嵌入式系統(tǒng)實踐實驗報告-USB接口

第?次實驗實驗名稱 學號姓名第1頁共17頁計算機科學技術系上機實踐報告課程名稱：嵌入式系統(tǒng)實踐年級：上機實踐成績：指導教師：姓名：創(chuàng)新實踐成績：上機實踐名稱：USB接口學號：上機實踐日期：上機實踐編號：No.10組號上機實踐時間：實驗目的1、了解USB接口基本原理；2、掌握通過USB接口與PC通訊的編程技術。實驗設備硬件：EmbestEduKit-III實驗平臺，EmbestARM標準/增強型仿真器套件，PC機。軟件：EmbestIDEProARM集成開發(fā)環(huán)境，Windows98/2000/NT/XP。實驗內容編寫USB通信程序，基于已有的USB驅動程序接口，完成與PC端的USB測試程序之間數(shù)據(jù)接收與發(fā)送實驗原理1.USB基礎?定義通用串行總線協(xié)議USB（UniversalSerialBus）是由Intel、Compaq、Microsoft等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線標準，主要用于PC機與外圍設備的互聯(lián)。1994年11月發(fā)布第一個草案，1996年2月發(fā)布第一個規(guī)范版本1.0，2000年4月發(fā)布高速模式版本2.0，對應的設備傳輸速度也從1.5Mb/s的低速和12Mb/s的全速提高到如今的480Mb/s的高速。其主要特點是：支持即插即用。允許外設在主機和其它外設工作時進行連接配置使用及移除。傳輸速度快。USB支持三種設備傳輸速率：低速設備1.5Mb/s、中速設備12Mb/s和高速設備480Mb/s。連接方便。USB可以通過串行連接或者使用集線器Hub連接127個USB設備，從而以一個串行通道取代PC上其他I/O端口如串行口、并行口等，使PC與外設之間的連接更容易。獨立供電。USB接口提供了內置電源。低成本。USB使用一個4針插頭作為標準插頭，通過這個標準插頭，采用菊花鏈形式可以把多達127個的USB外設連接起來，所有的外設通過協(xié)議來共享USB的帶寬。?組成USB規(guī)范中將USB分為五個部分：控制器、控制器驅動程序、USB芯片驅動程序、USB設備以及針對不同USB設備的客戶驅動程序?？刂破鳎℉ostController），主要負責執(zhí)行由控制器驅動程序發(fā)出的命令，如位于PC主板的USB控制芯片。控制器驅動程序(HostControllerDriver)，在控制器與USB設備之間建立通信信道，一般由操作系統(tǒng)或控制器廠商提供。USB芯片驅動程序(USBDriver)，提供對USB芯片的支持，設備上的固件（Firmware）。USB設備(USBDevice)，包括與PC相連的USB外圍設備。設備驅動程序(ClientDriverSoftware)，驅動USB設備的程序，一般由USB設備制造商提供。?傳輸方式針對設備對系統(tǒng)資源需求的不同，在USB規(guī)范中規(guī)定了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：同步傳輸(Isochronous)，該方式用來聯(lián)接需要連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，且對數(shù)據(jù)的正確性要求不高而對時間極為敏感的外部設備，如麥克風、嗽叭以及電話等。同步傳輸方式以固定的傳輸速率，連續(xù)不斷地在主機與USB設備之間傳輸數(shù)據(jù)，在傳送數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，USB并不處理這些錯誤，而是繼續(xù)傳送新的數(shù)據(jù)。同步傳輸方式的發(fā)送方和接收方都必須保證傳輸速率的匹配，不然會造成數(shù)據(jù)的丟失。中斷傳輸(Interrupt)，該方式用來傳送數(shù)據(jù)量較小，但需要及時處理，以達到實時效果的設備，此方式主要用在偶然需要少量數(shù)據(jù)通信，但服務時間受限制的鍵盤、鼠標以及操縱桿等設備上?？刂苽鬏敚–ontrol），該方式用來處理主機到USB設備的數(shù)據(jù)傳輸，包括設備控制指令、設備狀態(tài)查詢及確認命令，當USB設備收到這些數(shù)據(jù)和命令后，將依據(jù)先進先出的原則處理到達的數(shù)據(jù)。主要用于主機把命令傳給設備、及設備把狀態(tài)返回給主機。任何一個USB設備都必須支持一個與控制類型相對應的端點0。批量傳輸（Bulk），該方式不能保證傳輸?shù)乃俾?，但可保證數(shù)據(jù)的可靠性，當出現(xiàn)錯誤時，會要求發(fā)送方重發(fā)。通常打印機、掃描儀和數(shù)字相機以這種方式與主機聯(lián)接。?關鍵定義USB主機(Host)USB主機控制總線上所有的USB設備和所有集線器的數(shù)據(jù)通信過程，一個USB系統(tǒng)中只有一個USB主機，USB主機檢測USB設備的連接和斷開、管理主機和設備之間的標準控制管道、管理主機和設備之間的數(shù)據(jù)流、收集設備的狀態(tài)和統(tǒng)計總線的活動、控制和管理主機控制器與設備之間的電氣接口，每一毫秒產生一幀數(shù)據(jù)，同時對總線上的錯誤進行管理和恢復。USB設備（Device）通過總線與USB主機相連的稱為USB設備。USB設備接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的地址域來判斷是否接收；接收后通過響應USB主機的數(shù)據(jù)包與USB主機進行數(shù)據(jù)傳輸。端點（Endpoint）端點是位于USB設備中與USB主機進行通信的基本單元。每個設備允許有多個端點，主機只能通過端點與設備進行通訊，各個端點由設備地址和端點號確定在USB系統(tǒng)中唯一的地址。每個端點都包含一些屬性：傳輸方式、總線訪問頻率、帶寬、端點號、數(shù)據(jù)包的最大容量等。除控制端點0外的其他端點必須在設備配置后才能生效，控制端點0通常用于設備初始化參數(shù)。USB芯片中，每個端點實際上就是一個一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。管道（Pipe）管道是USB設備和USB主機之間數(shù)據(jù)通信的邏輯通道，一個USB管道對應一個設備端點，各端點通過自己的管道與主機通信。所有設備都支持對應端點0的控制管道，通過控制管道主機可以獲取USB設備的信息，包括：設備類型、電源管理、配置、端點描述等。2.USB設備開發(fā)USB設備開發(fā)包括硬件電路設計和軟件設計二部分內容，其中軟件部分又包括USB芯片驅動程序和應用程序二部分。USB設備在硬件上通過USB芯片實現(xiàn)，USB芯片負責：管理和實現(xiàn)USB物理層差分信號；通過配置和管理寄存器初始化設備。提供連接的端點；電源管理；通過寄存器管理端點；USB芯片驅動程序基于以上硬件資源實現(xiàn)USB的功能。USB芯片提供多個標準的端點，每個端點都支持單一的總線傳輸方式。端點0支持控制傳輸，其他端點支持同步傳輸、批量傳輸或中斷傳輸中的任意一種。管理和使用這些端點，實際上就是通過操作相應的控制寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和數(shù)據(jù)寄存器來實現(xiàn)。其中，控制寄存器用于設置端點的工作模式、啟用端點的功能等；狀態(tài)寄存器用于查詢端點的當前狀態(tài)；中斷寄存器則用于設置端點的中斷觸發(fā)和響應功能；數(shù)據(jù)寄存器則是設備與主機交換數(shù)據(jù)用的緩沖區(qū)。?電路設計原理EmbestEduKit-IIIUSB接口模塊采用美國國家半導體公司的USBN9603USB控制器，該控制器是全速USB節(jié)點器件，完全兼容USB1.0，USB1.1通信規(guī)范。USBN9603/4-28M芯片引腳圖如下：USBN9603與MCU的接口模式分為兩種：?8位并行總線模式（ParallelInterface），使用并行總線方式時又可選擇復用（Multiplexed）或非復用（Non-Multiplexed）模式，其中地址/數(shù)據(jù)線的復用方式電路設計稍顯復雜。?微總線模式（MICROWIREinterface）。以上模式的選擇由管腳MODE0，MODE1決定。在使用復用的8位并行總線模式下，USBN9603支持與MCU之間的增強型DMA方式傳輸，使用DMA方式傳輸使MCU和USBN9603之間交換數(shù)據(jù)的速度成倍提高，最終可以顯著提高PC與USB的通訊速度。USBN9603在EmbestEduKit-III評估板與CPU連接圖如下：EduKit-III的電路設計中采用的是非復用的8位并行總線模式，該模式中沒有使用DMA方式，因此DACK接高電平。CPU通過譯碼器生成的片選信號CS1對USB控制器進行選通，USBN9603通過EXINT1對CPU發(fā)出中斷請求。設備驅動程序設計USB讀寫EmbestEduKit-III的USB控制器USBN9603用戶寄存器有兩個，分別為只寫的內部地址寄存器，與可讀寫的數(shù)據(jù)寄存器，內部地址寄存器的地址為0x02000002，數(shù)據(jù)寄存器地址為0x02000000。對USB控制器進行讀操作（包括讀USB內部寄存器及數(shù)據(jù)）時，第一步是設置USB6bits寬的內部地址寄存器，指明將要從USB某個內部地址讀一個字節(jié)，第二步是從數(shù)據(jù)寄存器讀出8bits寬的數(shù)據(jù)。對USB進行寫操作類似讀操作，第一步同樣是設置USB的內部地址寄存器，指明將要寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)到USB內部某個地址中去。USB中斷EmbestEduKit-III的USB控制器中斷請求引腳連接S3C44B0X外部中斷引腳EXINT1，對應的中斷向量為1，初始化USB中斷的步驟是：使EINT1中斷使能。安裝USB中斷服程序入口到中斷向量中去。初始化IO端口G組控制器PCONG，PUPG指明EXINT1是作為中斷輸入引腳使用。設置外部中斷寄存器EXTINT，指明觸發(fā)中斷方式。初始化USB初始化USB需要使用USB讀寫函數(shù)對USB控制器內部的控制寄存器進行設置。需要設置的USB控制寄存器如下：首先，通過設置主控制寄存器MCNTRL軟件復位位（SRST），復位USB控制器。設置主控制寄存器MCNTRL，電壓調整位（VGE），及中斷輸出（INTOC）位，以禁止中斷輸出。寫時鐘寄存器CCONF，設置USB控制器工作頻率。初始化功能地址寄存器FAR（FunctionAddressRegister），及EPC0寄存器（Endpoint0ControlRegister），端點號0為雙向端點，作控制使用。設置中斷掩碼寄存器，有主掩碼寄存器(MAMSK)，無應答事件寄存器(NAKMSK)，發(fā)送事件寄存器(TXMSK)，接收事件寄存器(RXMSK)，Alternate事件寄存器(ALTMSK)。最后允許USB控制器中信號輸出，使控制器附加到USB總線上。USB中斷服務例程中斷服務程序處理USB控制器產生的中斷，它將數(shù)據(jù)從USB內部FIFO讀出，并建立正確的事件標志，以通知主循環(huán)程序處理?；静襟E如下：從主事件寄存器（MAEV）讀出產生中斷的事件。根據(jù)主事件寄存器某位狀態(tài)判別事件，接著讀取相應的事件寄存器：接收事件寄存器（RXEV），或發(fā)送事件寄存器（TXEV），或無應答事件寄存器（NAKEV），或Alternate事件寄存器（ALTEV）。進一步判別事件寄存器的某位狀態(tài)，根據(jù)具體事件，分別做相應的操作。通道0(端點0)用于控制傳輸，在驅動程序中調用rxevent0()，txevent0()處理端點0的事件。通道1中由Txevent1（）處理端點1（單向發(fā)送）的事件，rxevent1（）處理端點2（單向接收）的事件。通道2中由Txevent2（）處理端點3（單向發(fā)送）的事件，rxevent2（）處理端點4（單向接收）的事件。通道3中由Txevent3（）處理端點5的事件，rxevent3()處理端點6的事件。實驗步驟1）拷貝光盤CD1\Software\EduKit44b0文件夾到EmbestIDE\Examples\Samsung\目錄下；2)實驗環(huán)境準備。使用USB連接線連接EduKit-III的USB接口和PC主機的USB接口；通過Embest仿真器連接PC主機并行口和目標板JTAG接口。3)編譯、鏈接、運行USB例程。使用EmbestIDE打開USB_Test\USB_Test.pjf工作區(qū)，直接編譯鏈接輸出可執(zhí)行文件USB_Test.elf，下載到EduKit-III上運行。4)安裝USB設備驅動程序。運行USB例程后，Windows彈出發(fā)現(xiàn)新硬件的提示對話框，按照安裝向導安裝驅動程序EmbestEduKit-IIIUSBDriver，驅動程序安裝文件位于USB_Test\Driver目錄。5)運行USB數(shù)據(jù)傳送演示軟件。運行位于USB_Test目錄下demo.exe，出現(xiàn)如下窗口：6)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在傳送數(shù)據(jù)窗口里輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，點發(fā)送按鈕，在接收數(shù)據(jù)窗口里，顯示目標板USB控制器返回的數(shù)據(jù)。7)在PC機上觀察超級終端程序主窗口，可以看到如下界面：六、調試過程、結果和分析使用USB連接線連接USB接口和主機的USB接口，打開實驗例程調試運行，出現(xiàn)安裝USB驅動程序的提示對話框，按照安裝向導安裝，選擇高級選項，再選擇驅動程序安裝文件的路徑即可。之后運行demo.exe，在發(fā)送數(shù)據(jù)窗口編輯發(fā)送內容，發(fā)送，接收數(shù)據(jù)窗口即顯示USB傳輸內容，并與編輯發(fā)送的呢內容相同。七、總結本次實驗無其他習題要求，按照教材例程一步步運行，觀察實驗結果，熟悉步驟，無須對程序進行改動，因此完成得非常順利，也沒有遇到特殊的問題。八、附件/********************************************************************************************name:write_usb*func:writes9603controls/conditions/dataregister*para:addrregisteraddress*datdata*******************************************************************************************/voidwrite_usb(unsignedcharaddr,unsignedchardat){(*(volatileunsignedchar*)0x02000002)=addr;(*(volatileunsignedchar*)0x02000000)=dat;}/********************************************************************************************name:read_usb*func:reads9603controls/conditions/dataregister*para:addrregisteraddress*ret:data*******************************************************************************************/unsignedcharread_usb(unsignedcharaddr){(*(volatileunsignedchar*)0x02000002)=addr;return(*(volatileunsignedchar*)0x02000000);}/********************************************************************************************name:Isr_Init*func:Theseveranceinitialization,installstheUSBseveranceservicefunction*******************************************************************************************/voidIsr_Init(void){rINTMOD&=~BIT_EINT1;//EINT1interruptrINTMSK&=~BIT_GLOBAL;//GLOBALvalidpISR_EINT1=(int)__Eint1Isr;rPCONG=rPCONG|(3<<2);rPUPG=rPUPG&0xFD;rEXTINT=0x00;rINTMSK=rINTMSK|BIT_EINT1;}/********************************************************************************************name:Init_9603*func:theinitializationUSBN9603,initialization9603interiorregisters,attach9063toarriveonUSBHUB********************************************************************************************/voidInit_9603(void){status_GETDESC=0;usb_cfg=0;//giveasoftreset,thensetintstopushpull,activehiorlowrite_usb(MCNTRL,SRST);while(read_usb(MCNTRL)&SRST);write_usb(MCNTRL,VGE+INT_H_P);//initializetheclockgeneratorwrite_usb(CCONF,CODIS+0x0c);//setdefaultaddress,enableEP0onlywrite_usb(FAR,AD_EN+0);//FAR=FUNCTIONADDRESSREGISTERwrite_usb(EPC0,0x00);//setupinterruptmaskswrite_usb(NAKMSK,NAK_O0);//NAKevntswrite_usb(TXMSK,TXFIFO0+TXFIFO1+TXFIFO2+TXFIFO3);//TXeventswrite_usb(RXMSK,RXFIFO0+RXFIFO1+RXFIFO2+RXFIFO3);//RXeventswrite_usb(ALTMSK,SD3+RESET_A);//ALTevntswrite_usb(MAMSK,INTR_E+RX_EV+NAK+TX_EV+ALT);//enablethereceiverandgooperationalFLUSHTX0;//flushTX0anddisablewrite_usb(RXC0,RX_EN);//enablethereceiverwrite_usb(NFSR,OPR_ST);//gooperationalwrite_usb(MCNTRL,VGE+INT_L_P+NAT);//setNODEATTACHdelay(100);}/********************************************************************************************name:Eint0Isr*func:TheUSBinterruptserviceisr,processestheUSBseverance,disposestheequipment,transmitsthedata*******************************************************************************************/voidEint0Isr(void){rINTMSK=rINTMSK|BIT_EINT0;rI_ISPC=BIT_EINT0;evnt=read_usb(MAEV);//checktheeventsif(evnt&RX_EV){evnt=read_usb(RXEV);//checktheRXeventsif(evnt&RXFIFO0)rxevent_0();//endpoint0elseif(evnt&RXFIFO1)rxevent_1();//endpoint2elseif(evnt&RXFIFO2)rxevent_2();//endpoint4elseif(evnt&RXFIFO3)rxevent_3();//endpoint6}elseif(evnt&TX_EV){evnt=read_usb(TXEV);//checktheTXeventsif(evnt&TXFIFO0)txevent_0();//endpoint0elseif(evnt&TXFIFO1)txevent_1();//endpoint1elseif(evnt&TXFIFO2)txevent_2();//endpoint3elseif(evnt&TXFIFO3)txevent_3();//endpoint5}elseif(evnt&ALT)usb_alt();//alternateevent?//NAKscancomesofastandfurious(especiallywithOHCIhosts)//thattheyMUSThavealowerprioritythantheotherevents.If//theydidnot,theothereventscouldgetstarvedout.elseif(evnt&NAK){evnt=read_usb(NAKEV);//checktheNAKeventsif(evnt&NAK_O0)nak0();elseif(evnt&NAK_O1)onak1();elseif(evnt&NAK_O2)onak2();elseif(evnt&NAK_I3)inak3();}rINTMSK=rINTMSK&(~BIT_EINT0);}/********************************************************************************************name:txevent_3*func:ThissubroutinehandlesTXeventsforFIFO3(endpoint6)******************************************************************************************/voidtxevent_3(void){txstat=read_usb(TXS3);//gettransmitterstatusif(txstat&ACK_STAT){//previousdatapacketfromcurrentepwasreceived