USB接口芯片SL811HS的性能与内部结构及在单片机系统中应用的说明
介绍了CYPRESS公司生产的主／从双工作模式USB接口芯片SL811HS的性能与内部结构，给出了SL811HS芯片在单片机系统中扩展ＵＳＢ接口的硬件电路，同时给出了该系统的USB驱动程序及实现Ｕ盘读写功能的应用程序。
１ 引言
ＵＳＢ（通用串行总线）是ＩＮＴＥＬ、ＤＥＣ、ＭＩ-ＣＲＯＳＯＦＴ、ＩＢＭ等公司联合提出的、最近几年逐步在ＰＣ领域广为应用的新型接口技术。ＵＳＢ接口通用性好、实时性强、传输方式多样、成本低、支持即插即用、易于扩展且便于使用，这些优点使其得到许多硬件厂商的青睐。目前各种类型的ＵＳＢ产品已大量涌入市场，同时也被广泛地用在ＰＣ机及嵌入式系统中。
ＵＳＢ的拓扑结构中居核心地位的是Ｈｏｓｔ（也称为主机），任何一次ＵＳＢ数据传输都必须由主机发起和控制，所有的ＵＳＢ外设都只能和主机建立连接，任何两个外设之间或是两个主机之间无法直接通信。而目前，扮演主机角色的大多是个人电脑ＰＣ。而我们买到和使用的ＵＳＢ移动设备都是ＵＳＢ外设（ｄｅｖｉｃｅ），如ＵＳＢ的移动硬盘、ＵＳＢ接口的数码相机等。所有这些设备都只能在ＰＣ上或通过ＰＣ来进行文件和数据交换。没有了ＰＣ，这些设备就“失灵”了（指数据交换的功能）。
５１系列单片机以其优越的性能、成熟的技术高可靠性、高性价比吸引了大量国内用户，被广泛应用于测控和自动化领域。用５１系列单片机实现ＵＳＢ主机接口，进而实现对ＵＳＢ外设的控制，对提高整个系统的数据存储、数据传输、设备控制等性能都有很大的作用。本文使用５１系列单片机Ｗ７８Ｅ５４和ＵＳＢ接口芯片ＳＬ８１１ＨＳ设计了一个ＵＳＢ主机接口，通过该接口可实现对ＵＳＢ外设Ｕ盘的读写控制，从而实现单片机数据采集系统的海量数据存储＊。
２ＳＬ８１１ＨＳ的结构性能
ＳＬ８１１ＨＳ是ＣＹＰＲＥＳＳ公司生产的、可支持全速数据传输的ＵＳＢ控制芯片该芯片采用２８脚ＰＬＣＣ和４８脚ＴＱＦＰ两种封装形式，且内含ＵＳＢ主／从控制器，支持全速（ｆｕｌｌ－ｓｐｅｅｄ）／低速ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ数据传输，并能自动识别低速或全速设备。ＳＬ８１１ＨＳ所提供的接口遵从ＵＳＢ１．１标准，可与微处理器、微控制器、ＤＳＰｓ相连，也可直接与ＩＳＡ、ＰＣＭＣＩＡ及其它总线相连。ＳＬ８１１ＨＳ的数据接口与微处理器进行接口可提供８位数据Ｉ／Ｏ或双向ＤＭＡ通道，并能以从机操作方式支持ＤＭＡ数据传输。此外，通过中断支持还可以轻松地与Ｍｏｔｏｒｏｌａ、Ｉｎｔｅｌ 及其它众多类型的标准微处理器或微控制器相连。ＳＬ８１１ＨＳ内部有一个２５６字节的ＲＡＭ，可用做控制寄存器或数据缓冲器。ＳＬ８１１ＨＳ的内部结构框图如图１所示。
３ 和微控制器的硬件接口
图２所示是５１系列微控制器Ｗ７８Ｅ５４与ＳＬ８１１ＨＳ的连接电路。在该设计硬件时，由于所选用的５１系列单片机Ｗ７８Ｅ５４及其周围元件的工作电压为５Ｖ，而ＳＬ８１１ＨＳ的工作电压为３．３Ｖ，所以系统应同时提供５Ｖ和３．３Ｖ电源；虽然ＳＬ８１１ＨＳ可以使用１２ＭＨｚ晶振，但在实际使用过程中发现，如果晶振质量不太好，电路稳定性就会比较差，因此，设计时推荐使用４８ＭＨｚ晶振；由于ＳＬ８１１ＨＳ的中断请求输出的是高电平，因此需要用反向器把它变换成低电平以满足Ｗ７８Ｅ５４中断输入要求；此外，ＳＬ８１１ＨＳ是低电平复位；其ＵＳＢ插座的电源接口也应作５００ｍＡ限流处理以保护系统。
４ 软件设计
ＵＳＢ软件设计分为２部分，一是针对ＳＬ８１１ＨＳ芯片编写ＵＳＢ主机控制器驱动程序；二是系统调用驱动程序来完成Ｕ盘数据读写的应用程序。
４．１ 主控制器驱动程序设计
ＵＳＢ设备驱动程序是开发ＵＳＢ外设的关键，ＵＳＢ协议的复杂性导致了ＵＳＢ驱动程序内容的多样性。本文只介绍主机完成Ｕ盘数据读写功能所需的主要模块，包括初始化模块、枚举模块、读字节模块、写字节模块、读缓冲区模块、写缓冲区模块等。
初始化模块用来设置ＳＬ８１１ＨＳ的主／从机工作模式、全速或低速工作方式、内部数据缓冲区结构等；而枚举主要是指主机监测到Ｕ盘插入时，主机和Ｕ盘之间产生的一个过程。当枚举发生时，主机首先自动发出查询请求，Ｕ盘回应这个请求，并送出设备的Ｖｅｒｄｏｒ ＩＤ和Ｐｒｏｄｕｃｔ ＩＤ然后由主机根据这两个ＩＤ装载相应的设备驱动程序，以完成枚举过程。通过枚举不但可为Ｕ盘设定设备地址，而且可以得到Ｕ盘端点的描述表及Ｕ盘支持协议，之后就可以根据Ｕ盘所属的子类及协议对Ｕ盘进行操作。
在本系统中，ＳＬ８１１ＨＳ占用的地址空间为０ｘＡ０００－０ｘＢＦＦＦ，下面的读写函数中采用“自动地址增加模式”来降低ＳＬ８１１ＨＳ读写设备时占用的系统资源：
ｘｄａｔａ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＳＬ８１１_ＡＤＤＲ_ａｔ ０ｘＡ０００;
／／ＵＳＢ主机控制寄存器地址
ｘｄａｔａ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＳＬ８１１_ＤＡＴＡ _ａｔ_ ０ｘＡ００１;
／／ＵＳＢ主机数据基址
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;}
下面是读写缓冲区的代码函数：
／／ ａｄｄｒ ＝ 缓冲区起始偏移地址
／／ ｓ ＝ 进行缓冲区读写操作时的数据指针
／／ ｃ ＝ 进行缓冲区读写操作时的数据数量
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 应用程序设计
ＵＳＢ总线一般包含四种基本数据传输类型：控制传输、中断传输、批传输以及同步传输，本系统使用的是控制传输和批腀输。這面以爱国者迷你王Ｕ盘为例，介绍在该盘上建立目录及写文件的具体方法。
爱国者迷你王（６４Ｍ）属Ｍａｓｓ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｌａｓｓ，支持Ｂｕｌｋ－ｏｎｌｙ传输，命令集为ＳＣＳＩ传输命令集。Ｂｕｌｋ－Ｏｎｌｙ传输时，其命令、数据及状态均通过Ｂｕｌｋ端点传送。爱国者迷你王（６４Ｍ）有三个端点，端点０为缺省控制通道，端点１为Ｂｕｌｋ ｏｕｔ端点，端点２为Ｂｕｌｋ ｉｎ端点。首先要用ｒｅａｄ（读ｂｌｏｃｋ ０）及 ｒｅａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ 命令读取Ｕ盘参数，随后即可对Ｕ盘进行读写。
其中ｄＣＢＷＳｉｇｎａｔｕｒｅ的值为４３４２５３５５ＬＳＢ，表示当前发送的是一个ＣＢＷ；将ｄＣＢＷＴａｇ的内容在状态阶段原样发送给ＨＯＳＴ可以验证命令执行的是否正确；ｄＣＢＷＤａｔａＴｒａｎｓｆｅｒＬｅｎｇｔｈ为数据阶段要传送的字节数；ＢｍＣＢＷＦｌａｇｓ表明数据阶段传送的方向；Ｒｅ-ｓｅｒｖｅｄ是保留位，通常可以置零；ｂＣＢＷＬＵＮ用于指明该命令传送给哪个逻辑单元；ＢＣＢＷＣＢＬｅｎｇｔｈ为后续字符串中命令字节的长度，ＣＢＷＣＢ为真正要传送的命令。ＣＢＷ命令发出后，Ｕ盘从ＣＢＷ中解析出ＣＢ-ＷＣＢ然后执行相应的操作，之后返回一个ＣＳＷ命令块，表明命令执行情况。爱国者迷你王（６４Ｍ）每次至少读取或写入５１２字节，因此在改写某些字节时，必须把整个逻辑块一次读出，修改后再一次性写入。
用Ｗ７８Ｅ５４控制ＳＬ８１１ＨＳ来读写Ｕ盘的工作过程可以简单地概括为：当ＳＬ８１１ＨＳ从ＵＳＢ总线检测到Ｕ盘插入后，通过中断方式将此信息通知系统，系统通过调用枚举模块可以获得与此次传输有关的各种参数，并根据具体的传输参数调用数据读写模块以对ＳＬ８１１ＨＳ的控制寄存器和数据寄存器进行相应的操作，最终完成对Ｕ盘的读写。其写文件流程图见图３所示。
５ 结束语
使用ＵＳＢ主机接口控制器ＳＬ８１１ＨＳ实现对Ｕ盘的读写，可为数据采集系统大容量数据存储提供一种通用、方便和可靠的解决方案，目前该方案已成功应用到笔者自主研发的温室环境信息采集系统中，并经过长时间测试证明了它的实用性和可靠性。由于ＳＬ８１１ＨＳ同时具有从机工作模式，因此，也可将此方案经简单修改后开发ＵＳＢ接口从设备，从而满足不同场合的需要。
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