嵌入USB控制器的51系列单片机EZ-USB的应用论文.doc

嵌入usb控制器的51系列单片机ez-usb的应用主要介绍嵌入usb控制核的51系列单片机ez-usb的特性及传输与控制机理。该内核可帮助usb外设开发者完成usb协议中规定的80%90%的通信工作,是usb外设研制者的理想选择。文中还对使用不同的usb芯片组成的应用系统作了比较。 1概述随着pc的广泛应用,其外设也越来越多,打印机、鼠标、扫描仪、游戏杆、音箱,每个外设都需要通过一个接口与pc相连。外设多了,pc的i/o插口自然也就不够用了。在很多特定的应用场合,如工业数据采集等领域,常常用采集板卡来完成工作,而每一个板卡自然会占用一个pc插槽。pc插槽有限。采集点多了就不够用。除此之外,在个人电脑的应用中,外围设备存在很多问题。这些问题大致可以归结到成本、配置以及个人电脑的连接等几个方面,而usb正是为了解决这些问题而出现的一种方案。简而言之,usb的出现不仅解决了i/o插口不够的问题,而且还建立了一条连接和访问外设的方法。这些方法可以有效地减少总体成本,而且从终端用户的角度来看,可以增加可连接的外设数目,简化设备的连接和配置。通用串行总线usb是由intel等厂商制定的连接计算机与具有usb接口的多种外设之间的串行总线。其拓扑结构如图1所示。图1usb的层次拓扑图usb的特性有：成本低。为了把外设连接到pc上,usb提供了一种低成本的解决方案。热插拔。设备连接后由usb自动检测,并由软件自动配置,完成后可立即使用,无须用户干涉。单一的连接器类型。usb定义了一种简单的连接器,可以用来连接任何一个usb设备。多个连接器可以通过usb集线器连接。每个usb总线支持127个设备的连接。usb支持三种设备传输速率：1.5mb/s（低速设备）、12mb/s（中速设备）和480mb/s（高速设备）。外设能够直接由usb总线进行供电。不需要系统资源（如内存、i/o地址空间和中断请求线路）。usb事务处理包括错误检测机制,它们用以确保数据无错误发送。电源保护。如果连续3ms没有总线活动,usb将自动进入挂起状态。支持四种类型的传输方式：块传输、控制传输、中断传输和同步传输。2通用usb控制系统的组成结构在每一个usb设备中都有一个串行接口引擎（sie）。sie与usb数据线的d+和d-两个引脚相连,与usb设备进行字节传送。图2表示一次usb块传输,时间顺序从左到右。sie对pid信息包进行解码,并通过传送的crc位对数据进行错误检测,然后,将有效数据送到usb设备。如果sie检测到一个出错的数据,它并不是发出一个握手信号,而是自动地不进行响应,并告诉主机延时重发。图2sie的功能由于usb被设计成可以用简便有效的方法来与多种类型的外设通信,没有现有接口的局限性和缺点,这样,导致了对usb接口的设计和编程更加复杂。为了降低设计者的开发难度,使用专用的usb控制器已成为研制人员的首选方案。usb协议的复杂性意味着usb外设必须具备智能。usb控制器必须知道如何检测并对usb端口的事件做出反应。一般的做法是：usb控制器只处理usb通信,由一个外部的微控制器（mcu）来管理usb控制器的寄存器、设备描述符的获取和数据包的交换等,如图3所示。图3通用usb设备的组成结构表1所示为可与一般微控制器连接的usb控制器。usb控制器使用串行口或并行口与mcu连接。这样,外部接口可能比usb最大速度要慢,使得芯片只适合传送间歇数据。这样设计的好处是系统组成灵活,可根据不同的系统需求,搭配不同的mcu,使其具有很高的性能价格比;但同时也加大了编程设计人员的开发难度,延长了产品的开发周期。另一种可行的方法是使用嵌入mcu的usb控制器。这样,cpu只需要访问一系列寄存器和存储器,便可实现usb口的数据传输。从而简化了程序的设计,并且许多供应商还提供许多范例电路和测试代码,使设计者从复杂的协议解释中得到解脱。现在,许多芯片制造商开始生产一些基于通用mcu的usb控制器,采用研制人员所熟知的指令集,大大简化了编程的难度。如基于8051结构的usb控制器有：intel公司的8x930a、8x931a;cypress公司的ez-usb等。此外,还有基于mitsubishi740/7600/m16c的usb芯片;基于motororahc05系列的usb芯片等。受篇幅所限,本文仅介绍ez-usb2100系列单片机。3ez-usb组成结构及特性美国cypress公司是一家从事usb接口芯片和usb单片机开发和生产的公司。cypress最新推出的带智能usb接口的单片机ez-usb,极大地降低了usb外设的开发难度,为pc外设的制造商提供了一个性能优良、价格较低的设计方案。ez-usb有多个系列的产品,根据不同的速率需求,可满足不同的系统要求和价格。cypress提供三个系列的ez-usb芯片,如表2和表3所列。表2cypress的ez-usb系列产品表3ez-usb2100系列产品3.1ez-usb芯片组成结构ez-usb芯片将usb接口的控制核整合到单片机集成电路中,如图4所示。集成的usb收发模块与usb总线的d+和d引脚相连。sie进行串行数据译码和错误更正,以及其他usb所要求的信号级操作等,最后,再与usb收发模块接口进行数据字节的传输。图4ez-usb的组成框图内部的微处理器在标准8051上缩短了执行时间并增加了新的特性。它用内部sram存储程序和数据,使ez-usb系统具有软配置的特性。usb主机经usb总线将8051的程序代码和描述符装入sram中,然后,ez-usb芯片用已下装程序中定义的外设特性进行重新连接,这个过程也叫再枚举。ez-usb系列使用了强大的sie/usb接口（称为usb内核）。这个具有强大功能的内核可以自动完成usb协议的转换,简化8051的代码。ez-usb芯片在3.3v电压下就可以运行,简化了usb设备总线电压的设计。3.2ez-usb特性改进的8051内核。性能可达到标准8051的510倍,与标准8051的指令完全兼容。高度集成。传统usb外设的硬件设计通常包括非易失性存储器（如eprom、eeprom、flashrom）、微处理器、ram、sie（串行接口引擎）和dma等。ez-usb将上述多个模块集成在一个芯片中,从而减少了各芯片接口部分时序配合时的麻烦。usb内核。ez-usb可以代替usb外设开发者完成usb协议中规定的80%90%的通信工作,使得开发者不需要深入了解usb的低级协议即可顺利地开发出所需要的usb外设。ez-usb系列芯片接收全部usb的吞吐量。这种采用ez-usb的设计,不受端点数目、缓冲区大小及传输速度的限制。软配置。外设未通过usb接口连接到pc机之前,外设上的固件存储在pc上;一旦外设接到pc机上,pc先询问该外设是谁（即读设备描述符）,然后,将该外设的固件下载到ez-usb的ram中并执行,这个过程叫作再枚举。这个特性给usb外设开发者带来许多方便。如开发过程中,当固件需要修改时,可以在pc机上修改好以后,下载到ez-usb,从而省去了编程芯片的麻烦。这种基于ram的软配置方法,可以允许无限的配置和升级。易用的软件开发工具。固件可独立于驱动程序被测试。驱动程序和固件的开发与调试相互独立,可加快开发的速度。4ez-usb微处理器ez-usb微处理器是一个改进的8051内核,使用标准8051指令系统,其指令执行速度比标准8051快,原因有两点：空闲（wasted）的总线周期被消去。一个总线周期仅包含4个时钟周期,而标准8051则为12个时钟周期。8051的运行速度为24mhz。除了速度的提高,改进的8051内核还有以下几处结构上的改进：第二个数据指针,可用于存储器块之间的传输;第二个uart;第三个16位计数器/定时器（timer2）;与非多路复用16位地址总线的高速存储器直接接口;增加了7个中断源（int2int5、pfi、t2和uart1）;可变的movx执行时间可适应高/低速的ram外设;256字节的内部寄存器ram,8k字节的程序/数据复合sram;3.3v工作电压。ez-usb集成芯片在8051的基础上又有其他改进：快速外部数据块传输（指针自动增量,快速传输模式）;usb中断向量;control传输的setup和data部分有各自的缓冲器。4.1an2131q的封装和引脚描述图5是ez-usb2100系列中80引脚封装的an2131q的引脚排列图。图580引脚的pqfp（an2131q）各引脚功能分述如下：discon#：引脚1,输出。该引脚由两个位discoe和discon控制。当discoe=0时,引脚悬空;当discoe=1时,驱动引脚。当discoe=1时,驱动的逻辑级与discon位相反。usbd,usbd+：引脚77,79,高阻态。usbd+/d信号。将24振荡器与usbd+/d引脚相连。a0a15：引脚712,15,16,2629,3437输出。8051地址总线。d0d7：引脚4851,5760,i/o/高阻态。8051数据总线。该双向总线空闲时处于高阻状态,总线读时为输入,总线写时为输出。psen#：引脚80,输出。程序存储器使能端。引脚接低电平时有效,表示从外部存储器中读取程序。当ea为低电平时,程序存储器的地址从0x1b40开始;当ea为高电平时,程序存储器的地址从0x0000开始。pa0pa7：引脚6871,7376,i/o。多功能输入/输出引脚。pb0pb7：引脚4447,5255,i/o。多功能输入/输出引脚。pc0pc7：引脚3033,3841,i/o。多功能输入/输出引脚。bkpt：引脚61,输出。断点。当8051地址总线与bpaddrh/l寄存器的内容一致,且usbbav寄存器中的断点使能（bpen）时,该引脚被激活（高电平）。如果usbbav寄存器中的bppulse位为高,就产生8个24mhz的高电平的时钟脉冲;如果bppulse位为低,保持高电平直到8051清除usbbav寄存器中的break位（写1）。reset：引脚25,输入。有效高电平复位。使8051和sie复位。该引脚一般通过1个10k电阻接地,用1个1f电容接vcc。ea：引脚24,输入。访问外部存储器。该引脚有效（hi）时,8051并不是从内部程序ram中获得代码,而是从外部存储器中读取代码。当ea=0时,8051从外部存储器的0x1b40地址（an2131）开始读取代码。avcc：引脚21,电源。analogvcc（模拟电源）。该引脚为芯片的模拟部分提供电源。agnd：引脚18,电源。analogground（模拟地）。尽可能以最短路径接地。xin：引脚19,输入。晶振输入。该引脚经由12mhz晶振和2233pf电容接地。它也能用12mhz的时钟电路驱动。xout：引脚20,输出。晶振输出。该引脚经由12mhz晶振和2233pf电容接地。当xin由12mhz时钟电路驱动时,该引脚悬空。wakeup#：引脚66,输入。usb唤醒。当8051挂起时,该引脚上的一个上升沿可开启振荡器,向8051发出中断,请求推出挂起状态。维持wakeup#的低电平可避免ez-us芯片进入挂起状态。scl：引脚65,od（漏极开路）。i2c时钟。即使没有i2c设备相连,也要用2.2k电阻接vcc。sda：引脚64,od（漏极开路）。i2c数据。即使没有i2c设备相连,也要用2.2k电阻接vcc。clk24：引脚4,输入。24mhz时钟,可锁定为12mhz输入时钟。当cpucs寄存器中的outclken=0时没有输出。nc：引脚67。该引脚不连接。软配置是ez-usb系列芯片的一个重要特性。ez-usb芯片中包含内部程序/数据ram,不再需要rom或其他固定的存储器。通过usb本身将程序下载到ram中,为设备提供独特的特性,使得修改、版本更新更容易。ez-usb可作为usb设备进行连接,当内部8051处于复位状态时,将程序下载到内部ram。这一切都是由改进的sie完成的,它可以进行图2中的所有操作,甚至更多。sie包含其他逻辑,可用内部描述符表进行枚举操作。它也能响应主机发出的特殊的下载固件设备请求,将固件装入内部ram。还有一点值得一提的是,增加的sie功能可用于8051。这一特点可缩减8051程序,加快程序的执行。5ez-usb的枚举和再枚举pc机运行时,若插上或拔去一个usb设备,windows系统便会自动装载或卸去设备的驱动程序,即所谓的即插即用。这一系列动作的自动完成归因于在每一个usb设备里都有一个描述符表,记录了设备的要求和性能。当插上usb时,要经过以下几个步骤：主机向地址0发送get_descriptor/device请求（设备第一次连接时,必须响应地址0）;设备响应该请求,并将id数据发送给主机;主机向设备发出set_address请求,给设备提供一个唯一的地址,以区别其他与总线相连的设备;主机发出get_descriptor请求,获取更多的设备信息。据此,主机可以了解到该设备的其他情况,如该设备的端点个数、电气要求、所需带宽,然后下载程序。为了支持软特性,ez-usb芯片能自动地作为一个不需要固件的usb设备进行枚举,所以,usb接口本身可用来下载8051的程序和描述符表。当8051复位时,ez-usb的内核进行最初（通电）的枚举和下载。这种支持程序下载的最初usb设备被称为默认的usb设备。在代码描述符表从主机中下载到ez-usbram后,8051脱离复位状态,开始执行设备程序。ez-usb设备再次枚举,这一次是作为装入的设备。第二次枚举称为再枚举。再枚举的完成是ez-usb芯片通过给usb加电,模拟物理断开和重连接来完成的。被称为renum（再枚举）的ez-usb控制位决定由内核及8051中的哪一个实体处理端点的设备请求。通电时,renum位（usbcs.1）为0,表示ez-usb内核自动处理设备请求。一旦运行8051,它能设renum=1,表示用户8051程序用它下载的固件处理子设备请求。6ez-usb端点由于usb是串行总线,因此设备端点实际上是一个fifo存储器。主机通过发出4位地址及1位方向位,选择设备端点。所以,usb可定位32个端点：in0in15和out0out15。8051从out缓冲区中读取端点数据,将通过usb传输的端点数据写入in缓冲区。usb端点有四种类型：块（bulk）、控制、中断、同步。6.1块端点块端点无方向控制,一个端点地址对应一个方向,所以,端点in2的地址不同于端点out2。ez-usb提供了14个用于块传输的端点,包括7个in端点（ep1_inep7_in）和7个out端点（ep1_outep7_out）。每一个端点都有1个64字节的缓冲区。6.2控制端点0控制端点用于传输控制信息。任一个usb设备必须有默认的控制端点0。设备的枚举（即第一次插上该设备时,主机对其进行初始化的过程）就是由端点0引导的。主机通过端点发送所有的usb请求。控制端点是双向的,它只接受setup信号。控制传输包含两个或三个阶段：setup、data（可选）和handshake。6.3中断端点中断端点与块端点大致相同。14个ez-usb端点（ep1ep7、in和out）可用作中断端点。中断端点的信息包的最大长度可达到64字节,在它们的描述符中包含一个轮询间隔字节,告诉主机为之服务的频率。8