引言

几乎没有人会否认USB（Universal Serial Bus）接口的使用方便性。对许多USB设备开发者而言，除了像一般用户那样感受到连接方便外，还会青睐许多USB接口芯片配有的较成熟的枚举程序和固件程序。这些程序如果全部要开发者从头编写，决非一朝一夕之功，难度要远大于I2C和SPI等嵌入式总线。但是，对于USB原理的学习者来讲，不尝试一下USB芯片的底层编程，什么都用别人编好的程序，恐怕也说不过去。

底层编程首先要过枚举这一关。众多公司成熟的枚举程序采用中断方式编程。事实上，为了跟踪、显示和学习枚举过程的每一细节，采用查询方式编程更为可取。本文以Microchip公司的PIC18F2455单片机为例[1]，采用查询方式，对枚举过程的前5个控制传输给出了较为详细的编程流程。有关思路对其他型号的单片机也具一定参考价值。

1PIC18F2455中的USB底层编程

1.1CPU与SIE

CPU与USB总线连接示意图如图1所示。USB SIE（Serial Interface Engine）称为串行接口引擎，CPU通过它跟USB总线打交道。1 KB的USB RAM是双端口存储器，USB各端点的缓冲区描述符及缓冲区本身都设在这一部分。虽然硬件上允许CPU和SIE同时访问USB RAM，但编程时要尽量避免，否则会出现不可预料的结果。

图1CPU与USB总线连接示意图

图2中BDnSTAT是端点n的缓冲区描述符状态寄存器。当UOWN位=0时，CPU拥有相关RAM区；而当UOWN位=1时，RAM区为SIE拥有，当某事务完成时SIE将UOWN清零。

图2重要寄存器及标志位

1.2缓冲区及其描述符

USB可允许4种传输方式，设备中又可以支持多个端点[2]。为了便于循序渐进地学习，把握主要原理，在下面的实验流程中只对应控制传输方式，并且只设一个端点0（简称EP0）。图3中，EP0 OUT描述符服务于主机往设备发送数据包（SETUP事务或OUT事务时）。其中，BD0STAT是对应图2的状态寄存器，BD0CNT是主机通过SIE送来的实际字节数，BD0ADRH和BD0ADRL分别是该描述符所指缓冲区首地址的高低字节。类似地，EP0 IN描述符服务于设备往主机发送数据包（IN事务时），其中BD0CNT代表设备发送给主机的字节数。

图3EP0OUT和IN描述符

1.3事务与中断

对单片机PIC18F2455来说，USB通信既可以采用查询方式又可以采用中断方式。在实际应用系统中多考虑中断方式，但是，为了学习USB枚举过程，查询方式优势明显，便于跟踪程序状态变化。图2中UIR为8位中断状态寄存器，重要的一个标志位是TRNIF（事务完成标志位）。当待处理的事务完成时，TRNIF被置1。例如：枚举一开始，主机往设备发送一SETUP令牌包，接着主机再往设备发送一数据包（取设备描述符的请求），设备再发给主机一个ACK应答包。整个过程完毕时标志一个SETUP事务完成，TRNIF被置1，此时可以中断CPU（如果单片机的中断已被允许的话）。如果中断被禁止，程序可以等待并查询TRNIF，一旦发现等于1，马上继续后续枚举过程，这正是本文采用的方式。

2枚举编程流程

因篇幅有限，下面只给出枚举过程的前5次控制传输，从首次取设备描述符开始，到全部读出配置信息为止。

2.1第1次控制传输：SETUP-IN-OUT（STATUS）

（1） 建立阶段（一个SETUP事务）

① 为SETUP事务预期一个OUT型数据包（8字节来自主机的GetDescriptor（Device）请求），且请求设备在数据阶段传输8个字节。实验中EP0（端点0）为OUT型数据准备的缓冲区首地址设为500H（该地址放在402H 403H单元）。

② SIE 拥有OUT缓冲区，等待SETUP事务。

③ 判断是否有 TRNIF 中断。如果有，说明出现了一个SETUP事务，即设备已收到GetDescriptor（Device）请求。

（2） 数据阶段（一个IN事务）

① 为IN事务准备一个IN型数据包（8字节Descriptor（Device）），实验中EP0为IN型数据准备的缓冲区首地址设为510H（该地址放在406H 407H单元）。

② SIE拥有IN缓冲区，等待IN事务。

③ 判断是否有 TRNIF中断。如果有，说明出现了一个IN事务，即主机已收到8字节Descriptor（Device）。

（3） 状态阶段（一个OUT事务）

① 为OUT事务预期一个OUT型数据包（任意字节来自主机的STATUS空数据）。

② SIE 拥有OUT缓冲区，等待OUT事务。

③ 判断是否有 TRNIF 中断。如果有，说明出现了一个OUT事务，即设备已收到STATUS空数据。

2.2第2次控制传输：SETUP-IN（STATUS）

（1） 建立阶段（一个SETUP事务）

与第1次控制传输的建立阶段类似，但本次是8字节来自主机的SetAddress请求，无数据阶段，分配给设备的Address在本阶段捎带传递。缓冲区与前同。

（2） 状态阶段（一个IN事务）

① 为IN事务准备一个IN型数据包（0字节送往主机的STATUS空数据）。

② SIE拥有IN缓冲区，等待IN事务。

③ 判断是否有 TRNIF 中断。如果有，说明出现了一个IN事务，即主机已收到0字节STATUS。

2.3第3次控制传输：SETUP-IN-OUT（STATUS）

（1） 建立阶段（一个SETUP事务）

与第1次控制传输的建立阶段类似，但本次是8字节来自主机的“GetDescriptor（Device） with new address”请求，且请求设备在数据阶段传输18字节。

（2） 数据阶段（一个IN事务）

与第1次控制传输的数据阶段类似，但本次的IN型数据包是18字节送往主机的Descriptor（Device） with new address。

（3） 状态阶段（一个OUT事务）

与第1次控制传输的状态阶段相同。

2.4第4次控制传输：SETUP-IN-OUT（STATUS）

（1） 建立阶段（一个SETUP事务）

与第1次控制传输的建立阶段类似，但本次是8字节来自主机的“GetDescriptor（Configuration）”请求，且请求设备在数据阶段传输9字节。

（2） 数据阶段（一个IN事务）

与第1次控制传输的数据阶段类似，但本次的IN型数据包是9字节送往主机的Descriptor（Configuration）。

（3） 状态阶段（一个OUT事务）

与第1次控制传输的状态阶段相同。

2.5第5次控制传输：SETUP-IN-OUT（STATUS）

（1） 建立阶段（一个SETUP事务）

与第1次控制传输的建立阶段类似，但本次是8字节来自主机的“GetDescriptor（Configuration）”请求，且请求设备在数据阶段传输18字节。

（2） 数据阶段（一个IN事务）

与第1次控制传输的数据阶段类同，但本次的IN型数据包是18字节Descriptor送往主机，包括9字节Descriptor（Configuration）和9字节Descriptor（Interface）。实验中只设EP0一个端点，故不要送Descriptor（Endpoint）。

（3） 状态阶段（一个OUT事务）

与第1次控制传输的状态阶段相同。

3结论

采用汇编语言编程。运行程序时，每到一个阶段，可以设置断点变量，以便观察中间结果，如果借助于编程工具（如ICD2）则更方便。例如，第1次控制传输的建立阶段结束时，可以看看OUT缓冲区中有没有 GetDescriptor（Device）请求；第2次控制传输的建立阶段结束时，可以看看OUT缓冲区中有没有主机分配给设备的USB新地址。如此可以极大地提高学生的学习兴趣，将较复杂的USB实际过程摆到前台。当然这里未考虑通信出错等异常情况，但学习首先应学主干，即使某次出现通信异常，将程序从头运行再试即可。