摘要：主要介绍带USB控制核的51系列单片机EZ-USB的传输特性与控制机理，简述信息包的组成及几种枚举方式。文中给出的程序是一个利用端点2IN/OUT进行块传输的应用实例。由此可验证它的开发效率。

    关键词：EZ-USB PID 枚举 BULK传输

1 概述

在目前PC的I/O模式中，外围设备通常被映射为CPU的I/O地址空间，并且被分配一个指定的IRQ（中断请求），在某些情况下也可以是一个DMA通道。这些系统资源被分配给指定的外围设备。这种地址分配的方法已经成为一种标准，软件开发者要根据这对指定的设备进行访问。这给编程者带来了不便，同时外设消耗了PC的许多系统资源，使许多系统资源不可使用，并且产生了很多冲突，由此造成了许多问题。

Cypress 推出的带智能USB接口的单片机EZ-USB，极大地降低了USB外设的开发难度，为PC外设的制造商提供了一性能的优良、价格较低的设计方案。基于EZ -USB的强大功能，让我们看到了应用USB的美好前景。使用该芯片后，我们在很短的时间内便实现了基于USB传输的采集系统。为便于理解，有必要介绍一下相关的USB知识。

1.1 USB信息包

USB传送的数据包由被称为Packet Ids(PIDs)的特定代码所定义，PID表示了正在被传送的包的类型。USB的包中一类有四种PID类型，如表1所列。

表1 USB PID

图1 举例说明了USB传输。包（1）是一个由OUT标志表示的输出信号，表示主机发出的数据将要通过总线进行传送。包（2）由数据组成，它由DATA1标志表示。包（3）是一个由外设发送的握手信息包。外设使用ACK（确认）标志向主机报告外设已正确地接收数据。接下来发出的OUT信号（4），开始进行第二次传输。紧跟其后的是数据包，这一次使用的是DATA0标志。最后，设备通过传送握手信息包中的ACK标志表示接收成功。

为什么要用到DATA0与DATA1两种数据标志呢？这是因为USB的设计者对待错误的检测非常严格。如前面提到的，ACK握手信号是一个向主机报告外设无差错接收数据的信号（包中的CRC位用于错误检测）。但是如果在传输过程中，握手信号本身出了错，那又该怎么办呢？为了检测这种错误，在主机和外设双方都保留了一个数据轮换位，它在数据信息包的传送过程中轮流改变其状态。内部轮换位的状态与随数据到达的PID相比较，要么是DATA0，要么是DATA1。当传送数据时，主机或设备发出交替的DATA0-DATA1标志。通过比较数据PID和内部轮换位，主机或设备能够检测到一个出错的握手信号包。

SOF信号每ms发生1次，代表1个USB帧的开始。

3个握手信号：ACK、NAK和STALL。

*ACK表示“成功”，即数据无误接收。

*NAK表示“忙，重发”。NAK看上去好像表示“出错”，但其实不是。USB设备不响应，才表示传输有错误。

*STALL表示有意外事件发生。设备发出STALL握手信号，表明它不能接受某个设备请求，或是外部终端出错，或是主机企图访问一个并不存在的资源。该状态有些像“停止”，但要好一些，因为USB提供了从STALL状态中恢复的方法。

PRE（Preamble）PID的传送优先于一个USB低速（1.5 Mbps）传输。EZ-USB系列仅支持USB高速（12 Mbps）传输，因此可以忽略PRE信息包及接下来的低速传输。

1.2 USB主控制器

在USB 系统中，主机是控制器。USB设备回应主机的请求，但USB设备之间不能互送信息。当主机向USB外设发送数据时，主机发出1个OUT信号。外设如果有时间接收数据，并接收无误，就返回1个ACK信号给主机；如果忙，就返回1个NAK信号；如果发现错误，就不返回信号，主机过一段时间地重发。USB设备从不主动给主机发送数据。然而，在EZ-USB芯片中，没有什么可以防止8051把要发送给主机的数据放到端点缓冲器以用于传输，但数据会一直留在缓冲器中，直到主机发出1个IN信号到那个端点。如果主机不发出IN信号，数据就一直留在那里。

1.3 USB的方向

如果知道了主机是控制器，就很容易记住USB的方向：OUT表示从主机到外设，IN表示从外设到主机。例如，送数据给主机的端点是IN端点，即EZ-USB送数据到IN端点缓冲器。也就是说，8051的OUT就是对主机的IN。

1.4 帧

USB 主机通过每1ms传送1个SOF（起始帧）包，向所有USB设备提供时间基准。SOF包包括一个递增的、11位的帧计数器。8051可以从两个EZ- USB寄存器中读该帧计数器。SOF时间对同步端点具有意义。EZ-USB内核为同步端点数据服务提供给8051一个中断请求。

1.5 USB设备的加载过程

当USB设备接入HUB（集线器）后，主机控制器和主机软件能自动侦测到设备的接入。然后，主机软件读取一系列的数据用于确认设备特征，如Vendor ID、Product ID、接口工作方式、功率消耗等参数。之后，主机分配给外设一个单独的地址。地址是动态分配的，各次可能不同。在分配完地址之后，对设备进行初始化，初始化完成以后，就可以对设备进行I/O操作了。

2 EZ-USB的端点和描述符

EZ-USB芯片具有软配置特性。通过USB接口从主机下载的8051代码和数据被存放在内部RAM。使用EZ-USB的外设，可以在无ROM、EPROM或FLASH存储器的情况下操作。为支持软配置的特性， 当USB设备没有固件时，EZ-USB芯片自动进行枚举，所以USB接口本身可用来下载8051代码和描述符。

一个叫“ReNum”的EZ-USB控制位决定是SIE内核还是8051处理端点0上的设备请求。开机时，RENUM位是0，表明EZ-USB内核自动处理设备请求。一旦8051运行，它就置RENUM=1，表明使用下载的8051代码处理接下来的设备请求。

以下是枚举模式。

当EZ-USB芯片脱离复位状态时，EZ-USB芯片根据I2C总线上的外部EEPROM的内容，对如何枚举做出描述。如表2所列，其中VID表示厂家识别码，PID表示产品识别码，DID表示设备识别码。

表2 EZ-USB枚举方式

（1）如果没有EEPROM或EEPROM的第一字节，既不是0xB0也不是0xB2。EZ-USB芯片使用其内部存储的描述符数据枚举，它包含Cypress半导体的VID、PID、DID。这些ID字节使主机操作系统装载Cypress半导体设备驱动程序。

USB主机在枚举过程中询问设备，读取设备描述符并使用表2字节决定下载哪一个固件驱动程序到操作系统。

（2）如果串行EEPROM与I2C总线相连且每一个字节的0xB0，EZ-USB芯片使用内部存储的描述符数据枚举。但是，由外部的EEPROM提供6字节的PID/VID/DID数据，它使主机操作系统装载与之有关的设备驱动程序。

（3）如果EEPROM的第一字节是0xB2，EZ-USB内核将EEPROM的内容写到内部RAM。EZ-USB内核置RENUM位为1，表明8051（而不是EZ-USB内核）通过控制端点0对设备请求作出应答。当然，所有的描述符数据，包括VID/DID/PID的值，由8051固件提供。

3 EZ-USB的传输类型

EZ-USB支持四种传输类型，可满足不同的通信要求。

（1）块传输。块传输用于支持突发的大量的数据，以8、16、32或64字节的信息包传送。

（2）中断传。中断传输用于量少且不经常传送的周期性数据。中断数据的包长限制在64。字节内。

（3）同步传输。同步传输主要用于音频和视频数据流，不具USB定义的格式。

（4）控制传输。控制传输应用于控制命令和状态命令的传送。

4 EZ-USB内核在块（bulk）传输中的作用

在每一个USB设备中都有1个串行接口引擎（SIE）。SIE与USB数据线D+和D-相连，传输发向或来自USB设备的字节。在块传输中，SIE对PID 信息包解码，并通过CRC位对数据进行错误检测，然后发送有效数据。如果SIE发现1个出错的数据，它会自动地不进行响应，而不是提供1个PID握手信号，并告诉主机延时重发。

块传输是异步传输，采取了使用ACK和NAK握手PID的数据流控制机制。SIE通过发出1个NAK，向主机报告其“busy”状态。当外设传送数据成功，它就会要求SIE发送一个ACK信号，表示发送成功。

SIE 接收来自USB设备的数据和控制信号，将它们变为USB传输格式，并通过2根USB数据线传送。因为USB传输采用的编码方式是NRZI（反向归零制）编码方式，所以，SIE还必须在位数据流的适当位置上插入位，以确保数据发送的完整性。这种做法称为“位填充”，它由SIE完成。

EZ-USB芯片采用软配置，即包含内部程序/数据RAM。EZ-USB可作为USB设备进行连接，将程序下载到内部RAM，这一切都是由改进后的SIE完成。SIE能够用内部描述符表进行枚举操作。

5 EZ-USB块传输

为了简化设计，我们采用了块传输方式进行数据的采集。因此，在制定设计方案前，必须对块传输的特点有一个深入的了解。

块传输用于支持突发的大量的数据，对连续性不做要求，如打印数据。它可以利用任何可获得的带宽：

（1）以可获得的带宽访问总线；

（2）总线错误导致传送失败时，可以重发；

（3）可以保证数据传送，但不能保证传送的带宽和延迟。

仅当有可获得的带宽地，块传输才会发生。当空闲带宽很多时，块传输进行得较快；空闲带宽少时，可能在很长时间内不发生块传输。

（1）块传输的包长限制及使用的端点

USB规格说明允许块传输数据的最大信息包长度为8、16、32或64字节。EZ-USB为0～7IN和0～OUT16个端点中的每一个提供了最多能容纳64字节的缓冲区。

（2）与块传输相关的控制位及寄存器

块端点中有6个端点：2-IN、4-IN、6-IN、2-OUT、4-OUT它6-OUT可与下一个连续编号的端点配对，以提供双缓冲器。这就允许8051为一个数据信息包服务，而另一个正确过USB进行传输。6个端点的成对位（USBPAIR寄存器）控制双缓冲器。

8051 在初始化时，设置了14个端点有效位（IN07VAL、OUT07VAL寄存器），以及1个2位的控制和状态（CS）寄存器。8051可读取CS寄存器中的位，以判定端点是否忙，并写入另一位强制进入端点STALL状态。当设置端点忙位时，8051绝对不能读写端点缓冲器或字节计数器。

当为8051服务的端点变忙时，EZ-USB内核设1个中断请求位。为了自动把控制权移交到为端点请求服务的ISR（中断服务程序），EZ-USB中断向量系统要对端点发出的中断请求继续划分。

（3）BULK IN传输

USB 的BULK IN数据从设备流向主机。主机通过向EZ-USB内核发出1个IN标志，请求1次IN传输，当EZ-USB准备好时响应数据。8051通过装载端点的字节计数器表明准备好。如果EZ-USB内核接收到1个未准备好的端点的IN信号，它将用NAK握手信号响应IN信号。

在BULK IN传输中，8031在端点缓冲器中已装入了1个数据信息包，然后在端点字节计数寄存器中装入信息包的字节数，以协助下一个IN传输的进行。这时设置了 BUSY位。主机发出1个IN信号。EZ-USB内核通过传送IN端点缓冲器中的数据响应IN信号。当BZ-USB发出一个表示数据接受正确的ACK信号时，EZ-USB内核清除端点的BUSY位，并设置它的中断请求位，告诉主机端点缓冲器为空。如果这是一个多信息包传输，那么主机将发出另一个IN信号，以得到下一个信息包。

如果第二个IN信号在8051有时间装满端点缓冲器之间到达，EZ-USB将发出1个NAK握手信号，表示忙。主机继续发出IN信号，直到数据准备好。最终，8051将端点缓冲器装满数据，并将信息包的字节数装入端点的字节计数寄存器（INnBC），为下一次的传输做准备。

（4）BULK OUT传输

USB BULK OUT数据从主机到达外设。主机通过向EZ-USB发出一个紧跟在数据信息包后的OUT信号，请求一次OUT传输。如果EZ-USB内核正确地接收数据，那么EZ-USB内核响应ACK信号。如果端点没有准备好接收数据，EZ-USB丢掉主机的OUT数据并返回一个NAK信号，表明没有准备好。相反地，主机将继续发出OUT信号和数据给端点，直到EZ-USB内核响应ACK信号。

每一个EZ-USB的BULK OUT端点都有一个字节计数寄存器，它有两个作用。8051读取字节寄存器，以确定来自主机的最后一次OUT传输期间，接收了多少字节。8051写字节计数器（用任何值），告诉EZ-USB内核已经完成了从缓冲器中读字节的动作，使缓冲器能够接收下一个OUT传输。

（5）错误恢复

EZ-USB内核自动检查错误，如果它用建立在USB上的错误检测器件（CRC检测和数据替换）时，发现错误，就请求主机再次传输数据。

6 程序设计

我们采用EZ-USB系列单片机的AN2131QC芯片实现块传输的应用。AN2131QC芯片采用80引脚的封装，除了具有24个I/O引脚外，还包含1 个16位地址总线和1个8位数据总线，以用作外部存储器的扩展。在该芯片内部有1个8KB的RAM，使得固件可以从主机下载。

BULK传输源程序清单：

；-----------------------------------------------------------

$NOMOD51 ；取消默认的8051寄存器定义

$nolist

$include(.inc) ；EZ-USB寄存器申明

$list

NAME ezbulk

ISEG AT 60H ;堆栈段

STACK：DS20 ；申明使用20个堆栈单元

CSEG AT 00h

LJMP START

ORG 200h

START：MOV SP，#STACK-1 ；设置堆栈指针

LOOP：MOV DPTR，#OUT2CS；EP2IN控制和状

；态寄存器

MOVX A，@DPTR

JB ACC.1，LOOP；检查“忙”位，为

；低时允许进行服务处理

MOV DPTR，#IN2CS；EP2OUT控制和

；状态寄存器

MOVX A，@DPTR

JB ACC.1，LOOP ；检查是否处于“忙”

；状态，为“1”时表示忙

service_IN2:

MOV DPTR,#OUT2BC

MOVX A,@DPTR

MOV R2,A

MOV DPTR,#OUT2BUF

MOV R3,DPL

MOV R4,DPH

MOVX A,@DPTR

MOV DPTR，#IN2BUF

MOV R5，DPL

MOV R6，DPH

MOVX @DPTR，A

DEC R2

LOOP1：MOV DPL，R3

MOV DPH，R4

INC DPTR

MOVX A，@DPTR

MOV R3，DPL

MOV R4，DPH

MOV DPL，DPH

MOV DPL，R5

MOV DPH，R6

INC DPTR

MOVX @DPTR，A

MOV R5，DPL

MOV R6，DPH

DJNZ R2，LOOP1

MOV DPTR，#OUT2BC；装载任意值到

；字节计数器，以清除输入缓冲区

MOVX A，@DPTR

MOVX @DPTR，A

MOV DPTR，@IN2BC；将收到的数据通过

；EP2IN发送出去

MOVX @DPTR，A ；写发送字节计数器

SJMP LOOP

END