USB概述及S3C2440 USB DEVICE

USB概述

USB主要用于中速和低速的外设。USB通过PCI总线和PC机的内部系统数据线连接，实现数据的传送。USB的网络协议中规定每个USB的系统有且仅有一个HOST。

USB2.0协议的理论速度是480Mb/s ，现在的USB3.0协议理论速度能达到4Gb/s。

主要特点： 

支持即插即用，传输速度快，连接方便，独立供电，低成本；USB 使用一个4针插头作为标准插头，通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把多达127个的 USB 外设连接起来，所有的外设通过协议来共享 USB 的带宽。 

组成：

USB 规范中将 USB 分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB 设备以及针对不同USB 设备的客户驱动程序。 

控制器（Host Controller），主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令，如位于 PC 主板的USB 控制芯片。 

控制器驱动程序(Host Controller Driver)，在控制器与USB 设备之间建立通信信道，一般由操作系统或控制器厂商提供。 

USB芯片驱动程序(USB Driver)，提供对USB芯片的支持，设备上的固件。 

USB设备(USB Device)，包括与 PC 相连的USB 外围设备。 

设备驱动程序(Client Driver Software)，驱动USB 设备的程序，一般由USB 设备制造商提供。

传输方式：

每次传输会分解成若干个数据包在USB总线上传输。每次传输必须经历两个或三个部分，第一部分是USB控制器向USB设备发出命令，第二部分是USB控制器和USB设备之间传递读写请求，其方向主要看第一部分的命令式读还是写，第二部分有时可以没有。第三部分是握手信号。

1.控制传输方式：负责向USB设置一些控制信息，传送这种事务的管道是控制管道。在每个USB设备中都会有控制管道，也就是说控制管道在USB设备中是必须的。控制传输也分为三个阶段，令牌阶段、数据传送阶段、握手阶段。

2.同步传输方式：该方式用来联接需要连续传输数据，且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备，如麦克风、嗽叭以及电话等。同步传输方式以固定的传输速率，连续不断地在主机与 USB 设备之间传输数据，在传送数据发生错误时，USB 并不处理这些错误，而是继续传送新的数据。同步传输方式的发送方和接收方都必须保证传输速率的匹配，不然会造成数据的丢失。

同步传输事务只有两个阶段，令牌阶段、数据阶段，因为不关心数据的正确性，故没有握手阶段。

3.中断传输 (Interrupt)：该方式用来传送数据量较小， 但需要及时处理， 以达到实时效果的设备，

此方式主要用在偶然需要少量数据通信，但服务时间受限制的键盘、鼠标以及操纵杆等设备上。 也分上述三个阶段。

4.批量传输方式：主要是大块的数据，传输这种事务的管道叫做Bulk管道。这种事务传输的时候分为三个部分：第一部分是HOST端发出一个BULK的令牌请求，如果令牌是IN请求则是从Device到Host端的请求，如果是OUT令牌，则是从HOST到DEVICE端的请求。第二部分是传输数据的阶段，根据先前请求的令牌的类型，数据传输有可能是IN方向和OUT方向。传输数据的时候用DATA0和DATA1令牌携带着数据交替传送。第三部分是握手信号。如果是IN方向，数据信号应该是HOST端发出，如果是OUT方向，握手信号应该是DEVICE端发出。握手信号可以是ACK，表示正常响应，也可以是NAK表示没有正确传送。STALL表示出现主机出现不可预知的错误。在第二部分，数据传送由DATA0和DATA1数据包交替传送。数据传输格式DATA1和DATA0，两个是重复数据，确保在1数据丢失时0可以补上，不止数据丢失。

USB描述符：

USB设备通过描述符来反映他们的属性。描述符是有定义好的格式的数据结构，每个描述符以一个字节打头表明本描述符的长度，紧跟其后是一个字节的描述符类信息。

一个USB设备有一个设备描述符，设备描述符里面决定了该设备有多少种配置，每种配置描述符对应着配置描述符；而在配置描述符中又定义了该配置里面有多少个接口，每个接口有对应的接口描述符；在接口描述符里面又定义了该接口有多少个端点，每个端点对应一个端点描述符；端点描述符定义了端点的大小，类型等等。由此我们可以看出，USB的描述符之间的关系是一层一层的，最上一层是设备描述符，下面是配置描述符，再下面是接口描述符，再下面是端点描述符。在获取描述符时，先获取设备描述符，然后再获取配置描述符，根据配置描述符中的配置集合长度，一次将配置描述符、接口描述符、端点描述符一起一次读回。其中可能还会有获取设备序列号，厂商字符串，产品字符串等。

以下详细介绍USB描述符：

//设备描述符

struct USB_Dev_descriptor

{

U8 blength;                      //设备描述符的字节数大小

U8 bDescriptorType;               //设备描述符类型编号

U16 bcdUSB;                    //USB版本号

U8 bDeviceClass;                 //USB分配的设备类代码

U8 bDeviceSubClass;              //USB分配的子类代码

U8 bDeviceProtocol;               //USB分配的设备协议代码

U8 bMaxPacketSize0;              //端点0的最大包大小

U16 idVendor;                    //厂商编号

U16 idProduct;                    //产品编号

U16 bcdDevice;                   //设备出厂编号

U8 iManufacturer;                 //设备厂商字符串的索引

U8 iProduct;                      //描述产品字符串的索引

U8 iSerialNumber;                 //描述设备序列号字符串的索引

U8 bNumConfigurations;            //可能的配置数量

}descDev;

//配置描述符

struct USB_Con_descriptor

{

U8 bLength;                      //配置描述符的字节数大小

U8 bDescriptorType;               //配置描述符类型编号

U8 wTotalLength;                 //此配置返回的所有数据大小

U8 bNumInterfaces;                //此配置所支持的接口数量

U8 bConfigurationValue;           //Set_Configuration命令所需要的参数值

U8 iConfiguration;                 //描述该配置的字符串的索引值

U8 bmAttributes;                  //供电模式的选择

U8 MaxPower;                    //设备从总线提取的最大电流

}descCon;

//接口描述符

struct USB_Inf_descriptor

{

U8 bLength;                      //接口描述符的字节数大小

U8 bDescriptorType;               //接口描述符的类型编号

U8 bInterfaceNumber;              //该接口的编号

U8 bAlternateSetting;              //备用的接口描述符编号

U8 bNumEndpoints;               //该接口使用的端点数，不包括端点0

U8 bInterfaceClass;                //接口类型

U8 bInterfaceSubClass;             //接口子类型

U8 bInterfaceProtocol;              //接口遵循的协议

U8 iInterface;                     //描述该接口的字符串索引值

}descInf;

//端口描述符

struct USB_Epn_descriptor

{ 

U8 bLength;                      //端点描述符字节数大小

U8 bDescriptorType;               //端点描述符类型编号

U8 bEndpointAddress;              //端点地址及输入输出属性

U8 bmAttributes;                  //端点的传输类型属性

U16 wMaxPacketSize;             //端点收、发的最大包大小

U8 bInterval;                    //主机查询端点的时间间隔

}descEp0,descEp1;

描述符配置实例：

void USB_descriptor()

{

//设备描述符

descDev.blength=0x12; //设备描述符的字节数大小，这里是18字节

descDev.bDescriptorType=1; //设备描述符类型编号，设备描述符是01

descDev.bcdUSB=0x0110; //USB版本号，这里是USB01.10，即USB1.1。

descDev.bDeviceClass=0xFF;

descDev.bDeviceSubClass=0;

descDev.bDeviceProtocol=0;

descDev.bMaxPacketSize0=8; //端点0的最大包大小，这里为8字节

descDev.idVendor=0x5345;

descDev.idProduct=0x1234;

descDev.bcdDevice=0x100;

descDev.iManufacturer=1;

descDev.iProduct=2;

descDev.iSerialNumber=0;

descDev.bNumConfigurations=1;

//配置描述符

descCon.bLength=9; //配置描述符的字节数大小

descCon.bDescriptorType=2; //配置描述符类型编号

descCon.wTotalLength=0x20; //配置描述符集合的总大小

descCon.bNumInterfaces=1; //只包含一个接口

descCon.bConfigurationValue=1; //该配置的编号

descCon.iConfiguration=0; //iConfiguration字段

descCon.bmAttributes=0x80; //采用总线供电，不支持远程唤醒

descCon.MaxPower=25; //从总线获取最大电流50mA

//接口描述符

descInf.bLength=9;   //接口描述符的字节数大小，这里为9

    descInf.bDescriptorType=4;     //接口数4

    descInf.bInterfaceNumber=0; //接口编号为4

    descInf.bAlternateSetting=0;  //该接口描述符的编号为0

    descInf.bNumEndpoints=2; //非0端点数量为2，只使用端点主端点输入和输出

    descInf.bInterfaceClass=0xff; 

    descInf.bInterfaceSubClass=0;  

    descInf.bInterfaceProtocol=0;

    descInf.iInterface=0; //接口描述符字符串索引，为0，表示没有字符串

    //端口描述符

    descEp0.bLength=7;     //端点描述符的字节数大小，这里为7

    descEp0.bDescriptorType=5;    //端点描述符类型编号，端点描述符为5

    descEp0.bEndpointAddress=0x81; //端点号，主输入端点                             

    descEp0.bmAttributes=2;  //使用的传输类型，批量传输

    descEp0.wMaxPacketSize=32; //该端点支持的最大包尺寸，64字节

    descEp0.bInterval=0; //中断扫描时间，对批量传输无效

    descEp1.bLength=7;    

    descEp1.bDescriptorType=5;         

    descEp1.bEndpointAddress=3;

    descEp1.bmAttributes=2;

    descEp1.wMaxPacketSize=32;

    descEp1.bInterval=0;

}

USB设备枚举过程：

1. 主机检测到设备插上，总线复位：当设备与主机连接时，主机将检测到连接条件。当USB线的D+数据线拉至Vse以上2.5us时，主机就开始进行总线复位。

2. 主机读取设备描述符（第一次）：主机连接时使用默认地址（0）读取设备描述符。S3C2440的端点0的缓冲区是16个字节，程序中设置为8个字节，故S3C2440作为设备先发送8个字节的设备描述符。当主机接收到这8个字节后，就认为有设备连接，即发送一个0字节的数据包到设备作为应答。

3. 分配地址：主机给设备分配一个地址。默认分配地址为0x02，在以后通信中，设备只对0x02地址的信息应答。

4. 主机从新地址获取设备描述符：程序中接收数据包设置成8字节，18字节的设备描述符要分3次发送。最后主机发送一个0字节的数据包到设备作为应答。

5. 主机获取配置描述符。

6. 主机读取描述符集合：主机除了读取设备描述符和配置描述符之外，还读取接口描述符。在这里主机使用再次读取配置的方法来读取配置描述符、接口描述符和端点描述符的集合。这里请求的字节数为0xFF。

7. 设置配置：主机读取完描述符后，需要对设备进行配置，使设备从地址状态进入配置状态。

8. 读取配置状态（可选）：主机设置完配置后，设备即可使用。主机有时会对设备的状态进行读取。

9. 读取接口状态（可选）。

S3C2440 USB DEVICE

S3C2440 USB DEVICE简介：

USB设备控制器采用DMA接口方案，提供全速高性能的控制器，允许控制传输、中断传输和DMA接口的批量传输。它兼容USB1.1,具有5个带FIFO的端点：端点0(EP0，16字节，双向控制端点)、端点1，2,3,4(128字节，中断或DMA，批量端点)。

USB初始化：

1. UCLK初始化：USB主机和USB设备接口都需要48MHz的时钟。在S3C2440中，这个时钟是由UPLL（USB专用）提供，所以操作前要对UPLLCON寄存器进行设置。由于CLKDIVN(DIVN_UPLL)和CLKSLOW(UCLK_ON)两个寄存器中有关UCLK的位的初始值均为0，故只要设置UPLLCON=0x38022。

2. 初始化描述符，见描述符配置实例。

3. 重新配置USB设备：主要配置各端点的最大包字节数，传输模式，IN/OUT（数据方向）和使能需要的中断。

需要设置的寄存器有：电源管理寄存器PWR_REG、索引寄存器INDEX_REG（对各端点进行设置前要使索引寄存器指向该端点，如设置端点0，INDEX_REG=0。）、最大包寄存器MAXP_REG、端点0控制状态寄存器EP0_CSR、端点输入控制状态寄存器IN_CSR1_REG、端点输入控制状态寄存器2（IN_CSR2_REG）、端点输出控制状态寄存器OUT_CSR1_REG、端点输出控制状态寄存器2（OUT_CSR2_REG）、端点中断寄存器EP_INT_REG、USB中断寄存器USB_INT_REG、端点中断使能寄存器EP_INT_EN_REG、USB中断使能寄存器USB_INT_EN_REG。

各寄存器的具体设置请参考有关手册（可参考GEC2440实战手册或芯片手册）。

实例：

void USB_reset()

{

rPWR_REG=0; //禁止睡眠模式

    rINDEX_REG=0; //对EP0有关的寄存器进行操作

    rMAXP_REG=1;    //EP0最大包8字节  

    rEP0_CSR=0xC0; 

    rINDEX_REG=1; //对EP1有关的寄存器进行操作

    rMAXP_REG=4; //EP1最大包32字节 

    rIN_CSR1_REG=(1<<6)|(1<<3); //冲掉FIFO中的数据，数据包中的PID保持DATA0 

rIN_CSR2_REG=(1<<5)|(1<<4)|(0<<6);  //IN模式,禁止DMA中断，批量传输模式     

rOUT_CSR1_REG=0x80; //数据切换序列位复位到DATA0    

rOUT_CSR2_REG=(0<<6)|(1<<5); //端点配置成批量传输模式，禁止中断   

    rINDEX_REG=2;

    rMAXP_REG=8; //EP2最大包64字节

    rIN_CSR1_REG=(1<<6)|(1<<3); 

    rIN_CSR2_REG=(1<<5)|(1<<4); 

    rOUT_CSR1_REG=0x80;    

    rOUT_CSR2_REG=(0<<6)|(1<<5); 

    rINDEX_REG=3;

    rMAXP_REG=4; //EP3最大包32字节

    rIN_CSR1_REG=(1<<6)|(1<<3); //冲掉FIFO中的数据，数据包中的PID保持DATA0

    rIN_CSR2_REG=(0<<5)|(1<<4);  //OUT模式,禁止DMA中断     

    rOUT_CSR1_REG=0x80;    

    rOUT_CSR2_REG=(0<<6)|(1<<5);  //端点配置成BULK模式，禁止中断   

    rINDEX_REG=4;

    rMAXP_REG=8; //EP4最大包64字节

    rIN_CSR1_REG=(1<<6)|(1<<3);

    rIN_CSR2_REG=(0<<5)|(1<<4);  //OUT模式,禁止DMA中断    

    rOUT_CSR1_REG=0x80;    

    rOUT_CSR2_REG=(0<<6)|(1<<5);    //端点配置成批量传输模式，禁止中断

    rEP_INT_REG=(1<<3)|(1<<2)|(1<<1)|(1<<0); //清除所有端点的中断

    rUSB_INT_REG=(1<<2)|(1<<1)|(1<<0);  //清零USB中断寄存器rEP_INT_EN_REG=(1<<3)|(1<<1)|(1<<0)/*0xD*/;//使能EP0，EP1，EP3中断

   rUSB_INT_EN_REG=4; //使能复位中断

    

}

4. 中断初始化：中断时指向中断服务程序。

数据传输：

一般采用中断传输模式，故进入中断后先判断中断类型，再具体执行中断类型的服务程序。如下程序：

void __irq USB_INT()

{

U8 usb_Int, Ep_Int;

    U8 Index=rINDEX_REG;  //保存索引寄存器值(现场保护)

    usb_Int=rUSB_INT_REG;      //保存中断标志寄存器

    Ep_Int=rEP_INT_REG;        

    if(usb_Int&1)      //总线上超过3ms没有活动信号引起中断

    {

     rUSB_INT_REG=1; //清除中断标志位     

    }

    if(usb_Int&2) rUSB_INT_REG=2;  //恢复引起的中断     

    if(usb_Int&4)        //接收到复位信号引起的中断

    {          

     USB_reset();             //重新配置USB设备

     rUSB_INT_REG=4;   //复位USB后清除复位中断    

        PrepareEp1Fifo();  //准备发送数据

    }

    if(Ep_Int&1)            //端点0中断

    {

rEP_INT_REG=1;  

     Ep0Handler();             //进入控制传输中断处理程序

    }

    if(Ep_Int&2)           

    {

     rEP_INT_REG=2;  

     Ep1Handler();             //进入Ep1中断处理程序(BULK IN)

    }

    if(Ep_Int&4) rEP_INT_REG=4;  

    if(Ep_Int&8)

    {

     rEP_INT_REG=8;

     Ep3Handler();             //进入Ep3中断处理程序(BULK OUT)

    }

    if(Ep_Int&0x10) rEP_INT_REG=0x10;     

    ClearPending(BIT_USBD);    //USB设备中断处理完毕，清除中断标志位 

    rINDEX_REG=Index;     //恢复索引寄存器原来的值(恢复现场)

}

其中控制传输中断服务程序（Ep0Handler()）处理主机向USB设备发出命令的中断。在此程序中，要分别对接收命令过程中出现的有效命令（即令牌包）写入（包括对命令内容的处理）、命令写入出错引起的停止、命令传输结束进行处理。Ep1/3中断处理程序处理数据的发送和接收，在数据发送和接收结束之后清除标志位。具体程序见实战手册（可参考GEC2440实战手册或2410_MDK实验教程）。