【正文】 插出(熱插拔)。(2)對(duì)現(xiàn)存操作系統(tǒng)接口產(chǎn)生極大影響。(2)低速模式()更加經(jīng)濟(jì)。8)易于升級(jí)[10] USB協(xié)議簡(jiǎn)介 USB物理體系結(jié)構(gòu)USB總線設(shè)備以星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的物理連接。這種由集線器提供的額外的接入點(diǎn)稱為端口(Port)。為主機(jī)提供附加功能的設(shè)備稱為功能模塊。這種結(jié)構(gòu)具有樹型結(jié)構(gòu)。復(fù)合設(shè)備根HUB主機(jī)設(shè)備設(shè)備HUB設(shè)備設(shè)備HUB設(shè)備設(shè)備 USB物理總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)USB的電纜有4根線，兩根傳送的是十5V電源，另外兩根是數(shù)據(jù)線。利用這種差模傳輸方式，接收端的靈敏度可以達(dá)到不低于200mV。 USB電纜信號(hào)定義編號(hào)信號(hào)名稱顏色注釋1VBUS紅色電源線2D白色數(shù)據(jù)3D+綠色+數(shù)據(jù)4GND黑色地線 USB設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu) USB的設(shè)備可以分成多個(gè)不同類型，同類型的設(shè)備可以擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議，這樣可以使設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫變得簡(jiǎn)單一些。，USB設(shè)備的物理連接不影響這個(gè)邏輯視圖。在USB協(xié)議規(guī)范中用4位地址標(biāo)識(shí)端點(diǎn)地址，每個(gè)設(shè)備最多有16個(gè)端點(diǎn)。管道(Pipe)實(shí)現(xiàn)了在主機(jī)的一個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)和設(shè)備的端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)USB系統(tǒng)軟件和設(shè)備的端點(diǎn)0之間的連接稱為缺省管道。管道分為流管道(Stream Pipe)和消息管道(Message Pipe)。而消息管道與流管道具有不同的行為。為了保證三個(gè)階段的數(shù)據(jù)傳輸，消息管道定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使命令可靠地被識(shí)別和傳輸。一個(gè)設(shè)備對(duì)主機(jī)表現(xiàn)為一組合適的端點(diǎn)，一組相關(guān)的端點(diǎn)稱為一個(gè)接口，有多個(gè)接口的設(shè)備稱為組合設(shè)備。每一組稱為一個(gè)配置，一次只能有一個(gè)配置是活動(dòng)的。大多數(shù)的設(shè)備只有一個(gè)配置和一個(gè)接口。當(dāng)設(shè)備第一次使用缺省管道插入時(shí)，主機(jī)讀取這些描述符。 USB傳輸類型在USB級(jí)，設(shè)備可以使用4種不同的傳輸類型通信:控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和等時(shí)傳輸。1)控制傳輸:主要用于命令袱態(tài)操作，由主機(jī)軟件發(fā)起的請(qǐng)求/響應(yīng)通信過程，具有突發(fā)性,非周期的特點(diǎn)。2)中斷傳輸:單向的并且對(duì)于主機(jī)來說只有輸入的通信方式。鍵盤，鼠標(biāo)和游戲桿都屬于這種類型。它具有非周期和突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)。打印機(jī)和掃描儀屬于這種類型。它要求有一個(gè)恒定的速率。 USB低層通信協(xié)議USB協(xié)議定義串行數(shù)據(jù)線路上發(fā)生的動(dòng)作。1）包 在串行線路上傳輸?shù)淖钚?shù)據(jù)塊是包，它僅沿一個(gè)方向發(fā)送，要么來自主機(jī)， 要么發(fā)送給主機(jī)。PID由8位組成，其中后4位是糾錯(cuò)位。一個(gè)事務(wù)通常由主機(jī)開始，一般分三個(gè)階段，第一階段發(fā)送令牌(token)包，第二階段發(fā)送是數(shù)據(jù)(data)包(可以沿任何一個(gè)方向發(fā)送)，在數(shù)據(jù)包傳送完之后，就會(huì)由設(shè)備返回一個(gè)握手(handshake)包。這個(gè)包包括一個(gè)11位的幀號(hào)，這個(gè)幀號(hào)從0到Ox7FF連續(xù)變化，并重新折回0，SOF包被所有高速設(shè)備看到。4）事務(wù)包結(jié)構(gòu)控制傳輸涉及主機(jī)給設(shè)備發(fā)送一個(gè)SETUP包、任一方向的0個(gè)或多個(gè)DATA包以及一個(gè)握手包。設(shè)備端點(diǎn)的定義確定它是中斷傳輸、塊傳輸還是同步傳輸。設(shè)備端點(diǎn)可以返回?cái)?shù)據(jù)。 PID類型[17]PID類型PID名PID[3:0]描述標(biāo)記（Token）輸出（OUT）0001B在主機(jī)到功能部件的事務(wù)中有地址+端口號(hào)輸入（IN）1001B在功能部件到主機(jī)的事務(wù)中有地址+端口號(hào)幀開始（SOF）0101B幀開始標(biāo)記和幀號(hào)建立（SETUP）1101B在主機(jī)到功能部件建立一個(gè)控制管道的事務(wù)中有地址+端口號(hào)數(shù)據(jù)(DATA)數(shù)據(jù)0（DATA0）0011B偶數(shù)據(jù)包PID數(shù)據(jù)1（DATA1）1011B奇數(shù)據(jù)包PID握手（Handshake）確認(rèn)（ACK）0010B接收器收到無(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包不確認(rèn)（NAK）1010B接收設(shè)備部不能接受數(shù)據(jù)，或發(fā)送設(shè)備不能發(fā)送數(shù)據(jù)停止（STALL）1110B端口掛起，或一個(gè)控制管道請(qǐng)求不被支持。打開到低速設(shè)備的下行總線通信。實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的接口連接，通常的做法有以下的兩種：一種是采用分離的USB接口芯片和微處理芯片。USB接口芯片常見的有PHILIPS的PDIUSBD11(I2C接口)，PDIUSBD11A，PDIUSBD12(并行接口)，National Semiconductor的USBN9602,USBN9604等。采用這種結(jié)構(gòu)開發(fā)USB設(shè)備成本較低，可靠性高。如Intel的8X930AX,CYPRESS的EZUSB,SIEMENS的C541以及MOTOLORA，National Semiconductors等公司的產(chǎn)品。因此，選擇的方案是功能強(qiáng)大，支持總線供電和設(shè)備自供電兩種方式的PDIUSBD12作為接口芯片來設(shè)計(jì)USB設(shè)備接口，單片機(jī)控制器作為下位機(jī)，通過USB接口芯片和USB總線與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的邏輯功能。本系統(tǒng)實(shí)際上是AT89S52和PDIUSBD12單片機(jī)組成的單片機(jī)系統(tǒng)。 51系列單片機(jī)最小系統(tǒng) AT89S52單片機(jī)的介紹和選用單片機(jī)采用51系列兼容的AT89S52單片機(jī)。其片內(nèi)具有8KB的可在線編程的Flash存儲(chǔ)器，比80C51單片機(jī)多4K的程序存儲(chǔ)器。所以我選用AT89S52單片機(jī)做此畢業(yè)設(shè)計(jì)。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止[16]。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。P1口: P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。對(duì)P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR）時(shí)，P2口送出高八位地址。在使用8位地址（如MOVXRI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無(wú)效。ALE/PROG:地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作將無(wú)效。否則，ALE將被微弱拉高。PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（PSEN）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。EA/VPP:訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 AT89S52與PDIUSBD12構(gòu)建的最小系統(tǒng)在設(shè)備電路中，真正起到USB設(shè)備實(shí)質(zhì)作用的只有單片機(jī)和USB接口芯片，所以本系統(tǒng)的重點(diǎn)是AT89S52單片機(jī)和PDIUSBD12接口芯片組成的單片機(jī)系統(tǒng)，也是最小系統(tǒng)。PDIUSBD12的GL_N接LED，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，LED在USB被連接時(shí)會(huì)發(fā)光，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)閃爍，LED常亮或一直不亮說明USB接口有問題。L1，L2是磁珠，分別串聯(lián)在電源和地中，USB總線電源從L1引入。對(duì)于自供電設(shè)備的電源必須要與總線的電源進(jìn)行隔離，自供電電源與USB總線的電源之間只能共地，同時(shí)設(shè)備不能通過USB口向VBUS輸出電流。同時(shí)，PDIUSBD12的時(shí)鐘輸出可以作為微處理器的外部晶振輸入[11]。74LS373 是一種帶三態(tài)門的8D鎖存器，其中：1D8D為8個(gè)輸入端，1Q8Q為8個(gè)輸出端。 OE為輸出允許端：當(dāng)OE=0時(shí)，三態(tài)門打開； 當(dāng)OE=1時(shí)，三態(tài)門關(guān)閉，輸出高阻。 AT89S52和外圍器件在構(gòu)建最小系統(tǒng)的同時(shí)，為了方便調(diào)試，還為單片機(jī)擴(kuò)展了8位LED輸出和8位撥碼開關(guān)控制的電平輸入，分別接在AT89S52的P1口和P2口上，LED可備調(diào)試設(shè)備固件程序時(shí)使用。 PDIUSBD12外圍電路及其與單片機(jī)的連接設(shè)計(jì) PDIUSBD12介紹 1) PDIUSBD12簡(jiǎn)介PDIUSBD12是一款性價(jià)比很高的USB器件。它還支持本地的DMA傳輸。它還符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格：成像類，海量存儲(chǔ)器件，通信器件，打印設(shè)備以及人機(jī)接口設(shè)備。它使得當(dāng)前使用SCSI的系統(tǒng)可以立即降低成本。此外它還集成了許多特性包括SoftConnetTM，GoodLinkTM，可編程時(shí)鐘輸出，低頻晶振和終止寄存器集合。 PDIUSBD12芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖(1) 模擬收發(fā)器集成的收發(fā)器接口可通過終端電阻直接與USB電纜相連。(3) PLL片內(nèi)集成了6M到48M時(shí)鐘乘法PLL。EMI也隨之降低。(4) 位時(shí)鐘恢復(fù)位時(shí)鐘恢復(fù)電路使用4X過采樣規(guī)則，從進(jìn)入的USB數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘。(5) Philips串行接口引擎PSIEPhilips SIE實(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層。該模塊的功能包括：同步模式的識(shí)別，并行/串行轉(zhuǎn)換，位填充/解除填充，CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生，PID校驗(yàn)/產(chǎn)生，地址識(shí)別和握手評(píng)估/產(chǎn)生。默認(rèn)狀態(tài)下不與VCC相連。這就允許系統(tǒng)微控制器在決定與USB建立連接之前完成初始化時(shí)序。PDIUSBD12在連接可以建立之前會(huì)檢測(cè)VBUS是否可用。(7) GoodLinkTMGoodLinkTM技術(shù)可提供良好的USB連接指示。當(dāng)PDIUSBD12成功地枚舉和配置后，LED指示將一直點(diǎn)亮。該特性為USB器件，集線器和USB通信狀態(tài)提供了用戶友好的指示。該特性降低了現(xiàn)場(chǎng)支持和熱線的成本。這就允許微控制器以它自己的速率對(duì)USB信息包進(jìn)行讀寫。對(duì)一個(gè)微控制器而言，PDIUSBD12看起來就像一個(gè)帶8位數(shù)據(jù)總線和一個(gè)地址位（占用2個(gè)位置的）存儲(chǔ)器件。還支持主端點(diǎn)與本地共享RAM之間直接讀取的DMA傳輸。4) PDIUSBD12引腳極其功能： PDIUSBD12的引腳定義符號(hào)類型描述1DATA0IO2雙向數(shù)據(jù)位02DATA1IO2雙向數(shù)據(jù)位13DATA2IO2雙向數(shù)據(jù)位24DATA3IO2雙向數(shù)據(jù)位35GNDP地6DATA4IO2雙向數(shù)據(jù)位47DATA5IO2雙向數(shù)據(jù)位58DATA6IO2雙向數(shù)據(jù)位69DATA7IO2雙向數(shù)據(jù)位710ALEI地址鎖存允許。11CS_NI片選（低電平有效）12SUSPENDLOD4芯片進(jìn)入掛起狀態(tài)13CLKOUTO2可編程時(shí)鐘輸出14INT_NOD4中斷輸出（低電平有效）15RD_NI讀使能（低電平有效）16WR_NI寫使能（低電平有效）17DMREQO4DMA請(qǐng)求18DMACK_NIDMA響應(yīng)（低電平有效）19EOT_NIDMA傳輸結(jié)束（低電平有效）20RESET_NI異步復(fù)位（低電平有效）。21GL_NOD8GoodLink LED指示22XTAL1I晶振連接123XTAL2O晶振連接2。1選擇命令，0選擇地址。PDIUSBD12采用28PIN腳模式，SO28和TSSOP28封裝。 PDIUSBD12與單片機(jī)的連接圖中，ALE接為低電平表示一個(gè)獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線配置PDIUSBD12的A0腳與AT89S52的任意一個(gè)I/O 口相連。AT89S52的多位地址和數(shù)據(jù)總線可直接與PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線相連。使用5V電源供電時(shí)，Vcc接5V；，設(shè)備選擇的是5V電源供電。，D12的D0～D7引腳接系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，A0接數(shù)據(jù)線A0，片選信號(hào)接數(shù)據(jù)線A5，這樣D12的數(shù)據(jù)口地址就可以定為10h，而地址口地址定為11h（由于A5不參與其它芯片的地址譯碼，所以這樣的地址分配不會(huì)引起沖突）[5]。擴(kuò)展單片機(jī)系統(tǒng)具體來說，就是以擴(kuò)展存儲(chǔ)空間的方式，給每個(gè)外圍器件分配一個(gè)或者多個(gè)地址，即將單片機(jī)最小系統(tǒng)的地址總線按一定的規(guī)律譯碼，使得某些特定的地址組合時(shí)器件的片選有效，同時(shí)外圍數(shù)字器件就能夠在單片機(jī)的控制下與單片機(jī)通信。 PS/2串行接口的擴(kuò)展設(shè)計(jì)PS/2接口擴(kuò)展可用于連接傳統(tǒng)的PS/2接口鍵盤或者鼠標(biāo)，在單片機(jī)中使軟件的方法，使設(shè)備整體在邏輯上被主機(jī)認(rèn)為是一個(gè)USB接口的鍵盤或者鼠標(biāo)，并且能夠正常工作。 PS/2接口引腳定義[18]引腳123456功能未定義Vcc未定義DataGndClkPS/2接口中有定義的引腳只有4個(gè)，其中包含兩條電源和地，另外2條Data和Clk上傳輸?shù)腡TL電平信號(hào)，可以直接用單片機(jī)來處理。補(bǔ)充一點(diǎn)：硬件上鍵盤的PS/2接口與鼠標(biāo)的PS/2接口實(shí)際上有區(qū)別，就是PS/2鼠標(biāo)一側(cè)，Data和Clk兩個(gè)端口都是集電極開路OC輸出，而在主機(jī)的PS/2鼠標(biāo)接口上Data和Clk兩條線與Vcc之間都加了10KΩ的上拉電阻，這樣PS/2鼠標(biāo)