嵌入式USB主机

本文以一个实际USB设备枚举的数据过程，讲述了USB协议中的一些关键概念和重要的数据结构、时序；在此基础上，简单介绍本系统的硬件设计，然后围绕如何实现USB设备枚举，从底层到高层详细地介绍了本系统的软件设计。

关键词：USB主机  SL811HS  51单片机  枚举  嵌入式
1．前言
USB(通用串行总线)是最近几年逐步在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、易于扩展且便于使用，这些优点使它受到许多硬件厂商的青睐，其相关设备种类越来越多，数量越来越大。
然而，USB的拓扑结构中居于核心地位的是主机，任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的USB外设都只能和主机建立连接，任何两个外设之间无法直接通信。目前，大量扮演主机角色的是个人电脑PC机。目前使用的USB移动设备，如U盘，MP3随身听，USB接口的移动硬盘、移动光驱及数码相机等等，都只能在PC机上使用，只能通过PC机来进行数据传输和文件交换，这无疑给USB移动设备的应用带来了局限性。
因此，如果能抛开PC机，使用轻便、廉价的设备就能读写操作USB外设，这将拓宽USB接口的应用范围，使人们享受更多更方便的USB接口电子产品。本设计使用51系列单片机对USB主机接口芯片SL811HS进行控制，实现了USB主机的一项重要功能：枚举USB设备。
2．关于USB协议
在本设计中，由于采用了USB主机的接口芯片，所以不需要详细了解USB传输的底层物理特性，但必须深入理解USB的数据传输的协议层，具体来说，就是USB传输中数据包，数据字段的格式和时序是如何的。
2.1设备的枚举
主机对USB设备的枚举指的是主机对设备的检测和配置。
在说明主机的枚举功能前，需要说明一下USB传输的数据基本结构和格式。
从表1可见，在USB的数据传输中：
主要有四种传输事务类型（控制、批量、中断、同步），而主机枚举设备的功能是只需要通过控制传输实现的。
控制传输有三个传输阶段（建立、数据、状态，其中数据阶段是可选的）。
每个传输阶段又由三个包组成（令牌包、数据包、握手包、特殊包）。

表 1  USB传输的数据基本结构和格式
传输事务类型 阶段 包
控制 建立 令牌包
  数据包
  握手包
 数据 令牌包
  数据包
  握手包
 状态 令牌包
  数据包
  握手包
批量 （不分阶段） 令牌包
  数据包
  握手包
中断 （同上）
同步 （同上）
其中，包是由域来组成的，共有7种域，每种域的子类型如下表所列：
表 2  域和域的子类型
域类型名 域子类型名
同步域 SYNC
标识域（PID） SETUP、OUT、IN、SOF、
DATA0、DATA1、
ACK、NAK、STALL、
PRE
地址域 ADDR
端点域 ENDP
帧号域 FRAM
数据域 DATA
校验域 CRC5、CRC16
其中，同步域的实际二进制编码为”_0000 0001”；另外，每个包是以SE0态作为结束标志的。
下面，就以一个实际设备枚举的全过程为例，说明USB数据传输的一些具体细节（在这里，将不列出每个包的同步域和结束标志）。
2.1.1主机检测到有设备插上，总线复位
当设备与主机连接时，主机就会检测到一个连接条件（USB接口芯片向CPU发出中断请求），主机就开始进行总线复位（主机强制输出SE0，即强制把D＋和D－两信号线拉为低电平）。