通用序列匯流排 (USB) 是有史以來最成功的通訊介面，目前有數億計的 USB 設備存在於
這個世界上，許多晶片設計公司都已經紛紛推出針對不同裝置設計的 USB 橋接器晶片，像常見的裝置如：鍵盤、滑鼠、掃描器介面、影像、印表機、磁碟控制器、網路介面、序列埠、並列埠甚至是一些特殊介面 CAN ( Controller Area Network )、GPIB (標準化後又稱 IEEE
488)，吾人碰巧有用過 USB-GPIB 的有趣經驗，這是因為以前有一台示波器後面有一個
USB 埠在好奇心的驅使下接上電腦發現電腦識別為 TEK-USB-488 設備，才知道原來這是
有內建了 USB-GPIB 轉接晶片的示波器，透過這個介面，可以直接用 C/C++ 程式下 SCPI
(Standard Commands for Programmable Instruments) 指令直接控制示波器的設定，像是
螢幕亮度，語系，調整時間刻度，電壓刻度，擷取示波器上的數值。
相對於原始 GPIB 連接頭而言，這顯示出 USB 許多好的特點，USB 連接頭簡單巧小，
成本極低，USB 連接線到處都可以購得，連接電腦安裝驅動程式即可使用，而採用原始 GPIB
連接頭不僅占空間，它的連接線更不好買而且又貴，電腦端還得要有一張 GPIB PCI 介面卡
才能與儀器連接，實在不方便。這邊就開始點出本篇主題了，因為 USB 的方便是有代價的
付出換來，這是甚麼意思 ? 因為 USB 系統為了能夠支援任意設備，引入了一種稱為
描述子 ( Descriptor ) 的機制，這個需要驅動程式去配合韌體程式搭配，還要有應用程式
介面 (API) 去呼叫驅動程式提供的服務，這個正是許多傳統韌體工程師難以面對的窘境，
也就是說 "通訊介面" 不在是一堆接腳透過不同排列組合來表達，而是被畫分至抽象層
用 描述子 的方式，報告給驅動程式，這樣的機制給了 USB 無窮的擴充能力，也就是說
只要有 驅動程式 與 韌體程式 搭配，USB 就可以 "偽裝" 任何其他的通訊介面，或是講得更
廣義就是指可以偽裝出任何設備，當然也可以直接走原生USB通訊而不偽裝。簡單的講，
就是 USB 的便利是建築在開發人員的痛苦上，USB 對開發人員來說相當複雜，所以最終造就
了一個很廣的 USB 產業鏈，物理層晶片開發，韌體與驅動撰寫，USB 設備的測試，為什麼要
測試呢 ? 也許你開發一個 USB 設備連接 Windows 上沒有問題，但是接到 Mac 上不見得就可以
，還有就是主機控制器是用 UHCI 還是 OHCI 都要找來測試，要確定整個韌體與驅動在
作業系統上運作沒有問題才行。
因此開發 USB 通訊介面看起來就有一層神秘的面紗，吾人過來經驗認為並非 USB 不好學
，而是 USB 的相關知識又多又雜，往往造成阻礙，因此，學習 USB 最好的方法 就是挑一顆
跟 MCU 無關的 獨立 USB 控制器來學習，根據 Application Note 與 Data Sheet 一步一步往上
有系統的建構韌體程式。通常 獨立 USB 控制器 都會有專門與 MCU 連接的介面，該介面
可以讓 MCU 存取獨立 USB 控制器內的暫存器，要有系統的建構程式，很明顯第一步就是
應該先不理會 USB 介面，把控制器的記憶體通訊介面先抽象化，這個一般是控制器最底層
也是最重要的工作。吾人認為要踏入學習 USB 通訊領域，最佳的獨立 USB 控制器正是
SL811HS，這是一顆具有雙角色能力 ( dual-role capable ) 的獨立 USB 控制器，也就是說
可以做為 Master 也可以當作 Slave，另外它擁有非常簡單易用的標準記憶體介面，可以與
任意 MCU 結合，可以學習到怎麼處理MCU與控制器在記憶體介面如何通訊，剩下的特色
我列在下面 (只列出重要的特色)：
1. 支援 全速(12Mbps) 與 低速(1.5Mbps) USB 傳輸
2. 完全符合 USB Sepecification 1.1
3. 控制器上有 256 bytes SRAM 緩衝區
4. 支援 Ping-pong 緩衝區 ( 例如 EP1-A 正在傳輸的時候，EP1-B 已經準備好下次傳輸的資料 )
5. 自動產生 SOF 與 CRC5/16 ( 這很重要 表示這三種欄位是由硬體產生 寫韌體不必理會 )
6. 自動推進式指標 ( 類似 C 語言中的 *p++，可以減少 讀寫 SL811HS的次數 )
7. 有內建 DPLL ( 表示使用 12MHz 石英震盪器，SL811HS內部會升頻至 48MHz )
8. 8 位元雙向 IO 埠 (位址與資料共用)，可以用 A0 來選擇
接著來看看整個 SL811HS 內部方塊圖：
圖 1. SL811HS 內部方塊圖
根據前面所述，要有系統的開發韌體程式，今天 Part01 先了解怎麼有系統的抽象化
記憶體介面，並且實做一般通訊介面都要有的四條函式：
1. 讀取某一個位址上的一個位元組
2. 寫入一個位元組到某一個位址上
3. 以某個位址為開頭連續讀取 N 個位元組
4. 以某個位址為開頭連續寫入 N 個位元組
我選擇的 MCU 是 P89C61X2 換其他 MCU 觀念一樣
先對記憶體存取介面與控制器其他訊號的相關腳位用 #define 做抽象化的動作
#define SL811_CS P2_1 // 晶片選擇訊號, Active Low #define SL811_A0 P2_0 // 0 表示資料匯流排為位址, 1 表示資料匯流排為資料 #define SL811_RD P3_7 // 讀取訊號, Active Low #define SL811_WR P3_6 // 寫入訊號, Active Low #define SL811_MS P2_4 // 1 表示 USB Slave, 0 表示 USB Master #define SL811_RST P2_2 // 重置訊號, 1 表示硬體重置 #define SL811_INTRQ P2_3 // 中斷訊號, Active High #define SL811_PORT P0 // 資料匯流排 D[7:0]
SL811HS 的 A0 腳位 可以控制目前的 8-bit Data 是位址還是資料，一樣做抽象化
#define DATABUS_IS_ADDRESS 0 #define DATABUS_IS_DATA 1
至於控制 SL811HS 的主僕控制腳位 M/S，可以讓我們抽象化出第一條 HAL
#define SLAVEMODE 1 // set to usb slave mode #define HOSTMODE 0 // set to usb host mode #define SL811SetMS(X) SL811_MS = (X)
HAL 函式一般就是指巨集型式的低階函式，一般用來封裝存取暫存器的動作，使得
韌體程式只需要呼叫 HAL 函式即可，不需要理會底層的暫存器如何作動。
然後參考 Interfacing an External Processor to the SL811HS 裡面所講述的記憶體讀寫時序
用程式的方式寫出來，首先給出讀寫時序圖：
SL811HS 記憶體讀取時序：
SL811HS 記憶體寫入時序：
根據讀寫時序圖就可知道，nCS腳位要拉低，就相當於對記憶體介面做 "打開" 的動作
其他 nWR、nRD、A0、D[7:0] 的存取才會有效，所以可以將晶片的 "打開" 動作 與
"關閉" 動作進行抽象化，實現兩條 "Open" 與 "Close" 的 HAL 函式
#define SL811Open() SL811_CS = 0 #define SL811Close() SL811_CS = 1
有了上面這些低階的基礎定義後，根據讀寫時序圖，我們需要一條能夠用來選擇
位址的 HAL 函式，SL811SelectRegisterAddress 此 HAL 函式可以讓我們選擇位址
#define SL811SelectRegisterAddress(ADR) \ { \ SL811_PORT = (ADR); \ SL811_A0 = DATABUS_IS_ADDRESS; \ SL811_WR = 0; \ SL811_WR = 1; \ }
第二部分在看讀寫時序圖資料的部分，類似的技巧我們分別可以對讀寫一個位元組
產生兩條 HAL 函式 SL811ReadRegister 與 SL811WriteRegister
#define SL811ReadRegister(DAT) \ { \ SL811_PORT = 0xff; \ SL811_A0 = DATABUS_IS_DATA; \ SL811_RD = 0; \ (DAT) = SL811_PORT; \ SL811_RD = 1; \ } #define SL811WriteRegister(DAT) \ { \ SL811_PORT = (DAT); \ SL811_A0 = DATABUS_IS_DATA; \ SL811_WR = 0; \ SL811_WR = 1; \ }
SL811HS 有支援 Auto Address Increment Mode，這個功能簡單的講就是當選定一個位址 A 後
後，你讀寫一個值從 位址 A 後，硬體內部會自動作 A++，預先指向下一個位址等待使用者
讀取或寫入值，這種功能其實就是硬體版的自動推進指標 ( 所以前面才說類似 *p++ )，所以
能夠很輕易實現連續讀寫多的位元組的 HAL 函式
#define SL811ReadMultiRegisters(BUF,LEN) \ { \ while((LEN)--) \ { \ /* Read a value from databus */ \ SL811ReadRegister(*(BUF)++); \ } \ } #define SL811WriteMultiRegisters(BUF,LEN) \ { \ while((LEN)--) \ { \ /* Write a value to databus */ \ SL811WriteRegister(*(BUF)++); \ } \ }
看到上面的 HAL 函式可以注意到，其實就是在用迴圈連續呼叫讀寫一個位元組的 HAL 函式
並不需要在選定寫入的位址，這就是 Auto Address Increment Mode 的特性。
因為我們已經把需要用到的低階介面完全 HAL化，整個記憶體存取介面就變得很簡單，就是
利用這些 HAL 函式就能夠輕鬆實現前面所說的四條讀取 SL811HS 暫存器內容的函式
分別是 SL811Read、SL811Write、SL811BufRead、SL811BufWrite
/* Read a byte from SL811 reg_adr = register address return = a data byte at register address in register */ BYTE SL811Read(BYTE reg_adr) { BYTE u8_data; SL811Open(); /* Chip selection is enabled */ SL811SelectRegisterAddress(reg_adr); /* Write a address to databus */ SL811ReadRegister(u8_data); /* Read a value from databus */ SL811Close(); /* Chip selection is disabled */ return u8_data; } /* Write a byte to SL811 reg_adr = register address u8_data = a data byte to be written to this register address */ void SL811Write(BYTE reg_adr,BYTE u8_data) { SL811Open(); /* Chip selection is enabled */ SL811SelectRegisterAddress(reg_adr); /* Write a address to databus */ SL811WriteRegister(u8_data); /* Write a value to databus */ SL811Close(); /* Chip selection is disabled */ } /* Read bytes from SL811 to a buffer reg_adr = register address buf = buffer address len = buffer length */ void SL811BufRead(BYTE reg_adr,BYTE *buf,BYTE len) { /* 使用 Auto Address Increment SL811 具有硬體級指標後置推進 */ SL811Open(); SL811SelectRegisterAddress(reg_adr); SL811ReadMultiRegisters(buf, len); SL811Close(); }
可以看到有系統的建構 HAL 函式會逐漸將問題簡化，最後整個實現的這四條基礎存取
SL811HS 暫存器的函式，可讀性變得非常好，而不是一堆像魔術般的運算式直接操作暫存器
今天這個 Part01 就是到這裡，一旦我們有了這四條函式，就可以存取 DATASHEET 裡面所
記載 SL811HS 內各種 USB 介面有關的暫存器，也就可以開始討論 USB 協定基礎並且一樣
把整個 SL811HS 的 USB 介面存取一樣進行 HAL 化，當然這得要根據 DATASHEET 先對
SL811HS 進行建模的動作，總之，這些就下一個 Part 在討論了。
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