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，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，则该单片机系统可以充分利用现有的各种USB从机设备，大大扩展单片机系统功能。

　　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。

　　本文将介绍单片机AT89S52控制SL811HS的硬件设备和底层驱动的编写，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。

　　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，可按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。

　　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SE0态，并保持10ms以上，接在USB总线上的从机设备受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数据传输作好准备，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。

　　设备插拔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，还可获得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应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的设备速度。

　　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）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，其他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。

　　使用SL811HS设计USB主机系统时，用户只需要让单片机设置SL11HS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3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）都是由主机法给从机的，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，其规律可参考USB协议。