引言
通用串行总线USB（Universal Serial Dus）是近年来应用在PC领域的新型接口技术；是一些大PC厂商，如Microsoft、Intel等，为了解决日益增加的PC外设与有限的主插槽和端口之前的矛盾，而制定的一种串行通信的标准。USB以其高速、易于安装配置、使用灵活和可靠性高日益受到人们的欢迎。现在已广泛使用于计算机和周边设备的连接，如键盘、鼠标、打印机、存储设备等。
USB控制器一般有两种类型：一种是MCU集成在芯片里面；另一种是纯粹的USB接口芯片，仅处理USB通信。前者由于开发时需要单独的开发系统，因此开发成本较高；后者只是一个芯片与MCU接口，实现USB通信功能，因此成本较低、可靠性较高。本文主要介绍Philips公司的ISP1581器件的使用方法，它属于后者。
图1
1 硬件设计
1.1 ISP1581芯片特点
ISP1581 是一个高速USB器件控制器。它实现了USB2.0/1.1物理层和数据协议层的任务，并且实现了连同端点EP0（设置用于访问设置缓冲器）在内的16个 USB端点的共同协作；用于基于微控制器的系统，与微控制器/微处理器的通信是通过一个高速的通用并行接口实现的，接口速度可达12.5M字节/s或 12.5M字/s；支持DMA传输，可很好地实现与大容量存储设备的接口；通过ATA/ATAPI接口，可以直接与ATA/ATAPI设备相连。 ISP1581能适应大多数设备类规范的设计，非常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器和数码相机等的外部接口。（注： ATA/ATAPI,Advanced Technology Attachment/Advanced Technology Attachment Peripheral Interface.中文名称为高级技术附国装置/高级技术附加装置外围接口。ATA是一种硬盘接口标准，ATA标准的接口类型其实就是IDE接口类型。）
ISP1581内集成了多个模块，各自完成不同功能，如图1所示。
①USB2.0收发器。模拟收发器通过集成的终端电阻直接与USB电费相连。
②Philips 串行接口引擎（SIE，Serial Interface Engine）。完成所有USB协议层的功能，主要完成以下的功能：同步方式的识别、并行/串行的转换，位填充/解除填充、CRC校验/产生、包标识（PID）校验/产生、地址识别和握手评估/产生。考虑到速度，它是全硬件的，不需要软硬件介入。
③存储器管理单元（MMU）和集成RAM。MMU和集成RAM实现了USB总线和微控制器管理器或DMA管理器之间的速度转换。
④微控制器/处理器接口和微控制器/处理器的管理器。可以直接与大部分的微控制器相连。
⑤DMA接口和DMA管理器。DMA管理器接收到DMA命令后，可直接把数据从内部RAM传送到外部DMA设备或从外部DMA设备传送给内部RAM。
2 硬件连接
ISP1581有一个快速通用接口，利
用它可以实现与大部分类型的微控制器/处理器的通信。上电时，由引脚BUS_CONF、MODE1和MODE0共同设置。由于MMC2107的外部地址、数据总线是分开的，因此在本开发平台上ISP1581只能工作在通用处理器工作模式下。
ISP1581提供微控制器接口与微控制器进行数据传输，也支持DMA传输。在微控制器速度较高时，两者的读写访问速度均可达12.5Mb/s，采用DMA方式会增加电路设计的复杂度。经过综合比较，采用微控制器接口方式。USB模块硬件连接原理如图2所示。
注： ①ISP1581提供两种复位方式：a.ISP1581集成有上电复位电路（POR），RESET引脚接电源，实现上电复位功能。b.RESET引脚接 MMC2107的一个数字I/O引脚，将该引脚置低800μs后置高，实现复位。②ISP1581的供电电压为3.3V或5.0V，I/O引脚最大能承受 5.0V的电压。根据I/O口的电压，从3.3V和5.0V中选择一个作为供电电压。
3 ISP1581固件（FIREWARE）程序设计
由于所有的通信都是由主机发起，设备只能能来自主机的命令。在这种结构下，ISP1581的固件采取中断驱动。这样一方面保证了快速的数据传输和较好的软件结构，另一方面简化了编程和测试。
固件程序由5部分组成，如图3所示。
（1）主循环流程
上电后，初始化MMC2107和ISP1581。然后，主循环程序轮询检查事件标志，进入相应的子程序进行进一步的处理。图4是主循环的流程。
（2）中断服务程序（ISR）流程
图5所示的中断服务流程，用来处理由ISP1581产生的中断。通过访问ISP1581的中断寄存器，建立正确的事件标志，以通知主循环程序进行处理。
（3）USB标准请求处理
进行应用通信以前，主机必须枚举设备。该过程是通过给端点0发送包含标准设备请求（CHAP_9）的控制传输实现的。USB标准请求流程（见图6）译码设备请求类型，转到相应的处理子流程。枚举过程如下：
①主机使用默认地址（地址0）读取设备描述符GetDeviceDescriptor；
②SetAddress;
③连续3次GetDeviceDescriptor，读取全部设备描述符；
④GetConfigDescriptor；
⑤GetStringDescriptor(可能没有)；
⑥读取全部ConfigDescriptor后，主机将找到新设备，提示安装驱动程序。
⑦在设备能通信前，主机给出SetConfiguration请求，设备收到后调整有关信息，使设备能被客户软件利用。
（4）厂商请求处理（VENDOR）
厂商请求和USB标准请求一样，都根据控制传输的内容进行相应处理。本开发平台的固件程序中定义了两个厂商请求，分别为取得固件版本和将批量数据写入设备或从设备中读出数据。
取得固件版本流程如图7所示。主机发送批量数据读写请求时，在控制传输的数据阶段，主机给出需要传输的数据字节数、数据传输方向、页索引和数据定位。控制传输结束后，主机和设备就可以根据双方约定，启动批量传输。批量传输流程如图8所示。
图6
4 调试
4.1 调试步骤
USB的调试可分为以下几个步骤：
①若USB芯片正常工作，可实现软连接，将设备插入主机后，主机上出现“未知设备类型”的USB设备；
②提供描述符，提供正确的VID和PID后，主机能够识别设备，但要求提供设备的驱动程序；
③安装驱动程序后，调试各端点，使其均可传输数据，用主机端的测试程序对其进行测试，验证硬件及因条件限制的正确性。
4.2 调试工具
因为每一次USB的传输过程，都有时效要求，等待时间过长，通信过程也就中止了，因此不适合用硬件仿真器来设断点调试。可采用串口辅助调试过程，即在固件代码中加入类似于Printf的语句，向串口输出一些信息。借此，可以知道程序是否运行到此外，以及运行到此处时相应的变量或寄存器值。
设备完成配置后，在Bus Hound中可以看到该设备（bus Hound是一种应用软件）。选择该设备，就可以对主机与此设备间的通信数据进行分析和监视。Bus Hound工作在主机端，串口工作在微控制器端。将串口调试和Bus Hound两种手段配合使用，可以使USB通讯过程的调试更加容易。
