摘 要： 在簡單介紹嵌入式title="USB">USB芯片SL811HS的基礎(chǔ)上，給出了DSP的嵌入式USB主機(jī)接口軟、硬件設(shè)計(jì)的思路和方法,用以實(shí)現(xiàn)DSP和USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。
關(guān)鍵詞： 嵌入式USB DSP USB固件 海量存儲(chǔ)器
近年來，通用串行總線(USB)發(fā)展非常迅速，它具有成本低、速度快、總線供電、可熱插拔等特點(diǎn)，被認(rèn)為是目前PC和外設(shè)連接的最佳方案，因而得到了廣泛的應(yīng)用。USB技術(shù)規(guī)范將USB數(shù)據(jù)傳輸雙方劃分為2種類型：HOST和SLAVE，即主機(jī)和從屬設(shè)備。目前，USB主機(jī)一般都是由PC擔(dān)任，而市場上各式各樣的USB產(chǎn)品基本上都是SLAVE。USB技術(shù)在PC上應(yīng)用獲得成功的同時(shí)，USB開發(fā)者還為USB尋找到了新的應(yīng)用空間——嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，使嵌入式USB技術(shù)成為USB發(fā)展的新亮點(diǎn)。該技術(shù)可應(yīng)用在多種場合，例如：數(shù)碼相機(jī)可以將拍下的照片隨時(shí)轉(zhuǎn)移到移動(dòng)存儲(chǔ)器上或者直接在打印機(jī)上輸出，手機(jī)和PDA等手持設(shè)備間可隨意交換音頻、視頻等及其他各類文件……其市場前景巨大。
本文介紹采用TMS320VC54x DSP和嵌入式USB主機(jī)芯片的連接，實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備和DSP的數(shù)據(jù)傳輸。
1 SL811HS芯片
SL811HS是Cypress公司的一款低價(jià)位的嵌入式USB主/從二用芯片。SL811HS支持USB1.1規(guī)范，工作在主機(jī)模式下，可以和低速或全速設(shè)備進(jìn)行通信，可以很方便地和MCU、DSP等處理器或者和ISA、PCMCIA等總線建立連接。
SL811HS主機(jī)模式下的功能框圖如圖1所示。在片選信號(hào)nCS、讀閘門信號(hào)nRD、寫閘門信號(hào)nWR等控制信號(hào)、地址線A0和數(shù)據(jù)總線D0～D7的作用下，它可以映射到處理器的I/O空間或存儲(chǔ)器空間。SL811HS片內(nèi)有256字節(jié)的RAM，其中低16字節(jié)是控制寄存器和狀態(tài)寄存器，剩下的240字節(jié)用作數(shù)據(jù)緩存。地址線A0的使用比較特殊，訪問芯片時(shí)，首先將A0置0，通過D0～D7寫入目標(biāo)RAM地址，然后在下一次讀寫周期中，將A0置1，這樣D0～D7上就變成訪問的數(shù)據(jù)。在每次讀寫操作后，RAM地址指針會(huì)自動(dòng)指向下一個(gè)數(shù)據(jù)單元。
SL811HS片內(nèi)寄存器分為二部分，第一部分負(fù)責(zé)USB的傳輸，包括USB主機(jī)控制寄存器(USB Host Control Register)、USB主機(jī)基址寄存器(USB Host Base Address)、USB主機(jī)長度寄存器(USB Host Base Length)、USB主機(jī)令牌、端點(diǎn)寄存器(USB Host PID, Device Endpoint)、USB狀態(tài)寄存器(USB Status)、USB主機(jī)設(shè)備地址寄存器(USB Host Device Address)、USB傳輸計(jì)數(shù)器(USB Transfer Count)；第二部分負(fù)責(zé)SL811HS的工作，包括控制寄存器1(Control Register 1)、中斷使能寄存器(Interrupt Enable Register)、中斷狀態(tài)寄存器(Interrupt Status Register)、SOF低位計(jì)數(shù)器(SOF Counter LOW)、硬件版本寄存器(HW Revision Register)，SOF高位計(jì)數(shù)器(SOF Counter HIGH)、控制寄存器2(Control Register 2)。
處理器通過訪問上述寄存器來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制和獲取傳輸狀態(tài)。另外，SL811HS提供了USB-A和USB-B二組USB主機(jī)控制寄存器，因此可以采用乒乓方式進(jìn)行USB傳輸。而數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)則由芯片自動(dòng)完成。
2 硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中采用的DSP是TI公司的TMS320VC5402，它有64KB的I/O空間，映射SL811HS非常簡單。TMS320VC5402與SL811HS的硬件連接圖如圖2所示。
硬件設(shè)計(jì)很簡單，SL811HS的M/S接高電平，工作在主機(jī)模式下；DSP的IOSTRB#作為片選nCS輸入；讀寫信號(hào)的邏輯表達(dá)式分別為：nRD=IOSTRB#+(!R/W#)，nWR= IOSTRB#+R/W#；二者的地址線A0和數(shù)據(jù)線D0~D7對(duì)應(yīng)連接；DSP的輸出XF提供硬件復(fù)位脈沖。此外，由于SL811HS的中斷請(qǐng)求INTR高電平有效，而DSP的中斷是下降沿觸發(fā)，所以INTR要經(jīng)過非運(yùn)算后才能接到INT0#上。經(jīng)過如上的映射，DSP向奇地址I/O空間寫數(shù)據(jù)對(duì)選擇SL811HS的目標(biāo)RAM，訪問偶地址I/O空間時(shí)則傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 SL811HS存儲(chǔ)器讀寫軟件
SL811HS片內(nèi)RAM的訪問可以用2個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)：Wr811hsBuf(u16 address，u16*buffer、u16 length)和Rd811-hsBuf(u16 address，u16*buffer，u16 length)，其中的參數(shù)分別為SL811HS的RAM地址、DSP數(shù)據(jù)單元指針和訪問字節(jié)數(shù)，以下給出它們的源代碼。
void Wr811hsBuf(u16 address，u16*buffer，u16 length)
{ port0000=address；//選擇SL811HS要寫
//的第1個(gè)RAM單元
While(length--)//將DSP緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)
//逐一寫入SL811HS
port0001=*buffer++；//每寫1次，SL811HS
//自動(dòng)指向下一個(gè)RAM單元
}
void Rd811hsBuf(u16 address，u16*buffer，u16 length)
{ port0000=address；//選擇SL811HS要讀的
//第1個(gè)RAM單元
While(length--) //將SL811HS的數(shù)據(jù)
//逐一讀出放到DSP緩沖區(qū)
*buffer++=port0001；//每讀1次，SL811HS
//自動(dòng)指向下一個(gè)RAM單元
}
3.2 USB主機(jī)的Firmware設(shè)計(jì)
USB的設(shè)計(jì)最困難的就是Firmware(固件)設(shè)計(jì)，固件編程要遵循復(fù)雜的USB規(guī)范，所以比硬件設(shè)計(jì)工作量大得多。
主機(jī)端的固件編程可以基于WINCE、VxWorks、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)。Cypress公司網(wǎng)站上有SL811HS在這些RTOS平臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)源碼。但如果系統(tǒng)資源較少，功能比較簡單，也可以不用RTOS，而直接自己編寫SL811HS的USB底層驅(qū)動(dòng)。筆者就是采用了這一方法，故工作量并不大。
USB事務(wù)處理一般由3個(gè)階段組成：令牌階段、數(shù)據(jù)階段和握手階段。令牌階段定義了事務(wù)處理的類型，包括SETUP、IN和OUT；數(shù)據(jù)階段負(fù)責(zé)運(yùn)送和傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)，Data0和Data1二種數(shù)據(jù)包交替使用，以支持雙方的傳輸同步；握手階段由收方向發(fā)方提供反饋，告知數(shù)據(jù)是否正確接收。
在嵌入式USB設(shè)計(jì)中，固件的核心部分是USB傳輸函數(shù)usbXfer。usbXfer管理著USB的事務(wù)處理，其入口參數(shù)有：設(shè)備地址UsbAddr、端點(diǎn)地址Endpoint、令牌包類型PID、端點(diǎn)最大負(fù)荷Payload、傳輸數(shù)據(jù)總長度Length、DSP數(shù)據(jù)緩存區(qū)指針*Buffer。USB傳輸函數(shù)程序流程圖如圖3所示。
USB主機(jī)檢測到設(shè)備連接好后要對(duì)其進(jìn)行配置，稱為設(shè)備的枚舉，該部分固件的核心是設(shè)備請(qǐng)求函數(shù)VendorCmd。VendorCmd構(gòu)建在usbXfer函數(shù)之上，通過調(diào)用usbXfer進(jìn)行若干次的控制傳輸來實(shí)現(xiàn)?？刂苽鬏斢?個(gè)階段組成：建立階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段。建立階段，主機(jī)進(jìn)行SETUP事務(wù)處理，向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求；數(shù)據(jù)階段，由若干個(gè)IN事務(wù)處理或OUT事務(wù)處理組成；狀態(tài)階段，主機(jī)則完成與數(shù)據(jù)階段相反的事務(wù)處理，結(jié)束本次控制傳輸。
設(shè)備的枚舉過程主要包括以下步驟：(1)主機(jī)請(qǐng)求設(shè)備控制端點(diǎn)0，以確定缺省管道支持的最大數(shù)據(jù)量。(2)主機(jī)給USB設(shè)備分配1個(gè)惟一的地址。(3)主機(jī)從描述符中讀取配置信息并加以執(zhí)行。(4)主機(jī)驗(yàn)證設(shè)備所需要的資源是否可以獲得。(5)主機(jī)給USB設(shè)備發(fā)送1個(gè)配置值，指出如何使用該設(shè)備。
枚舉成功后，主機(jī)和設(shè)備就可根據(jù)設(shè)備接口類型，采用相應(yīng)的接口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)控制和傳輸。USB設(shè)備類型主要?jiǎng)澐譃椋阂纛l設(shè)備類、顯示設(shè)備類、人機(jī)接口類、海量存儲(chǔ)器類等。特定的設(shè)備類又劃分為若干個(gè)子類，它們又有可能采用不同的接口協(xié)議傳輸指令和數(shù)據(jù)。以U盤為例，類代碼08h（海量存儲(chǔ)器類），子類代碼06h（SCSI指令集子類），傳輸協(xié)議50h（Bulk-Only傳輸協(xié)議）。按照這些標(biāo)準(zhǔn)，則U盤的操作過程可分為指令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)3個(gè)階段，也就是主機(jī)首先向設(shè)備Bulk-Out端點(diǎn)寫包含SCSI的指令塊（CBW），然后從Bulk-In讀數(shù)據(jù)或向Bulk-Out端點(diǎn)寫數(shù)據(jù)，最后從Bulk-In端點(diǎn)讀取傳輸狀態(tài)（CSW）。
4 結(jié)束語
DSP加上嵌入式USB主機(jī)接口后，一方面可以和設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，另一方面又可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和變換等算法處理。這對(duì)于音視頻信號(hào)等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一個(gè)很好的接口方案。故該系統(tǒng)非常適用于數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行信號(hào)處理的場合。
參考文獻(xiàn)
1 Anderson D.USB系統(tǒng)體系.北京：中國電力出版社，2000
2 Universal Serial Bus Specification Revision 1.1.www.usb.
org，1998
3 Cypress Semiconductor Corporation.SL811HS Datasheet.2002