USB接口芯片SL811HS的性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的說明

介紹了CYPRESS公司生產(chǎn)的主／從雙工作模式USB接口芯片SL811HS的性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給出了SL811HS芯片在單片機(jī)系統(tǒng)中擴(kuò)展ＵＳＢ接口的硬件電路，同時給出了該系統(tǒng)的USB驅(qū)動程序及實現(xiàn)Ｕ盤讀寫功能的應(yīng)用程序。

１ 引言

ＵＳＢ（通用串行總線）是ＩＮＴＥＬ、ＤＥＣ、ＭＩ-ＣＲＯＳＯＦＴ、ＩＢＭ等公司聯(lián)合提出的、最近幾年逐步在ＰＣ領(lǐng)域廣為應(yīng)用的新型接口技術(shù)。ＵＳＢ接口通用性好、實時性強(qiáng)、傳輸方式多樣、成本低、支持即插即用、易于擴(kuò)展且便于使用，這些優(yōu)點使其得到許多硬件廠商的青睞。目前各種類型的ＵＳＢ產(chǎn)品已大量涌入市場，同時也被廣泛地用在ＰＣ機(jī)及嵌入式系統(tǒng)中。

ＵＳＢ的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中居核心地位的是Ｈｏｓｔ（也稱為主機(jī)），任何一次ＵＳＢ數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機(jī)發(fā)起和控制，所有的ＵＳＢ外設(shè)都只能和主機(jī)建立連接，任何兩個外設(shè)之間或是兩個主機(jī)之間無法直接通信。而目前，扮演主機(jī)角色的大多是個人電腦ＰＣ。而我們買到和使用的ＵＳＢ移動設(shè)備都是ＵＳＢ外設(shè)（ｄｅｖｉｃｅ），如ＵＳＢ的移動硬盤、ＵＳＢ接口的數(shù)碼相機(jī)等。所有這些設(shè)備都只能在ＰＣ上或通過ＰＣ來進(jìn)行文件和數(shù)據(jù)交換。沒有了ＰＣ，這些設(shè)備就“失靈”了（指數(shù)據(jù)交換的功能）。

５１系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)高可靠性、高性價比吸引了大量國內(nèi)用戶，被廣泛應(yīng)用于測控和自動化領(lǐng)域。用５１系列單片機(jī)實現(xiàn)ＵＳＢ主機(jī)接口，進(jìn)而實現(xiàn)對ＵＳＢ外設(shè)的控制，對提高整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制等性能都有很大的作用。本文使用５１系列單片機(jī)Ｗ７８Ｅ５４和ＵＳＢ接口芯片ＳＬ８１１ＨＳ設(shè)計了一個ＵＳＢ主機(jī)接口，通過該接口可實現(xiàn)對ＵＳＢ外設(shè)Ｕ盤的讀寫控制，從而實現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)存儲＊。

２ＳＬ８１１ＨＳ的結(jié)構(gòu)性能

ＳＬ８１１ＨＳ是ＣＹＰＲＥＳＳ公司生產(chǎn)的、可支持全速數(shù)據(jù)傳輸?shù)模眨樱?a target="_blank">控制芯片該芯片采用２８腳ＰＬＣＣ和４８腳ＴＱＦＰ兩種封裝形式，且內(nèi)含ＵＳＢ主／從控制器，支持全速（ｆｕｌｌ－ｓｐｅｅｄ）／低速ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ數(shù)據(jù)傳輸，并能自動識別低速或全速設(shè)備。ＳＬ８１１ＨＳ所提供的接口遵從ＵＳＢ１．１標(biāo)準(zhǔn)，可與微處理器、微控制器、ＤＳＰｓ相連，也可直接與ＩＳＡ、ＰＣＭＣＩＡ及其它總線相連。ＳＬ８１１ＨＳ的數(shù)據(jù)接口與微處理器進(jìn)行接口可提供８位數(shù)據(jù)Ｉ／Ｏ或雙向ＤＭＡ通道，并能以從機(jī)操作方式支持ＤＭＡ數(shù)據(jù)傳輸。此外，通過中斷支持還可以輕松地與Ｍｏｔｏｒｏｌａ、Ｉｎｔｅｌ 及其它眾多類型的標(biāo)準(zhǔn)微處理器或微控制器相連。ＳＬ８１１ＨＳ內(nèi)部有一個２５６字節(jié)的ＲＡＭ，可用做控制寄存器或數(shù)據(jù)緩沖器。ＳＬ８１１ＨＳ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。

３ 和微控制器的硬件接口

圖２所示是５１系列微控制器Ｗ７８Ｅ５４與ＳＬ８１１ＨＳ的連接電路。在該設(shè)計硬件時，由于所選用的５１系列單片機(jī)Ｗ７８Ｅ５４及其周圍元件的工作電壓為５Ｖ，而ＳＬ８１１ＨＳ的工作電壓為３．３Ｖ，所以系統(tǒng)應(yīng)同時提供５Ｖ和３．３Ｖ電源；雖然ＳＬ８１１ＨＳ可以使用１２ＭＨｚ晶振，但在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，如果晶振質(zhì)量不太好，電路穩(wěn)定性就會比較差，因此，設(shè)計時推薦使用４８ＭＨｚ晶振；由于ＳＬ８１１ＨＳ的中斷請求輸出的是高電平，因此需要用反向器把它變換成低電平以滿足Ｗ７８Ｅ５４中斷輸入要求；此外，ＳＬ８１１ＨＳ是低電平復(fù)位；其ＵＳＢ插座的電源接口也應(yīng)作５００ｍＡ限流處理以保護(hù)系統(tǒng)。

４ 軟件設(shè)計

ＵＳＢ軟件設(shè)計分為２部分，一是針對ＳＬ８１１ＨＳ芯片編寫ＵＳＢ主機(jī)控制器驅(qū)動程序；二是系統(tǒng)調(diào)用驅(qū)動程序來完成Ｕ盤數(shù)據(jù)讀寫的應(yīng)用程序。

４．１ 主控制器驅(qū)動程序設(shè)計

ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序是開發(fā)ＵＳＢ外設(shè)的關(guān)鍵，ＵＳＢ協(xié)議的復(fù)雜性導(dǎo)致了ＵＳＢ驅(qū)動程序內(nèi)容的多樣性。本文只介紹主機(jī)完成Ｕ盤數(shù)據(jù)讀寫功能所需的主要模塊，包括初始化模塊、枚舉模塊、讀字節(jié)模塊、寫字節(jié)模塊、讀緩沖區(qū)模塊、寫緩沖區(qū)模塊等。

初始化模塊用來設(shè)置ＳＬ８１１ＨＳ的主／從機(jī)工作模式、全速或低速工作方式、內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)等；而枚舉主要是指主機(jī)監(jiān)測到Ｕ盤插入時，主機(jī)和Ｕ盤之間產(chǎn)生的一個過程。當(dāng)枚舉發(fā)生時，主機(jī)首先自動發(fā)出查詢請求，Ｕ盤回應(yīng)這個請求，并送出設(shè)備的Ｖｅｒｄｏｒ ＩＤ和Ｐｒｏｄｕｃｔ ＩＤ然后由主機(jī)根據(jù)這兩個ＩＤ裝載相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，以完成枚舉過程。通過枚舉不但可為Ｕ盤設(shè)定設(shè)備地址，而且可以得到Ｕ盤端點的描述表及Ｕ盤支持協(xié)議，之后就可以根據(jù)Ｕ盤所屬的子類及協(xié)議對Ｕ盤進(jìn)行操作。

在本系統(tǒng)中，ＳＬ８１１ＨＳ占用的地址空間為０ｘＡ０００－０ｘＢＦＦＦ，下面的讀寫函數(shù)中采用“自動地址增加模式”來降低ＳＬ８１１ＨＳ讀寫設(shè)備時占用的系統(tǒng)資源：

ｘｄａｔａ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＳＬ８１１_ＡＤＤＲ_ａｔ ０ｘＡ０００;

／／ＵＳＢ主機(jī)控制寄存器地址

ｘｄａｔａ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＳＬ８１１_ＤＡＴＡ _ａｔ_ ０ｘＡ００１;

／／ＵＳＢ主機(jī)數(shù)據(jù)基址

ｖｏｉｄ ｗｒ８１１（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ａｄｄｒｅｓｓ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｖａｌｕｅ）

{ ＳＬ８１１_ＡＤＤＲ ＝ ａｄｄｒｅｓｓ;

ＳＬ８１１ ＤＡＴＡ ＝ ｖａｌｕｅ;} 

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｒｄ８１１（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ａｄｄｒｅｓｓ）

{ ＳＬ８１１_ＡＤＤＲ ＝ ａｄｄｒｅｓｓ;

ｒｅｔｕｒｎ ＳＬ８１１_ＤＡＴＡ;}

下面是讀寫緩沖區(qū)的代碼函數(shù)：

／／ ａｄｄｒ ＝ 緩沖區(qū)起始偏移地址

／／ ｓ ＝ 進(jìn)行緩沖區(qū)讀寫操作時的數(shù)據(jù)指針

／／ ｃ ＝ 進(jìn)行緩沖區(qū)讀寫操作時的數(shù)據(jù)數(shù)量

ｖｏｉｄ ＳＬ８１１ＢｕｆＲｅａｄ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ａｄｄｒ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ｓ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｃ）

{ ＳＬ８１１_ＡＤＤＲ ＝ ａｄｄｒ;

ｗｈｉｌｅ（ｃ－－）

{ ＊ｓ＋＋＝ ＳＬ８１１_ＤＡＴＡ;}

}

ｖｏｉｄ ＳＬ８１１ＢｕｆＷｒｉｔｅ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ａｄｄｒ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ｓ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｃ）

{ ＳＬ８１１ ＡＤＤＲ ＝ ａｄｄｒ;

ｗｈｉｌｅ （ｃ－－）

{ ＳＬ８１１_ＤＡＴＡ＝＊ｓ＋＋;}

}

４．２ 應(yīng)用程序設(shè)計

ＵＳＢ總線一般包含四種基本數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸、中斷傳輸、批傳輸以及同步傳輸，本系統(tǒng)使用的是控制傳輸和批腀輸。這面以愛國者迷你王Ｕ盤為例，介紹在該盤上建立目錄及寫文件的具體方法。

愛國者迷你王（６４Ｍ）屬Ｍａｓｓ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｌａｓｓ，支持Ｂｕｌｋ－ｏｎｌｙ傳輸，命令集為ＳＣＳＩ傳輸命令集。Ｂｕｌｋ－Ｏｎｌｙ傳輸時，其命令、數(shù)據(jù)及狀態(tài)均通過Ｂｕｌｋ端點傳送。愛國者迷你王（６４Ｍ）有三個端點，端點０為缺省控制通道，端點１為Ｂｕｌｋ ｏｕｔ端點，端點２為Ｂｕｌｋ ｉｎ端點。首先要用ｒｅａｄ（讀ｂｌｏｃｋ ０）及 ｒｅａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ 命令讀?。毡P參數(shù)，隨后即可對Ｕ盤進(jìn)行讀寫。

其中ｄＣＢＷＳｉｇｎａｔｕｒｅ的值為４３４２５３５５ＬＳＢ，表示當(dāng)前發(fā)送的是一個ＣＢＷ；將ｄＣＢＷＴａｇ的內(nèi)容在狀態(tài)階段原樣發(fā)送給ＨＯＳＴ可以驗證命令執(zhí)行的是否正確；ｄＣＢＷＤａｔａＴｒａｎｓｆｅｒＬｅｎｇｔｈ為數(shù)據(jù)階段要傳送的字節(jié)數(shù)；ＢｍＣＢＷＦｌａｇｓ表明數(shù)據(jù)階段傳送的方向；Ｒｅ-ｓｅｒｖｅｄ是保留位，通常可以置零；ｂＣＢＷＬＵＮ用于指明該命令傳送給哪個邏輯單元；ＢＣＢＷＣＢＬｅｎｇｔｈ為后續(xù)字符串中命令字節(jié)的長度，ＣＢＷＣＢ為真正要傳送的命令。ＣＢＷ命令發(fā)出后，Ｕ盤從ＣＢＷ中解析出ＣＢ-ＷＣＢ然后執(zhí)行相應(yīng)的操作，之后返回一個ＣＳＷ命令塊，表明命令執(zhí)行情況。愛國者迷你王（６４Ｍ）每次至少讀取或?qū)懭耄担保沧止?jié)，因此在改寫某些字節(jié)時，必須把整個邏輯塊一次讀出，修改后再一次性寫入。

用Ｗ７８Ｅ５４控制ＳＬ８１１ＨＳ來讀寫Ｕ盤的工作過程可以簡單地概括為：當(dāng)ＳＬ８１１ＨＳ從ＵＳＢ總線檢測到Ｕ盤插入后，通過中斷方式將此信息通知系統(tǒng)，系統(tǒng)通過調(diào)用枚舉模塊可以獲得與此次傳輸有關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)具體的傳輸參數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)讀寫模塊以對ＳＬ８１１ＨＳ的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的操作，最終完成對Ｕ盤的讀寫。其寫文件流程圖見圖３所示。

５ 結(jié)束語

使用ＵＳＢ主機(jī)接口控制器ＳＬ８１１ＨＳ實現(xiàn)對Ｕ盤的讀寫，可為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)存儲提供一種通用、方便和可靠的解決方案，目前該方案已成功應(yīng)用到筆者自主研發(fā)的溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)中，并經(jīng)過長時間測試證明了它的實用性和可靠性。由于ＳＬ８１１ＨＳ同時具有從機(jī)工作模式，因此，也可將此方案經(jīng)簡單修改后開發(fā)ＵＳＢ接口從設(shè)備，從而滿足不同場合的需要。