PIC18F2455/2550/4455/4550之通用串行总线USB

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PIC18FX455/X550 系列器件包含全速和低速兼容的USB串行接口引擎（Serial Interface Engine，SIE），它允许在任何USB主机和PIC单片机之间进行高速通信。可以利用内部收发器或通过外部收发器将SIE 直接连接到USB。内部的3.3V稳压器也可以在5V的应用中被用作内部收发器的电源。

USB模块还包含了某些特殊硬件以提高其工作性能。在器件的数据存储空间（USB RAM）中提供了双端口存储器，以便单片机和 SIE 之间可以直接进行存储器访问。此外，还提供了缓冲器描述符，允许用户任意设置USB RAM 空间中供端点使用的存储区。此外还提供了并行通信端口以方便大量数据的不间断传输，比如将数据等时传送到外部存储器缓冲器。

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USB 状态和控制

• USB控制寄存器（UCON ）：用于控制模块在传输过程中的操作，此寄存器包含控制行为的配置位。USBEN，将此位置1 前还是需要预先对模块进行全面的配置。PKTDIS位，当接受到SETUP令牌时，此位被SIE置1，以允许处理SETUP。单片机不能将此位置1，只能将此位清零，以允许SIE继续发送和或接收。RESUME位，允许外设通过执行恢复信令来进行远程唤醒。要进行有效的远程唤醒，固件必须将RESUME位置1 并保持此状态10 ms ，然后将此位清零。SUSPND 位将模块和支持电路（即稳压器）置于低功耗模式。 SIE 的输入时钟也被禁止。响应IDLEIF 中断时，该位必须由软件置位。在产生ACTVIF 中断之后，由固件将此位复位。当此位有效时，设备与与总线处于连接状态，但是收发器输出处于空闲状态。 VUSB引脚上的电压根据此位值的不同而变化。在 IDLEIF 请求之前将此位置1，将导致不可预料的总线行为。

• USB配置寄存器（UCFG ）：在通过 USB通信之前，必须对与模块相关的内部和 / 或外部硬件进行配置。大部分配置是使用UCFG 寄存器独立的。USB稳压器也是通过此配置寄存器控制的。UFCG 寄存器中的控制位可用于控制USB模块的绝大部分系统级行为，包括： • 总线速度（全速和低速）• 片上上拉电阻使能 • 片上收发器使能 • 乒乓缓冲器的使用。

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内部收发器，USB外设有一个内置的USB 2.0 全速和低速兼容的收发器，在USB内部与SIE 相连。此功能部件在低成本的单芯片应用中很有用。UTRDIS 位控制收发器，它在默认情况下是使能的（UTRDIS=0）。FSEN 位控制收发器的速度，将此位置1将使能全速工作模式。片上USB上拉电阻由UPUEN 位控制。

外部收发器，此模块为片外收发器提供支持。在因为物理条件限制而要求收发器远离SIE 的应用中要用到片外收发器。例如，需要与USB电气隔离的应用可以通过某些隔离元件将外部收发器连接到单片机的SIE。通过将UTRDIS 位置1 可以使能外部收发器。模块中有6 条信号线用来与外部收发器进行通信并控制外部收发器：

• VM ：单端D-线路输入（VM 和VP 信号将串行总线上不能用RCV 信号捕捉的情况报告给SIE。这些信号的组合状态和它们的说明在表17-1 和表17-2中列出。）

• VP：单端D+线路输入
• RCV：差分接收器输入（RCV信号是由外部收发器输出到SIE 的，它表示将串行总线上的差分信号转换为一串单脉冲序列）

• VMO：差分线路驱动器输出（VPO和VMO信号是由SIE 输出到外部收发器的）
• VPO：差分线路驱动器输出
• OE ：输出使能

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• USB传输状态寄存器（USTAT）：USB 状态寄存器报告SIE 中的事务状态。当SIE 发出USB传输完成中断信号时，应该读USTAT以确定传输的状态。 USTAT 包含传输端点编号、传输方向和乒乓缓冲器指针值（如果使用的话）。当SIE使用缓冲器读写数据结束后，它将更新USTAT寄存器。如果在为事务完成中断提供服务之前进行了另一次USB传输，SIE 将把下一次传输的状态保存到状态FIFO中。

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• USB设备地址寄存器（UADDR）：USB地址寄存器包含唯一的USB地址，当此地址有效时，可被外设识别。当接收到由URSTIF 表示的USB复位信号，或接收到来自单片机的复位信息时，UADDR 复位为00h。单片机必须在USB启动阶段（枚举）写入USB地址，该操作受Microchip USB固件支持。

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• 帧编号寄存器（UFRMH:UFRML）：帧编号寄存器包含 11 位帧编号。低字节被保存在UFRML中，而高3 位则被保存在UFRMH 中。不管是否接收到SOF令牌，都用当前帧编号更新该寄存器对。对于单片机而言，这些寄存器是只读的。帧编号寄存器主要用于同步传输。

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• 端点使能寄存器0 到15（UEPn）：

USB 端点控制：16个可用的双向端点中的每一个都有自己独立的控制寄存器UEPn（其中n 表示端点编号）。每个寄存器相应控制位的功能都是相同的。EPHSHK位控制端点握手，将此位置1将使能USB握手。通常，除使用同步端点以外，此位总是置1 的。EPCONDIS位用于使能或禁止通过端点进行的USB控制操作（SETUP）。清零此位将使能SETUP 事务；注意必须将相应的EPINEN和EPOUTEN 位置1 以使能IN和OUT事务。因为USB规范中端点0是默认控制端点，所以对于端点0 ，此位将总是被清零的。EPOUTEN 位用于使能或禁止主机的USBOUT事务。将此位置1 则使能OUT事务。同样，EPINEN 位将使能或禁止主机的 USB IN事务。EPSTALL 位用于指示端点的 STALL 状态。如果一个特殊的端点发出了一个STALL ，那么SIE 将把这对端点的EPSTALL位置1。此位将保持置1 直到由固件清零或SIE 复位。

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USB RAM：USB数据通过称为USB RAM的存储空间在单片机内核和SIE之间传送。 USB RAM 是一个特殊的双端口存储器，被映射到普通数据存储空间的Bank 4到Bank 7（400h到7FFh），总容量为 1KB。Bank 4 （400h到4FFh）专用于端点缓冲控制，而Bank 5到Bank7 可用于USB数据。根据所使用的缓冲类型，除了Bank 4的8 个字节之外，所有字节都可用作USB缓冲器空间。虽然USB RAM 可用作单片机的数据存储器，但由SIE访问的区域不能被单片机访问。这里采用了一种信号机制来确定任意给定时间内对专用缓冲器的访问。

帧：总线上的通信信息被划分为多个1ms的时隙，称为帧。每帧都包含多个设备和端点的多种事务。

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USB规范中定义了四种传输类型：

• 同步：这种传输类型可确保及时传递大量数据（最大为1023字节），但是不能保证数据的完整性。它适用于丢失少量数据无关紧要的通信应用，比如音频数据。

• 批量：这种传输类型允许在传输大量数据的同时确保数据的完整性，但是传输时限不能保证。
• 中断：这种传输类型可以确保及时传输少量数据，并确保数据的完整性。
• 控制：这种类型提供设备启动控制。全速设备支持所有传输类型，而低速设备只能使用中断和控制传输方式。

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缓冲器描述符和缓冲器描述符表

Bank 4 中的寄存器组成称为“缓冲器描述符表”（Buffer Descriptor Table，BDT ）的结构，专门用于控制端点缓冲器。这为用户构建和控制各种长度和配置的端点缓冲器提供了灵活的方法。BDT 由缓冲描述符（Buffer Descriptor，BD）组成，它用于定义和控制USB RAM 空间中的实际缓冲器。每个BD由四个寄存器组成，其中 n 代表64个可能的BD中的一个（范围是0 到63）：

　　　　　　• BDnSTAT： BD 状态寄存器
　　　　　　• BDnCNT ： BD 字节计数寄存器
　　　　　　• BDnADRL ：BD低地址寄存器
　　　　　　• BDnADRH ：BD高地址寄存器

BD 在序列中总是以一个四字节的数据块BDnSTAT:BDnCNT:BDnADRL:BDnADRH）出现， BDnSTAT的地址总是一个相对于400h的偏移量4n（以十六进制数表示），其中 n 是缓冲器描述符编号。根据所使用的缓冲配置（第17.4.4 节“乒乓缓冲”），最多可以有32、33或64组缓冲器描述符。 BDT 至少要8 字节长，因为USB规范规定，每个设备必须具有初始启动所需的输入和输出端点0。根据端点和缓冲配置，BDT 可以有256 个字节。

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虽然可以被看作特殊功能控制寄存器，缓冲器描述符的状态和地址寄存器并不是硬件映射的，这与 Bank 15 中的传统单片机SFR不同。如果与特定BD对应的端点未被使能，则该端点的寄存器将不被使用。它表现为可用的RAM 空间，而不是未实现的地址。只能通过将UEPn<1>位置1 使能端点，才能将这些地址作为BD寄存器使用。如同数据存储区的任何单元一样，BD寄存器的值在器件复位时都会是不确定的。

图17-6 所示为一个BD的示例，该 BD用于从500h开始的40字节缓冲器。如果已经使用UEPn 寄存器使能了对应的端点，就只有特定的BD寄存器组有效。 USBRAM中所有BD寄存器都可用。在使能端点之前应该设置好每个端点的BD。

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BD状态和配置：缓冲器描述符不仅仅定义端点缓冲器的大小，还决定了它的配置和控制。大部分配置都是通过BD状态寄存器BDnSTAT完成的。每个BD都有与自己一一对应的、带编号的BDnSTAT寄存器。和其他控制寄存器不同，BDnSTAT 寄存器内的位的设置与具体应用息息相关。有两种不同的配置，决定特定时间修改BD和缓冲区的是单片机还是USB模块。只有一个位是这两种配置共享的。

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缓冲器所有权：因为CPU和USB模块共享缓冲器及其BD，所以使用了简单的信号机制来区分更新BD 和相关缓冲器的是CPU还是USB。可以使用UOWN（BDnSTAT<7>）作为信号来加以区分。UOWN 是两种配置的BDnSTAT中唯一共享的位。

当UOWN清零时，BD 由单片机内核“所有”。当UOWN位置1 时，BD和缓冲器模块由USB外设“所有”，此时内核不能够修改 BD 或相应的数据缓冲器。注意，当SIE 拥有缓冲器时单片机内核仍可以读BDnSTAT ，反之亦然。

根据寄存器的更新源的不同，缓冲器描述符具有不同的意义。在分配给USB外设所有权之前，用户可以通过BDnSTAT 配置外设的基本操作。此时，也可设置字节计数和缓冲器地址寄存器。

当UOWN置1 时，用户就不能再依赖写入BD的值了。此时，SIE 根据需要更新BD，改写原来的 BD值。 SIE将使用PID 令牌来更新 BDnSTAT 寄存器，同时也将更新传输计数值BDnCNT 。在准备设置端点之前，BDT 的BDnSTAT 字节总是最后更新的字节。当事务完成时，SIE 将清零UOWN位。唯一例外的情况是在使能KEN和/ 或BSTALL 的时候。当UOWN位置1 时，硬件上并没有任何机制来阻止单片机对存储区的访问。因此，如果单片机尝试在 SIE 拥有USB RAM 时更改该存储区，可能会出现不可预料的后果。同样，在USB外设将USB RAM 所有权归还给单片机之前，读该存储区也可能会导致数据出错。

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BDnSTAT 寄存器（CPU模式）：当UOWN = 0 时，单片机内核拥有 BD。此时，该寄存器的其他七个位是控制位。保持使能位KEN（BDnSTAT<5>）决定BD 所有权的归属。如果此位被置1，一旦 UOWN位被置1，BD将保持被SIE 拥有，而与端点活动无关。这将防止USTAT FIFO 被更新，同时防止端点的事务完成中断标志被置1 。只有在选择并行端口而不是USB RAM作为数据I/O通道时，才使能此功能。

地址递增禁止位INCDIS （BDnSTAT<4>）控制 SIE 的自动地址递增功能。INCDIS 置1 将禁止SIE 在发送或接收每个字节时自动递增缓冲器地址。只有在使用SPP端口时才使能此功能，此时每个数据字节都被发送到或来自同一个存储单元。

数据Toggle 同步使能位DTSEN（BDnSTAT<3>）控制数据传输的奇偶校验。将DTSEN置1 将使能SIE 的数据 Toggle 同步，将数据包的奇偶校验位对照 DTS（BDnSTAT<6>）的值进行验证。如果包不是同步到达的，数据将被忽略，不会被写入 USB RAM，并且 USB事务完成中断标志也不会被置1 。 SIE 将把ACK令牌发回给主机对接收作出应答。表17-3 汇总了DTSEN位对SIE 的影响。

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缓冲器停止位BSTALL （BDnSTAT<2>）为控制传输提供支持，通常在端点0 只停止一次。它同时支持USB 规范第9 章中指定的SET_FEATURE/CLEAR_FEATURE命令，对默认控制端点外的任何端点为特有的连续STALL 。

BSTALL 位使能缓冲器停止。如果接收到的令牌要使用单元中的BD，BSTALL 置1 将导致SIE 将STALL 令牌返回到主机。相应的UEPn 控制寄存器中的EPSTALL位被置1，并且在发送STALL 到主机时产生STALL 中断。 UOWN 位保持置1 并且BD 不改变，除非接收到SETUP令牌。在这种情况下，STALL 条件被清除并且BD的所有权返还给单片机内核。

BD9:BD8 位（BDnSTAT<1:0> ）存储SIE 字节计数的高2 位，低8 位被存储在相应的BDnCNT 寄存器中。

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BDnSTAT 寄存器（SIE 模式）：当BD及其缓冲器归SIE 所有时，BDnSTAT 中的大部分位都有了不同的定义。配置如寄存器17-6所示。一旦UOWN置1，以前用户写入的任何数据或控制设置都会被来自SIE 的数据改写。 SIE 使用令牌包标识符（Packet Identifier，PID ）更新BDnSTAT寄存器，该PID 存储在BDnSTAT<5:3> 中。对应的BDnCNT寄存器中的传输计数被更新，该八位寄存器的值溢出得到的计数值的高两位，被保存在BDnSTAT<1:0> 中。

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BD字节计数：字节计数代表将在一次IN 传输过程中被发送的字节总数。在IN传输之后，SIE 将返回发送到主机的字节数。在OUT传输过程中，字节计数代表可以被接收并存储到USB RAM 中的最大字节数。在OUT传输之后，SIE将返回实际接收到的字节数。如果接收到的字节数超过设定的字节计数，数据包将被拒绝，同时还将产生NAK握手。发生这种情况时，字节计数不被更新。
10位字节计数被分别保存到两个寄存器中。低8 位在BDnCNT寄存器中。高2 位在BDnSTAT<1:0> 中。因此有效的字节计数范围是0 到1023。

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BD地址验证：BD 地址寄存器对包含对应端点缓冲器的起始RAM地址。为了让端点起始单元有效，它必须在 USB RAM 中（地址为400h到7FFh）。硬件中没有相应的机制来验证BD地址。如果BD地址未指向USB RAM 中的单元，或者指向另一个端点缓冲器中的地址，数据将很可能丢失或被改写。同样，接收缓冲器（OUT端点）和正在使用的 BD单元重叠也将导致不可预料的结果。在开发USB应用程序时，用户需要考虑在软件中对地址进行验证。

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乒乓缓冲：当端点有两组BD项时（一组用于偶数数据传输，一组用于奇数数据传输），它被定义为具有乒乓缓冲器。这样就允许在CPU处理一组BD的同时，SIE 处理另一组BD。这种方式的乒乓缓冲BD，可实现单片机与 USB之间的最大数据吞吐量。

USB模块支持三种模式的操作：

• 不支持乒乓缓冲

• 仅支持OUT端点0 的乒乓缓冲

• 支持所有端点的乒乓缓冲
使用UCFG 寄存器中的PPB1:PPB0位设置乒乓缓冲器。USB模块跟踪每个端点的乒乓指针。当使能此模块时，所有指针都复位到指向偶数BD。在事务完成之后（UOWN被SIE 清零），指针被切换到奇数BD。在下一次事务完成之后，指针又被切换回偶数BD上次事务的奇偶状态保存在USTAT寄存器的PPBI 位中。用户可以使用PPBRST 位将所有乒乓指针复位到偶数状态。图17-7 显示了三种不同的操作模式以及BD是如何填充USB RAM 的。根据缓冲配置，BD与特定的端点具有固定的对应关系。表17-4 所示为BD与端点之间映射的详细情况。这种关系也意味着如果没有连续使能端点，BDT 中将出现空白区域。理论上被禁止的端点的BD可用作缓冲空间。实际上，用户应该避免使用BDT 中的这些空间，除非已经采取了验证BD地址的措施。

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USB 中断：USB模块可以产生多个中断条件。要识别所有中断源，和单片机一样，此模块具有自己的中断逻辑结构。