嵌入式系统实践实验报告--USB接口.docx

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1、计算机科学技术系上机实践报告课程名称：嵌入式系统实践年级：上机实践成绩:指导教师：姓名：创新实践成绩:上机实践名称：USB接口学号：上机实践日期:上机实践编号：No.10组号上机实践时间:一、实验目的1、了解USB接口基本原理；2、掌握通过USB接口与PC通讯的编程技术。二、实验设备a) 硬件：EmbestEduKit-III实验平台，EmbestARM标准/增强型仿真器套件，PC机。b) 软件：EmbestIDEProARM集成开发环境，Windows982000NTXPo三、实验内容编写USB通信程序，基于已有的USB驱动程序接口，完成与PC端的USB测试程序之间数据接收与发送四、实验原理

2、1. USB基础0定义通用串行总线协议USB(UniversalSerialBus)是由Intel、CompaqMicrosoft等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外围设备的互联。1994年11月发布第一个草案,1996年2月发布第一个规范版本1.0,2000年4月发布高速模式版本2.0,对应的设备传输速度也从L5Mbs的低速和12Mbs的全速提高到如今的480Mbs的高速。其主要特点是：支持即插即用。允许外设在主机和其它外设工作时进行连接配置使用及移除。传输速度快。USB支持三种设备传输速率：低速设备1.5Mb/s、中速设备12Mb/s和高速设备480Mb/so连接方便。

3、USB可以通过串行连接或者使用集线器Hub连接127个USB设备，从而以一个串行通道取代PC上其他I/O端口如串行口、并行口等，使PC与外设之间的连接更容易。独立供电。USB接口提供了内置电源。低成本。USB使用一个4针插头作为标准插头，通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把多达127个的USB外设连接起来，所有的外设通过协议来共享USB的带宽。S组成USB规范中将USB分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。控制器(HoStController),主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令，如位于PC主板的USB控制芯片。控制器驱

4、动程序(HoStControllerDriver),在控制器与USB设备之间建立通信信道，一般由操作系统或控制器厂商提供。USB芯片驱动程序(USBDriver),提供对USB芯片的支持，设备上的固件(Firmware)oUSB设备(USBDevice),包括与PC相连的USB外围设备。设备驱动程序(CIientDriverSoftware),驱动USB设备的程序，一般由USB设备制造商提供。0传输方式针对设备对系统资源需求的不同，在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式：同步传输(Isochronous),该方式用来联接需要连续传输数据，且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备，

5、如麦克风、嗽叭以及电话等。同步传输方式以固定的传输速率，连续不断地在主机与USB设备之间传输数据，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是继续传送新的数据。同步传输方式的发送方和接收方都必须保证传输速率的匹配，不然会造成数据的丢失。中断传输(Interrupt),该方式用来传送数据量较小，但需要及时处理，以达到实时效果的设备,此方式主要用在偶然需要少量数据通信，但服务时间受限制的键盘、鼠标以及操纵杆等设备上。控制传输(Control),该方式用来处理主机到USB设备的数据传输，包括设备控制指令、设备状态查询及确认命令，当USB设备收到这些数据和命令后，将依据先进先出的原则处理到达的数

6、据。主要用于主机把命令传给设备、及设备把状态返回给主机。任何一个USB设备都必须支持一个与控制类型相对应的端点Oo批量传输(Bulk),该方式不能保证传输的速率，但可保证数据的可靠性，当出现错误时，会要求发送方重发。通常打印机、扫描仪和数字相机以这种方式与主机联接。0关键定义USB主机(HoSt)USB主机控制总线上所有的USB设备和所有集线器的数据通信过程，一个USB系统中只有一个USB主机，USB主机检测USB设备的连接和断开、管理主机和设备之间的标准控制管道、管理主机和设备之间的数据流、收集设备的状态和统计总线的活动、控制和管理主机控制器与设备之间的电气接口，每一亳秒产生一帧数据，同时对

7、总线上的错误进行管理和恢复。USB设备(Device)通过总线与USB主机相连的称为USB设备。USB设备接收USB总线上的所有数据包，根据数据包的地址域来判断是否接收；接收后通过响应USB主机的数据包与USB主机进行数据传输。端点(Endpoint)端点是位于USB设备中与USB主机进行通信的基本单元。每个设备允许有多个端点，主机只能通过端点与设备进行通讯，各个端点由设备地址和端点号确定在USB系统中唯一的地址。每个端点都包含一些属性：传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等。除控制端点0外的其他端点必须在设备配置后才能生效，控制端点0通常用于设备初始化参数。USB芯片中，每

8、个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区。管道(Pipe)管道是USB设备和USB主机之间数据通信的逻辑通道，一个USB管道对应一个设备端点，各端点通过自己的管道与主机通信。所有设备都支持对应端点0的控制管道，通过控制管道主机可以获取USB设备的信息，包括：设备类型、电源管理、配置、端点描述等。2. USB设备开发USB设备开发包括硬件电路设计和软件设计二部分内容，其中软件部分又包括USB芯片驱动程序和应用程序二部分。USB设备在硬件上通过USB芯片实现，USB芯片负责：管理和实现USB物理层差分信号；通过配置和管理寄存器初始化设备。提供连接的端点；电源管理；通过寄存器管理端点；USB芯片驱动

9、程序基于以上硬件资源实现USB的功能。USB芯片提供多个标准的端点，每个端点都支持单一的总线传输方式。端点O支持控制传输，其他端点支持同步传输、批量传输或中断传输中的任意一种。管理和使用这些端点，实际上就是通过操作相应的控制寄存器、状态寄存器、中断寄存器和数据寄存器来实现。其中，控制寄存器用于设置端点的工作模式、启用端点的功能等；状态寄存器用于查询端点的当前状态；中断寄存器则用于设置端点的中断触发和响应功能；数据寄存器则是设备与主机交换数据用的缓冲区。S电路设计原理EmbestEduKit-ITIUSB接口模块采用美国国家半导体公司的USBN9603USB控制器，该控制器是全速USB节点器件，

10、完全兼容USBl.O,USBl.1通信规范。USBN9603/4-28M芯片引脚图如下:US _RD 丽SK _INTR _DRQ-daCk-A0ALESI DO/SO _Dl 一D2 一D3 D4 D5 D6 一227326425524623728-PI SO 2282192010191116121713161415-CLKOUT-XOUT-XlN _ MODEO一 MODE1一GNDVcc-GND 一D-D+V3.3一AGND RESET一D7USBN9603/4-28MUSBN9603与MCU的接口模式分为两种：团8位并行总线模式(ParaIIelInterface),使用并行总线方式时

11、又可选择复用(MUltiPIeXed)或非复用(NOnTUltiPIeXed)模式，其中地址/数据线的复用方式电路设计稍显复杂。0微总线模式(MICROWIREinterface)o以上模式的选择由管脚MODEO,MODEl决定。在使用复用的8位并行总线模式下，USBN9603支持与MCU之间的增强型DMA方式传输，使用DMA方式传输使MCU和USBN9603之间交换数据的速度成倍提高，最终可以显著提高PC与USB的通讯速度。USBN9603在EmbestEduKit-III评估板与CPU连接图如下:D(7.0)lID(7.0)A1AOUSBPORE3nOEre44B0XUSBN960;11R

12、ESETVvLL褊窃GXOUT1rEXINTOINTRri11Oc2-CSlcsXINEduKit-III的电路设计中采用的是非复用的8位并行总线模式，该模式中没有使用DMA方式，因此DACK接高电平。CPU通过译码器生成的片选信号CSl对USB控制器进行选通，USBN9603通过EXINTl对CPU发出中断请求。设备驱动程序设计USB读写EmbestEduKit-III的USB控制器USBN9603用户寄存器有两个，分别为只写的内部地址寄存器，与可读写的数据寄存器，内部地址寄存器的地址为0x02000002,数据寄存器地址为0x02000000o对USB控制器进行读操作（包括读USB内部寄存

13、器及数据）时，第一步是设置USB6bits宽的内部地址寄存器，指明将要从USB某个内部地址读一个字节，第二步是从数据寄存器读出8bits宽的数据。对USB进行写操作类似读操作，第一步同样是设置USB的内部地址寄存器，指明将要写一个字节数据到USB内部某个地址中去。USB中断EmbestEduKit-III的USB控制器中断请求引脚连接S3C44B0X外部中断引脚EXINTl,对应的中断向量为1,初始化USB中断的步骤是：使EINTl中断使能。安装USB中断服程序入口到中断向量中去。初始化IO端口G组控制器PCONG,PUPG指明EXINTl是作为中断输入引脚使用。设置外部中断寄存器EXTINT

14、,指明触发中断方式。初始化USB初始化USB需要使用USB读写函数对USB控制器内部的控制寄存器进行设置。需要设置的USB控制寄存器如下：首先，通过设置主控制寄存器MCNTRL软件复位位(SRST),复位USB控制器。设置主控制寄存器MCNTRL,电压调整位(VGE),及中断输出(INTOC)位，以禁止中断输出。写时钟寄存器CCONF,设置USB控制器工作频率。初始化功能地址寄存器FAR(FunctionAddressRegister),及EPCO寄存器(EndPoint0ControlRegister),端点号0为双向端点，作控制使用。设置中断掩码寄存器，有主掩码寄存器(MAMSK),无应答

15、事件寄存器(NAKMSK),发送事件寄存器(TXMSK),接收事件寄存器(RXMSK),Alternate事件寄存器(ALTMSK)。最后允许USB控制器中信号输出，使控制器附加到USB总线上。USB中断服务例程中断服务程序处理USB控制器产生的中断，它将数据从USB内部FIFO读出，并建立正确的事件标志，以通知主循环程序处理。基本步骤如下：从主事件寄存器(MAEV)读出产生中断的事件。根据主事件寄存器某位状态判别事件，接着读取相应的事件寄存器：接收事件寄存器(RXEV),或发送事件寄存器(TXEV),或无应答事件寄存器(NAKEV),或Alternate事件寄存器(ALTEV)o进一步判别事件寄存器的某位状态，根据具体事件，分别做相应的操作。通道0(端点0)用于控制传输，在驱动程序中调用rxevent(),txcvcnt()处理端点0的事件。通道1中由Txeventl()处