基于ISP1161的USB HOST技术应用

贵州家电维修网 http://www.gz112.cn 2008-4-29 13:22:07 来源:贵阳蓝天整理



摘要:主要介绍如何利用芯片ISP1161在嵌入式系统中实现USB HOST功能;基于批量传输协议,讲述如何实现数据在USB存储设备上的存储和读写。

    关键词:USB主机 ISP1161 传输协议 批量传输 设备枚举 FAT16

    本文以USB HOST技术为核心,介绍USB HOST技术在单片机上的实现。,重点介绍USB HOST技术在嵌入式系统读写优盘上的应用。

1 USB HOST技术简介

    USB的通信可以用图1表示。图1中,左半部分为USB主机端,可以看出,USB主机端由两部分构成,即软件体和硬件体。实际上是三个软件组件组成了USB HOST解决方案,即USB客户驱动程序、USB驱动程序和USB主机控制器驱动程序。应用程序的事务处理是由USB客户驱动程序(设备驱动程序)启动时,客户驱动程序把USB设备当作一个可以被访问的端点集合,它可以被控制并与它的功能单元进行通信。USB系统软件包括USB驱动程序和USB主控制器驱动程序,USB驱动程序负责配置管理、用户管理、总线管理和数据传输管理;以及数据的位编码、封包、循环校验、发送、错误处理等。

2 基于ISP1161控制器USB HOST的实现原理

    USB控制器大致分为三类:第一类是支持1.0协议的,这类已经很少见了;第二类是支持1.1协议的控制器;第三类是支持2.0协议的控制器。根据不同场合,后两种应用比较广泛,2.0接口主要用在计算机上,依靠操作系统实现数据高速传输。支持1.1协议的芯片除了用于计算机上,还有少数是为嵌入式系统中实现USB HOST而设计的。如Cypress的SL811、Philips的ISP1160、ISP1161等。

基于ISP1161的USB HOST技术应用

    USB主机端的硬件部分是由处理器、USB-HOST控制器和根集线器组成,图2是由微控制器MSP430F149和USB控制器ISP1161实现USB HOST的电路原理。图2分为4个部分:微处理器、USB控制器、电源管理模块和USB接口电路。从概念上还应有一个USB根集线器(USB Hub),实际根集线器被集成在USB HOST控制器中。

    ISP1161是Philips设计的USB主机/设备控制器。内部有1个USB主机控制器和1个设备控制器,符合USB2.0协议,支持全速和低速传输。主机和设备控制器共享相同的接口总线,带有2个USB下行端口和1个USB上行端口。图2中使用接口1作为HOST下行端口。每个下行端口有各自的过流检测电路,图2中使用PHP109检测端口供电电流,高于500mA将停止对总线供电。

    MSP430和ISP1161的数据传输可以通过PIO(程控输入输出)方式或DMA(直接存储器访问)方式进行传输,在ISP1161进入工作状态前,要进行一系列初始化,包括检测器、复位控制器、初始化硬件配置、设置中断、设置Buffer(缓冲区)大小等。使ISP1161的主机控制器处于工作状态,真正用于发送到总线的数据被放置于ISP1161内部的缓冲区内。

    这时值得一提的是“传输描述符”这个概念,它是ISP1161工作的核心概念。在缓冲区内放置的数据是以传输描述符为单位,传输描述符作用是描述了本次传输需要完成的任务。描述符分为描述符头和描述符负载数据。描述符头表征了这个描述符的传输类型、封包最大宽度、传输速度、传输对象、传输端点、负载数据的长度等。传输描述符的另一个作用体现在传输后。每次传输执行完毕后,传输描述符的内容会有相应的改变,体现在传输描述符头中,表征了本次传输的结果,包括传输了多少字节,传输中发生了什么错误等。

3 USB主机端对设备的枚举

    从USB设备插入接口开始到客户驱动程序能够使用该设备还有一段路径,这一段就被称作为设备的识别过程,又成为枚举过程。枚举过程是任何USB设备使用前必经的过程。USB主机端需要知道这是一个低速设备还是全速设备,需要知道这个设备具有的能力,以便载入相应的设备驱动程序,下面具体介绍一下实现步骤。

    首先,捕捉设备的插入。USB设备是即插即用设备,系统在设备插入的瞬间要捕捉到这一信息,ISP1161是通过内部的Hub完成这一任务的。Hub端口的两根信号线(D+和D-)的每一根都有一个子15kΩ的下拉电阻,而一个设备在D+(全速设备)或D-(低速设备)上有一个1.5kΩ的上拉电阻。当设备插入到一个端口时,设备的上位电阻信号为高。Hub以此检测到一个设备已连接上了,并报告给主机控制器,然后,在与处理器的接口上产生中断。主机知道后,通过读取Hub相关寄存器来了解诸如设备速度等更多信息。

    而后,Hub重新设置该设备。当主机知道有一新设备时,主机给Hub相关寄存器写命令,让Hub来重新设置端口。Hub使设备的USB数据线处在重启状态(D+和D-均为逻辑低)至少10ms,当Hub释放了重启状态,设备就处在默认状态了(D+和D-均为逻辑低)至少10ms,当Hub释放了重启状态,设备就处在默认状态了(设备的USB寄存器已经处在它们的默认状态)。此时,设备已准备发通过Endpoint 0的默认流程来响应控制流程。

基于ISP1161的USB HOST技术应用

    最后,主机通过控制传输通道完成设备的枚举。主机端先送一个Get_Descriptor(获取描述符)请求来知道默认流程最大包的大小,主机发送请求给设备地址0,端点0。然后通过发送一个Set_Address(设定地址)请求来分配一个单独的地址给设备。设备读取这个请求,返回一个确认且保存新的地址。知道设备的能力主机给新地址发送一个Get_Descriptor请求来读取这个设备完整的描述符,包括Endpoint 0最大包的大小,设备支持的配置号,以及该设备的其它信息,主机将这些信息用于往后的通信中。而后发出(Set_configuration)设定配置请求,以该配置号配置设备。设备就完全正确处于可操作状态。主机此时就可以加载相应的客户驱动程序,对设备进行操作了。

4 数据在存储设备和主机之间的传输

    下面将以嵌入式系统读写优盘为例介绍USB HOST的应用。首先将介绍一下数据在存储设备和主机之间的传输。

    除了上面提到的控制(control)传输外,还有三种传输方式:同步(isochronous)传输、中断(interrupt)传输、批量(bulk)传输,主机将根据设备的特点决定采用什么传输方式。USB存储设备和USB主机之间的传输方式是批量传输。为了能够更详细的说明问题,先简要说明一下BULK-ONLY传输协议。

    USB存储设备使用的传输方式都是批量传输方式,一则它不受时间限制;二则能保证数据的完整性。在这种传输方式下,有三种类型的数据在USB和设备之间传送,CBW、CSW和普通数据。图3描述了主机端数据传输的顺序,CBW(命令块封包)是从USB主机发送到设备的命令,USB主机发送到设备的命令,USB设备需要将命令从CBW中提取出来,执行相应的操作。完成以后,向HOST端发出回答,即当前命令执行状态的CSW(命令状态封包)。主机根据CSW来决定是否继续发送下一个CBW或是数据。

    从图3中可以看到数据段被一分之二,一个是数据出,这表示主机发送数据给设备;另一个为数据入,表示主机从设备处得到数据。典型诮就是读取存储设备数据和写入设备数据。下面介绍一下该过程如何在基于ISP1161的嵌入式系统中实现。

    主机发送CBW,这个CBW本身作为传输描述符的负载数据传输到设备。CBW的封包也包括两个部分,封包头和命令块。封包头表征了数据传输方向传输的逻辑单元和命令块长度;命令块是真正需要实现的命令。根据设备的不同,命令块使用的命令簇也不一样,基本上分为两类,一类是UFI指令集,另一种采用SCSI指令集。

    普通数据阶段,数据将占据整个传输描述的负载数据长度,需要送出的数据在发送前要装入缓冲区。读入时,数据在传输描述符执行完会自动放入负载数据部分。

    CSW阶段反映该命令的完成情况,包括CSW标志、还需要传输的数据长度、正确返回标志等。

5 单片机对存储设备的读写

    对USB存储设备的读写需要对存储体的格式有一定了解。当前USB存储体多数为FAT16和FAT32格式,还有极少数的使用FAT12格式。FAT16多见于优盘,而FAT32多见于移动硬盘。这里简价介绍优盘普遍采用的一种文件格式:FAT16。对于只有一个分区FAT16格式的优盘,它的结构依次是主引导区(BOOT SECTOR)、隐藏扇区、逻辑盘引导区(BOOT SECTOR)、FAT区、根目录区、数据区。

基于ISP1161的USB HOST技术应用    主引导区由MBR(Master Boot Record),DPT(Disk Partition Table)和Boot Record ID三部组成。MBR又称作主引导记录区,存放系统主引导程序;DPT即主分区表,记录了磁盘的基本分区信息;Boot Record ID为引导区标志。逻辑分区的Boot SECTOR由已跳转指令、硬盘分区类型的文本字符名、分区参数块、扩展的分区参数块和启动指令块组成。FAT(File Allocation Table,文件分配表)、记录簇的使用情况。根据目录区中存放目录项,每个目录项为32个字节,记录一个文件或目录的信息(长文件名例外)。数据区记录了文件和目录数据区,位于目录项所占的最后一个扇区之后,最真正存放文件数据或是子目录的位置。

    文件的读写实际上是USB BULK-ONLY Protocol(USB批量传输协议)和文件系统协议的具体实现,下面以文件系统为FAT16的设备为例,讲述如何读取一个位于根目录下名为“read.txt”的文件和在该目录下写入一个名为“write.txt”的文件。

    读取和写入数据之前,需要了解的该存储设备的全部信息。包括扇区大小,FAT表长度,簇的大小等。该部分信息可以通过读取主引导区和逻辑引导区获得。

    读取文件的时候,大致按如下顺序,读根目录→读FAT1→读数据区,具体步骤如下。首先找到文件名所在的位置,根目录下的文件和目录均在根目录区,每一个目录或文件项占用32个字节,每次读取一个扇区,比较数据,没有则继续读下一个扇区,直到找到该文件。在这32个字节中,第26~27字节表征了文件开始簇号,28~31字节表征了文件大小。根据开始簇号,搜索FAT区,找到文件簇链,依次读取对应簇,即可完整的得到文件数据。

    写“write.txt”稍有不同,大致可以按这样的顺序号,写FAT1→写FAT2→写根目录区→写数据区。具体来说,先读取FAT区,搜索可用簇,标记为文件开始簇号,继续搜索,找到下一可用簇,并在上一可用簇标示(00 00)处写入该簇号,依次下去,直至写完簇链,并将最后一个簇标志为文件的结束簇。这里需要注意的是:FAT区有两份,是同样的内容,写完了FAT1,将FAT2相应位置写入同样的数据。下一步就是写文件名,在根目标区搜索可用的根目录项,将文件名、时间、起始扇区、文件大小等写入该目录项。这时优盘上已经有了一个名为“write.txt”的文件,但是文件的内部还未写入,下一步根据文件开始簇号,将文件的内容写入簇链中对应的簇。至此,整个文件的写入就大功告成。

6 小结

    一个USB HOST要完成的功能因为需求不同,所使用的协议也不尽相同,有的采用中断传输,有的采用同步传输。USB主机技术在单片机上的应用主要是针对某一种USB设备或几种设备,因而单片机上可以只固化某几种协议。该技术的应用可以使得小型仪器上轻松接入USB外设、扩展系统的功能、提高仪器的使用灵活性。USB主机技术在单片机上的应用会有更广泛更美好的前景。

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