引言
基于USB接口的设备使用方便，性价比高，因此在人们的工作和生活中得到了广泛的应用，如U盘、移动硬盘、移动光驱、USB摄像头、USB鼠标键盘等。同时，51 系列单片机以其成熟的技术和高性价比吸引了大量国内用户，被广泛应用于测控和自动化领域。因此，如果在51 单片机系统中增加USB 主机接口，实现对USB 从机设备的控制，则该单片机系统可充分利用现有的各种USB从机设备，大大扩展单片机系统的功能。
本设计实现了在51单片机系统中增加USB主机功能，采用普通51单片机外接专用USB接口芯片的方案。这种方案虽然会使系统传输速度受到限制，而且在稳定性方面有所欠缺，但此方案设计灵活性高，且易于移植，为低成本产品的开发提供了广阔前景。设计中采用的51单片机是Atmel公司的AT89S52芯片，USB主机功能的扩展通过外接专用USB接口芯片SL811HS实现。CYPRESS公司的USB接口芯片SL811HS可以工作在主机或从机模式，支持USB1.1的全速和低速数据传输。工作在主机模式时，SL811HS可以自动检测外设的插拔动作，可以按照外处理器(如单片机)的要求自动把数据整合为USB协议数据包进行数据传输。
图 1 系统硬件示意图
本文将介绍单片机AT89S52控制SL811HS的硬件设计和底层驱动的编写，其中重点讲述底层驱动的设计。
硬件设计
系统的硬件原理图如图1所示。AT89S52的供电电压为5V，SL811HS的为3.3V。尽管供电电压不同，但根据芯片引脚的信号噪声容限参数分析可知，AT89S52与SL811HS之间的引脚可以直接相连，不需要电平转换或缓冲。
表1 USB主机枚举操作驱动的层次关系
软件设计
USB主机驱动是一个高低层子程序的组合，实现USB传输和控制的过程是较高层子程序调用较低层子程序的过程。编写USB主机驱动时，可接从低层往高层的顺序逐层进行。
以USB主机枚举从机设备的操作为例，实现该功能所需要的各层子程序层次关系如表1所示。本文将介绍较低层的几个子程序的实现，包括读写SL811HS内部寄存器、传输事务的实现、设备插拔检测、复位等，其中，“传输事务的实现”是关键和难点，同时也是本文的重点。
单片机读写SL811HS
内部寄存器
读写SL811HS内部寄存器子程序是最低层的子程序，系统所进行的各种操作主要都是通过调用这些子程序读写SL811HS内部寄存器实现的。例如，通过读取SL811HS的状态寄存器获取SL811HS的状态信息可以实现设备插拔检测、设备速度检测等，通过向SL811HS的相关控制寄存器写入控制字节可以实现USB总线复位以及USB数据传输等操作。
SL811HS内部寄存器
从编程结构的角度来看，SL811HS内部寄存器一共有256个单元，每个单元是一个字节，其中地址为[00H]~[0FH]的前16个单元是SL811HS的状态寄存器或控制寄存器(统称为特殊寄存器)，其余的是数据缓冲寄存器。表2列出了16个特殊寄存器的名称和主要功能含义。
表2 SL811HS内部特殊寄存器简介
单片机读写SL811HS
内部寄存器的实现
按照SL811HS的读写控制信号时序图编写单片机读写SL811HS内部寄存器的子程序，使各控制引脚上按照规定的时序给出符合要求的信号脉冲。 在这个程序中，单片机指令周期的大小将直接影响输出信号的保持时长和时序关系。
初始化
初始化操作主要包括SL811HS芯片复位、USB总线复位、设备插拔检测和设备USB数据传输速度检测等。通过这些初始化操作，SL811HS将作为USB主机与从机之间建立一个底层协议连接关系，为后续的数据通信做好准备。
SL811HS芯片复位
USB接口芯片SL811HS的复位是对芯片的状态进行复位，包括了对芯片内部寄存器值的复位。实现该操作不需要读写接口芯片内部寄存器，只需向接口芯片的复位引脚输入一个有效的复位脉冲即可。
USB总线复位
按照USB协议，USB总线复位是指在USB数据线上输出SE
0态，并保持10ms以上，接在USB总线上的从机设备收到这个复位信号后就会进行自身的复位操作，为接下来的USB数据传输做好准备。通过设置接口芯片的CtrlReg[05H]寄存器的第4、3位为逻辑”01”，并保持10ms，然后再把它们恢复为逻辑”00”，就可以让接口芯片产生USB总线复位信号。
设备拔插检测和设备速度检测
在USB协议的物理层上，USB从机设备是否接在USB总线上是通过检测总线的电压得知的。根据该电压的高低，还可获知USB总线上的设备所支持的速度(例如，在USB1.1协议中，分有低速和全速)。 USB主机接口芯片SL811HS把这个物理层的电压检测结果反映到状态寄存器的取值上，通过读取这些状态寄存器的值，可以获知当前的设备插拔状态和设备速度。
USB主机所进行的初始化操作除了上述3项外，还包括帧起始包启动/禁止的设置、帧同步设置、帧定时初值的设置等，它们都是通过对接口芯片特殊寄存器进行读写而实现的。
传输事务的实现
根据USB1.1协议，一个传输事务一般包含3个包(Packet)的传输，分别是标记包(Token Packet)、数据包(Data Packet)和握手包(Handshake Packet)。USB数据传输方式一共有四种，分别是控制传输(Control Transfer)、同步传输(Isochronous Transfer)、中断传输(Interrupt Transfer)和批传输(Bulk Transfer)。其中，控制传输方式至少由2个传输事务构成，其它三种传输方式则都各由１个传输事务构成。可见，传输事务在USB传输中至关重要。
一个典型的传输事务含有3个包的传送，这连续的3个包数据流如表3所示。
表3 一个传输事务的数据流示意
使用SL811HS设计USB主机系统时，用户只需让单片机设置SL811HS内部几个相关的特殊寄存器，然后把传输事务启动位使能(置为逻辑’1’)，就可以让接口芯片自动完成这个包的发送与接收。在表3所示的例子中，第n个包(标记包)和第n+2个包(握手包)都是由主机发送给从机的，第n+1个包(数据包)是由从机发送给主机的。这个传送方向和第n+2个包的传送方向都是由标记包中的标识域取值决定的，其规则可参考USB协议。
如果传输事务的数据包是由从机发送给主机，则该传输事务属于输入类型，称为输入传输事务，反之则称为输出传输事务。可见，表3例子是一个输入传输事务。对于一个输入传输事务，单片机通过设置SL811HS内部特殊寄存器就可以决定其取值的包域主要有：标记包中的标识域、地址域和端点域，数据包中的标识域。在输入传输事务中，虽然数据包并不是由主机发送的，但之所以仍需要单片机设置与数据包标识域相关的寄存器，是因为主机在该传输事务中将只认可标识域符合所设置值的数据包。其余部分，如标记包中的其它域及握手包的内容则都是SL811HS根据情况自动产生的。
主机接口芯片SL811HS完成一次输入传输事务后，如果传输成功，单片机就可以从SL811HS的数据缓冲寄存器读到从机发送过来的数据。此处，数据缓冲区的首地址是由单片机预先通过设置控制寄存器指定的。
对于输出传输事务，单片机同样需要设置相关的寄存器以确定标记包的标识域、地址域、端点域和数据包的标识域，以及存放发送数据的缓冲区首地址，并且，这个缓冲区中的数据也是由单片机写入的。
具体地，单片机控制USB主机接口芯片进行一次传输事务所需要执行的操作步骤如下：
首先，如果是输出传输事务，则需要把将在数据包中发送给从机的数据存放到SL811HS的数据缓冲区中。
其次，做好相关的传输准备工作，即设置接口芯片中的4个特殊寄存器。这4个寄存器的名称及其在传输事务中的作用如表4的前4项所列。
表4 与传输事务
直接相关的SL811HS特殊寄存器
第三，启动传输事务：把寄存器EP0Control[00H]或EP1Control[08H]的第0位(即传输事务启动位)置为逻辑’1’即可启动传输事务。但在此之前必须把这个寄存器中其它位设置好(或与启动位同时设置)，与这个寄存器相关的包域如表4中最后一项所列。
第四，单片机读取寄存器EP0Status[03H]或EP1Status[0BH]的值，以获知此次事务传输的完成情况。
最后，如果传输成功，而且该传输事务是输入性质的，则单片机可读取数据缓冲区，获得由从机发送过来的数据。
结语
在51单片机控制USB接口芯片SL811HS的底层驱动中，读写SL811HS内部寄存器的子程序是最低层的，各种USB传输的较低层操作，如总线复位、插拔检测、速度检测以及传输事务等，都主要是通过读写SL811HS内部特殊寄存器实现的。其中，传输事务的实现就直接涉及了5个特殊寄存器的读写。