序的執(zhí)行。5  ez-usb的枚舉和再枚舉pc機(jī)運(yùn)行時(shí),若插上或拔去一個(gè)usb設(shè)備,windows系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)裝載或卸去設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,即所謂的即插即用。這一系列動(dòng)作的自動(dòng)完成歸因于在每一個(gè)usb設(shè)備里都有一個(gè)描述符表,記錄了設(shè)備的要求和性能。當(dāng)插上usb時(shí),要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：待添加的隱藏文字內(nèi)容3  主機(jī)向地址0發(fā)送"get_descriptor/device"請(qǐng)求（設(shè)備第一次連接時(shí),必須響應(yīng)地址0）;  設(shè)備響應(yīng)該請(qǐng)求,并將id數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī);  主機(jī)向設(shè)備發(fā)出"set_ad

22、dress"請(qǐng)求,給設(shè)備提供一個(gè)唯一的地址,以區(qū)別其他與總線相連的設(shè)備;  主機(jī)發(fā)出"get_descriptor"請(qǐng)求,獲取更多的設(shè)備信息。據(jù)此,主機(jī)可以了解到該設(shè)備的其他情況,如該設(shè)備的端點(diǎn)個(gè)數(shù)、電氣要求、所需帶寬,然后下載程序。為了支持軟特性,ez-usb芯片能自動(dòng)地作為一個(gè)不需要固件的usb設(shè)備進(jìn)行枚舉,所以,usb接口本身可用來(lái)下載8051的程序和描述符表。當(dāng)8051復(fù)位時(shí),ez-usb的內(nèi)核進(jìn)行最初（通電）的枚舉和下載。這種支持程序下載的最初usb 設(shè)備被稱為"默認(rèn)的usb設(shè)備"。在代碼描述符表從主機(jī)中

23、下載到ez-usb ram后,8051脫離復(fù)位狀態(tài),開(kāi)始執(zhí)行設(shè)備程序。ez-usb設(shè)備再次枚舉,這一次是作為裝入的設(shè)備。第二次枚舉稱為"再枚舉"。 再枚舉的完成是ez-usb芯片通過(guò)給usb 加電,模擬物理斷開(kāi)和重連接來(lái)完成的。被稱為"renum"（再枚舉）的ez-usb控制位決定由內(nèi)核及8051中的哪一個(gè)實(shí)體處理端點(diǎn)的設(shè)備請(qǐng)求。通電時(shí),renum位（usbcs.1）為0,表示ez-usb內(nèi)核自動(dòng)處理設(shè)備請(qǐng)求。一旦運(yùn)行8051,它能設(shè)renum=1,表示用戶8051程序用它下載的固件處理子設(shè)備請(qǐng)求。6  

24、ez-usb端點(diǎn)由于usb是串行總線,因此設(shè)備端點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)fifo存儲(chǔ)器。主機(jī)通過(guò)發(fā)出4位地址及1位方向位,選擇設(shè)備端點(diǎn)。所以,usb可定位32個(gè)端點(diǎn)：in0in15和out0out15。8051從out緩沖區(qū)中讀取端點(diǎn)數(shù)據(jù),將通過(guò)usb傳輸?shù)亩它c(diǎn)數(shù)據(jù)寫入in緩沖區(qū)。usb端點(diǎn)有四種類型：塊（bulk）、控制、中斷、同步。    6.1  塊端點(diǎn)塊端點(diǎn)無(wú)方向控制,一個(gè)端點(diǎn)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)方向,所以,端點(diǎn)in2的地址不同于端點(diǎn)out2。ez-usb提供了14個(gè)用于塊傳輸?shù)亩它c(diǎn),包括7個(gè)in端點(diǎn)（ep1_inep7_in）和7個(gè)out端點(diǎn)

25、（ep1_outep7 _out）。每一個(gè)端點(diǎn)都有1個(gè)64字節(jié)的緩沖區(qū)。    6.2  控制端點(diǎn)0控制端點(diǎn)用于傳輸控制信息。任一個(gè)usb設(shè)備必須有默認(rèn)的控制端點(diǎn)0。設(shè)備的枚舉（即第一次插上該設(shè)備時(shí),主機(jī)對(duì)其進(jìn)行初始化的過(guò)程）就是由端點(diǎn)0引導(dǎo)的。主機(jī)通過(guò)端點(diǎn)發(fā)送所有的usb請(qǐng)求?？刂贫它c(diǎn)是雙向的,它只接受setup信號(hào)。控制傳輸包含兩個(gè)或三個(gè)階段：setup、data（可選）和handshake。    6.3  中斷端點(diǎn)中斷端點(diǎn)與塊端點(diǎn)大致相同。14個(gè)ez-usb端點(diǎn)（ep1ep7、in和out）可用作中斷端點(diǎn)。中斷端點(diǎn)的信息包的最大長(zhǎng)度可達(dá)到64字節(jié),在它們的描述符中包含一個(gè)"輪詢間隔"字節(jié),告