專用USB通信控制芯片USBN9604的特點及實現USB接口的軟硬件設計

1、引言

USB通用串行總線是近年興起的一種通信方式。USB協議1．1版規定了低速（1．5Mb／s）和全速（12Mb／s）兩種速率，目前大部分USB器件支持該協議。2000年USB2．0白皮書出臺后，其速度最高可達480Mb／s。該總線是由Compaq、Intel、Microsoft、NEC四公司共同提出，并得到了眾多廠商的支持。USB接口具有安裝方便、高速、靈活、低成本、易擴展，支持熱插拔等優點，已經逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢。

2 、USBN9604

USBN9604是NatiONalSemiconductor公司設計生產的一款較新型的專用USB通信控制芯片，是US-BN9602的改進產品，同時在時鐘產生電路的復位機制上又較USBN9603有所改進。USBN9604支持全速傳輸，可滿足USBl．0和1．1協議。它具有8位并行接口，可支持DMA、MICROWIRE／PLUS。圖1是US-BN9604的結構框圖。其主要特點如下：

工作頻率為48MHz，但外部只需接24MHz晶振，因為芯片內部有倍頻電路，因而可得到48MHz時鐘。

可由編程時鐘發生器編程產生不同的頻率時鐘，以作為外部器件（如CPU）的時鐘信號。

帶有串行引擎接口（SⅢ），可實現USB物理層和信號層協議的轉換，主要有CRC校驗／產生、PID校驗／產生、位填充／解除填充、地址識別、握手評估／產生、并串轉換等。

帶有7個端點的USB功能控制器，每個端點對應一個FIFO。其中端點0是雙向控制端點（FIFO 8字節深），另有3個發送端點：EPl（16）、EP3（16）和EP5（64）以及3個接收端點EP2（16）、EP4（16）和EP6（64）。

USBN9604內部有64個映射到內存的寄存器，主要有主控制寄存器（MCNTRL）、時鐘配置寄存器（CCONF）、主事件寄存器（MAEV）、轉換事件寄存器ALteV）、接收發送事件寄存器（RXEV、TXEV）以及各端點的控制寄存器和收發數據及狀態寄存器等。固件的大部分功能就是完成對此寄存器組的讀寫，實現對接口的配置、接口狀態的轉換以及數據在外設和計算機之間的傳輸等。

3、 USB接口的硬件實現

51單片機與USBN9604的并行連接有兩種方式，即非復用方式和復用方式。它們可通過設置引腳MODE0、MODEl來選擇。在非復用方式時，可用控制引腳CS、RD、WR、地址引腳A0和雙向數據線D［7：0］實現相應的地址讀寫。而在復用方式時，則使用控制引腳CS、RD、WR、地址鎖存信號ALE和雙向數據線D［7：01實現其地址讀寫。本設計采用復用方式進行數據交換。

圖2所示是89C51單片機和USBN9604的接口電路，該電路由一片89C51單片機、USBN9604、時鐘振蕩電路以及相應的外圍電路組成。其中USBN9604通過外部中斷INT0與89C51單片機進行通信。

4 、USB接口的軟件實現

設備固件是設備運行的核心，可采用C語言設計。其主要功能是控制USBN9604接受并處理USB驅動程序的請求（如各種標準請求）、接收／_k傳數據。當主程序完成CPU和USBN9604的初始化后，可用while循環等待外部中斷。中斷處理程序可在給出中斷人口后跳出中斷。所有的USB事物處理都在函數USB-ISR中完成。圖3所示是USB-ISR程序框圖。在USB-ISR中，通過程序可讀取USBN9604中的主事件寄存器（MAEV），并判斷中斷原因，包括收發事件的發生、總線狀態的改變以及握手信號的產生等，同時可根據不同原因進入相應函數。另外也可通過函數具體實現各種USB標準的請求、端點0的接收和發送以及其它端點的收發和總線狀態的改變等。

5、設備驅動程序

目前較流行的驅動程序編寫軟件主要有DDK、VtoolsD和WinDriver等，其中WinDfiver相對比較簡單，并可滿足開發USB驅動的需要。利用它開發設備驅動程序不需要熟悉操作系統的內核，同時整個驅動程序中的所有函數都工作在用戶模式下，因而可通過與WinDriver的．Vxd或．Sys文件交互達到驅動硬件的目的。

5．1WinDriver的主要特征

WinDriver編程軟件具有以下特點：

提供有從用戶層直接訪問硬件的方法；

無需DDK以及核心態驅動程序的開發經驗；

支持I／O、DMA、中斷處理，同時支持PCI、ISA、USB、PCMCIA的開發；

對于性能要求特別苛刻的部分，WinDriver提供的APl可插入到核心態模式中運行，從而提高執行效率；

可利用常見的軟件開發平臺（VisualC++、BorlandC++、Delphi等）。

5．2開發步驟

利用WinDriver開發驅動程序有兩種方法，分別介紹如下：

第一種是利用WinDriver自帶的WinDriverWizard來分析用戶開發的插卡，看其能否象設計的那樣正常工作，然后自動生成驅動程序的框架代碼，接著再修改代碼并加入定制功能，同時在用戶態執行和調試代碼并將性能要求苛刻的部分插入到核心態。

第二種則直接應用WinDriver提供的API函數編寫驅動程序，這種方法比用Wizard生成框架代碼的方法更加靈活方便。但要求編程人員對驅動程序的框架有一定的了解。

在實驗中采用的是第一種方法，實驗效果良好。