CN101393542A - 通过gpio端口支持usb接口的嵌入式设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过GPIO端口支持USB接口的嵌入式设备及方法，其特征在于：所述第一数据端口和第二数据端口分别与第一GPIO端口、第二GPIO端口相连接，所述电源端口与所述电源管理单元或者第三GPIO端口相连接。在进行信号传输时，该嵌入式设备的微处理控制器首先进入中断状态，以利用该微处理控制器的GPIO端口接收和发送USB差分信号，利用该微处理控制器进行信号或者数据的处理并将数据存储在具有大存储能力的随机存储器中。这样，嵌入式设备中无需设置USB控制器，节约了成本，可降低功耗，减小印刷电路板的面积，使嵌入式设备更加美观。另外当数据量较大时也无需进行拆包，提高了工作效率。

Description

通过GPIO端口支持USB接口的嵌入式设备及方法

技术领域

本发明涉及一种支持USB接口的嵌入式设备及其方法。

背景技术

USB设备由于具有支持热插拔，可连接多个设备，标准统一，携带方便等优点被广泛应用，支持USB接口的设备可非常方便的实现与电脑(PC)的数据交换。如图1所示，现有技术中支持USB接口的嵌入式设备，都内置有USB控制器，USB接口中的数据端口和电源端口均与所述USB控制器相连接，该USB控制器再与该嵌入式设备的微处理控制器相连接。在数据的接收过程中，对USB电气信号的接收、解析，信令协议的处理，差错处理及链路控制均由USB控制器来完成，并将数据存储在设置在USB控制器内的寄存器中。当USB控制器收到对应端点(End Point)的有效数据后，USB控制器发出中断信号，触发所述微处理控制器进入中断，通知应用程序，访问寄存器来获得收到的数据。在数据的发送过程中，待发送数据首先被存储在所述寄存器中，USB控制器完成对寄存器中数据的链路信令处理，生成USB差分信号后，再进行发送。知道发送结束，才由USB控制器发出中断信号，触发所述微处理控制器进入中断，通知应用程序。

但是目前有许多嵌入式CPU出于成本或其它原因靠虑，并没有集成USB控制器。这样不能直接支持USB功能。使产品的功能点减少，给用户造成不便，影响产品的市场竞争力。虽然可以采用增加单独的USB控制器来扩展设备功能，但增加USB控制器导致嵌入式设备成本提高，功耗增加，印刷电路板面积增大，影响产品的外观设计和竞争力。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过GPIO端口支持USB接口的嵌入式设备及其方法，无需增加USB控制器即可实现USB的功能。

一种通过GPIO端口支持USB接口的嵌入式设备，包括微处理控制器、USB接口、随机存储器、只读存储器、时钟单元和电源管理单元；所述USB接口、随机存储器、只读存储器、时钟单元和电源管理单元均与所述微处理控制器相连接，所述USB接口包括第一数据端口、第二数据端口和电源端口；其特征在于：所述微处理控制器包括第一GPIO端口、第二GPIO端口，所述第一数据端口和第二数据端口分别与第一GPIO端口、第二GPIO端口相连接，所述电源端口与所述电源管理单元相连接。

所述微处理控制器还包括第三GPIO端口，所述电源端口与所述第三GPIO端口相连接。

一种利用上述嵌入式设备实现通过GPIO端口支持USB接口的方法，步骤如下：

1)当所述嵌入式设备连接到主机的数据总线上后，所述USB主机发出USB电平信号触发微处理控制器进入中断状态；

2)、所述嵌入式设备对所述中断信号进行判断，如果是复位信号，所述嵌入式设备进行复位操作后退出中断状态；如果不是复位信号，则判断是否为USB边沿中断信号：如果是，该嵌入式设备接收USB差分信号后退出中断状态；如果否，则进行与该中断信号相应的操作。

其中，所述接收USB差分信号的过程包括如下步骤：

41)、所述嵌入式设备对第一GPIO端口、第二GPIO端口上的USB差分信号进行采样；

42)、所述微处理控制器对接收到的USB差分信号进行解析和处理。

所述嵌入式设备在发送数据时，所述微处理控制器进入中断状态后，对待发送数据进行处理，链路控制及封包后，生成USB差分信号，再利用所述第一GPIO端口、第二GPIO端口同时输出相反的电平来进行发送。

本发明无需增加USB控制器，在进行信号传输时，该嵌入式设备的微处理控制器首先进入中断状态，以利用该微处理控制器的GPIO端口接收和发送USB差分信号，利用该微处理控制器进行信号的解析，信令协议的处理，差错处理及链路控制，利用该微处理器对待发送的数据进行处理生成USB差分信号，经解析处理或者待发送的数据存储在较大存储能力的随机存储器中。这样，嵌入式设备中无需再增加USB控制器来支持USB接口，节约了成本，可降低功耗，减小印刷电路板的面积，使嵌入式设备更加美观。另外当数据量较大时也无需进行拆包，提高了工作效率。

附图说明

图1为现有技术中设有USB控制器的嵌入式设备结构示意图；

图2为本发明实施例一的结构示意图；

图3为本发明实施例二的结构意图；

图4为本发明实施例三的中断信号判断示意图；

图5为本发明实施例三的采样示意图；

图6为本发明实施例三的对USB差分信号进行解析的示意图；

图7为本发明实施例三的SETUP包处理流程示意图；

图8为本发明实施例三的IN包处理流程示意图；

图9为本发明实施例三的OUT包处理流程示意图。

具体实施方式

实施例一

如图2所示，一种通过GPIO端口支持USB接口的嵌入式设备，包括微处理控制器、USB接口、随机存储器、只读存储器、时钟单元和电源管理单元；所述USB接口、随机存储器、只读存储器、时钟单元和电源管理单元均与所述微处理控制器相连接，所述USB接口包括第一数据端口、第二数据端口和电源端口；其特征在于：所述微处理控制器包括第一GPIO端口、第二GPIO端口，所述第一数据端口和第二数据端口分别与第一GPIO端口、第二GPIO端口相连接，所述电源端口与所述电源管理单元相连接。

当嵌入式设备通过USB电缆与USB主机相连接时，所述第一GPIO端口与第二GPIO端口通过USB接口的第一数据端口及第二数据端口分别与USB电缆中的两根数据线(D+、D-)相连接；所述电源管理单元通过USB接口的电源端口与USB电缆中的电源线(VBUS)相连接。所述USB主机可以是电脑(PC)，所述嵌入式设备可以是手机。

进一步的，所述微处理控制器还包括第四GPIO端口，所述第四GPIO端口与上拉或者下拉电阻相连接，控制该上拉或者下拉电阻与所述数据端口相连接。当该嵌入式设备通过USB电缆与USB主机相连接时，所述第四GPIO端口的控制所述上拉或者下拉电阻与USB电缆的数据线相连接，所述USB主机通过对该上拉或者下拉电阻的检测，即可判断出该嵌入式设备是否已经连接到该USB主机的数据总线上。

实施例二

如图3所示，一种通过GPIO端口支持USB接口的嵌入式设备，除下列技术特征外，其余均与实施例一中所描述的技术特征相同。

所述微处理控制器还包括第三GPIO端口，所述电源端口不与所述电源管理单元相连接，而是与所述第三GPIO端口相连接。当嵌入式设备通过USB电缆与USB主机相连接时，所述第三GPIO端口通过USB接口的电源端口与USB电缆中的电源线(VBUS)相连接。

实施例三

如图4所示，一种通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：实施例一或二中所描述的嵌入式设备，步骤如下：

1)当所述嵌入式设备连接到USB主机的数据总线上时，所述USB主机引起所述USB电缆中电源线上的电压变化，如果此时该嵌入式设备未开机，该电压变化首先引起该嵌入式设备开机，再进入中断状态。如果此时该嵌入式设备为开机状态，则直接引起该嵌入式设备进入中断状态。在该中断状态下，所述嵌入式设备首先判断该中断的原因是否是由所述电源线上的电压变化引起，如果是，该嵌入式设备通过所述第四GPIO驱动上拉或者下拉电阻连接到所述USB电缆的数据线上，通知USB主机该嵌入式设备已连接。随后，所述USB主机通过所述USB电缆的两数据线再次发送USB差分电气信号，该USB差分信号通过处于中断模式的第一GPIO端口、第二GPIO端口触发所述微处理控制器再次进入中断状态。该数据线传输的中断信号有三种情况，分别为：复位信号，该中断信号的电平持续时间超过10毫秒；USB边沿中断信号，该中断信号为USB差分信号的第一个电平跳变；其他信号。

2)、所述嵌入式设备对所述中断信号进行判断，如果是复位信号，所述嵌入式设备进行复位操作后退出中断状态；如果不是复位信号，则判断是否为USB边沿中断信号：如果是，该嵌入式设备接收USB差分信号后退出中断状态；如果否，则进行与该中断信号相应的操作该操作与本技术方案无关，这里不进行描述。

进一步的，所述接收USB差分信号的过程包括如下步骤：

41)、所述嵌入式设备对第一GPIO端口、第二GPIO端口上的USB差分信号进行采样；

42)、所述微处理控制器对接收到的USB差分信号进行解析和处理。

如图5所示，所述步骤41)包括：

411)、根据所述USB差分信号的位周期T，设定采样时间间隔t，t≤T；

412)、所述微处理控制器进入中断后，从同步信号的电平跳变边沿开始每隔进行一次采样。由于所述电源端口的电平跳变与所述微处理控制器进入中断之间存在延时，所以第一次采样的时间为所述微处理控制器实际进入中断后，所述第一GPIO端口及第二GPIO端口上的同步信号的电平跳变边沿。

由于在具体的执行环境下，所述微处理微控制器执行周期、时钟频率及所述数据包中电平的位周期均为固定且可知的，可以通过调整所述微处理微控制器执行指令的序列来精确控制第一次采样的时间点以及采样时间间隔t。这样，可以根据需要在每一位电平信号的中间位置进行一次采样，也可以对每一位电平信号进行多次采样，将每一位电平信号多次采样的平均值作为该位电平信号的采样值。另外，由于采样所需要的时间很短，对每一位电平信号进行采样的时间小于该电平信号传输的时间，所以每一位电平传输的空闲时间内，所述微处理微控制器可以进行校验、解码等操作，也可以在该空闲时间插入一些空的指令，使采样和数据传输更好的保持同步。

如图6所示，所述步骤42)包括：

421)、所述微处理控制器判断所述USB差分信号中的令牌域(Token)是否正确，如果是，进行步骤422)；如果否，结束接收USB差分信号，退出中断；

422)、所述微处理控制器判断所述该USB差分信号中的设备地址是否正确，如果是，进行步骤423)；如果否，结束接收USB差分信号，退出中断；

423)、所述微处理控制器判断所述USB差分信号是否为有效的SETUP信号，如果是，所述微处理控制器器对解析出的数据包进行SETUP包处理；如果否，进行步骤424)；

424)、所述微处理控制器判断所述嵌入式设备的接收端口是否错误，如果是，所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口及第二GPIO端口向所述USB主机发送STALL握手信号；如果否，进行步骤425)；

425)、所述微处理控制器判断所述数据信号是否为有效的IN信号，如果是，所述微处理控制器对解析出的数据包进行IN包处理；如果否，进行步骤426)；

426)、所述微处理控制器判断所述数据信号是否为有效的OUT信号，如果是，所述微处理控制器对解析出的数据包进行OUT包处理；如果否，进行错误处理后，结束接收USB差分信号，退出中断；

进一步的，所述步骤423)中包括一校验判断步骤：如果所述USB差分信号为有效的SETUP信号，则对该SETUP包进行数据完整性校验，如果校验成功，所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口及第二GPIO端口向所述USB主机发送ACK信号后进行SETUP包处理；如果校验失败，直接退出中断状态。

进一步的，所述步骤426)中包括一校验判断步骤：如果所述USB差分信号为有效的OUT信号，则对该OUT包进行数据完整性校验，如果校验成功，所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口及第二GPIO端口向所述USB主机发送ACK信号后进行OUT包处理；如果校验失败，所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口及第二GPIO端口向所述USB主机发送NAK信号。

如图7所示，所述步骤423)中的SETUP包处理具体包括如下步骤：

4231)、所述随机存储器中与所述USB主机的默认端点相对应的对象进行初始化；

4232)、所述微处理控制器将所述对象设置为SETUP状态；这样，所述USB主机可获得该嵌入式设备的类型、状态、通信协议版本及传输信息，以完成所述USB主机与所述嵌入式设备的通讯。

4233)、所述微处理控制器将所述数据包中的数据保存在所述对象中；

4234)、设置SETUP事件；

4235)、结束SETUP包处理过程。

如图8所示，所述步骤425)中IN包处理原理和具体步骤如下：

处理原理：

USB主机通过发出IN包来通知USB设备向USB主机发送数据。每个IN包传输期间，只能向USB主机传送固定长度的数据。如果有大量数据要传输，USB主机会发出多个IN包来获取。当USB主机发出IN包后，USB设备需要作出响应，如果有数据要传输，则发送数据到USB主机，如果没有数据要传输(数据还没有准备好)，则返回NAK到USB主机，通知USB主机稍后再重新发起这次操作。

具体步骤如下：

4251)所述微处理控制器检测所述发送缓冲区是否准备好待发送数据，如果是，进行步骤4253)；如果否，进行步骤4252)；

4252)、所述嵌入式设备通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口向所述USB主机发送NAK握手信号后，进行步骤4258)；

4253)、所述嵌入式设备通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口发出所述发送缓冲区中的数据；

4254)、所述微处理控制器等待USB主机发出的握手信号，如果在协议规定时间内等到，进行步骤4255)；如果超时，进行步骤4258)；

4255)、所述微处理控制器判断收到的握手信号是否为ACK信号，如果是，进行步骤4256)；如果否，进行步骤4258)；

4256)、所述微处理控制判断是否将缓冲区里面的数据是否都已经全部发送完成，如果是，进行步骤4257，如果否进行步骤4258；

4257)、微处理器控制器设置数据发送完成事件；

4258)、结束IN包处理过程。

如图9所示，所述步骤426)中的OUT包处理原理和具体步骤如下：

处理原理：USB主机通过OUT包来向设备发送数据。依照USB协议，每个OUT包只能携带固定长度的数据(Payload)，当有大量数据要发送时，USB主机将这些数据拆到许多OUT包中来传送。USB设备需要对每一个OUT包作出响应，如果能正常接收，就向USB主机返回ACK信号；如果设备忙，缓冲区中的数据还未处理完，就向USB主机返回NAK信号；USB主机会等待一段时间后重新发送这个OUT包。

具体步骤如下：

4261)、所述微处理控制器检测所述接收缓冲区中与主机响应所述嵌入式设备的端点相对应的对象接收缓冲区是否已满，如果未满，进行步骤4263)；如果已满，进行步骤4262)

4262)、所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口向所述USB主机发送NAK握手信号，转4267)；

4263)、微处理控制器将所述数据包中的数据保存到所述接收缓冲区；

4264)、微处理控制器通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口向所述USB主机发送ACK握手信号；

4265)、微处理器判断接收缓冲区是否满，如果未满，转4267)；

4266)、设置接收缓冲区满事件；

4267)、结束OUT包处理过程。

所述嵌入式设备在发送数据时，利用所述微处理控制器对待发送数据进行链路信令处理，通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口同时输出相反的电平模拟USB差分信号进行发送。

以上所述的SETUP、IN、OUT、STALL、ACK、NAK均为USB信号的分组标识，用来标识操作的属性。所述SETUP、IN、OUT均用来标识出端点号和地址；所述STALL表示端点被禁止；所述ACK表示接收到无误的数据信号；所述NAK表示接收设备不能接收。

Claims (12)

1、一种通过GPIO端口支持USB接口的嵌入式设备，包括微处理控制器、USB接口、随机存储器、只读存储器、时钟单元和电源管理单元；所述USB接口、随机存储器、只读存储器、时钟单元和电源管理单元均与所述微处理控制器相连接，所述USB接口包括第一数据端口、第二数据端口和电源端口；其特征在于：所述微处理控制器包括第一GPIO端口、第二GPIO端口，所述第一数据端口和第二数据端口分别与第一GPIO端口、第二GPIO端口相连接，所述电源端口与所述电源管理单元相连接。

2、如权利要求1所述的通过GPIO端口支持USB接口的嵌入式设备，其特征在于：所述微处理控制器还包括第三GPIO端口，所述电源端口与所述第三GPIO端口相连接。

3、一种通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：利用权利要求1或2中所描述的嵌入式设备，步骤如下：

1)当所述嵌入式设备连接到USB主机的数据总线上后，所述USB主机发出USB电平信号触发微处理控制器进入中断状态；

2)、所述嵌入式设备对所述中断信号进行判断，如果是复位信号，所述嵌入式设备进行复位操作后退出中断状态；如果不是复位信号，则判断是否为USB边沿中断信号：如果是，该嵌入式设备接收USB差分信号后退出中断状态；如果否，则进行与该中断信号相应的操作。

4、如权利要求3所述的通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：所述接收USB差分信号的过程包括如下步骤：

41)、所述嵌入式设备对第一GPIO端口、第二GPIO端口上的USB差分信号进行采样；

42)、所述微处理控制器对接收到的USB差分信号进行解析和处理。

5、如权利要求4所述的通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：所述步骤41)包括：

411)、根据所述USB差分信号的位周期T，设定采样时间间隔t，t≤T；

412)、所述微处理控制器进入中断后，从同步信号的电平跳变边沿开始每隔t进行一次采样。

6、如权利要求4所述的通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：所述步骤42)包括：

421)、所述微处理控制器判断所述USB差分信号中的令牌域是否正确，如果是，进行步骤422)；如果否，结束接收USB差分信号，退出中断；

422)、所述微处理控制器判断所述该USB差分信号中的设备地址是否正确，如果是，进行步骤423)；如果否，结束接收USB差分信号，退出中断；

423)、所述微处理控制器判断所述USB差分信号是否为有效的SETUP信号，如果是，所述微处理控制器器对解析出的数据包进行SETUP包处理；如果否，进行步骤424)；

424)、所述微处理控制器判断所述嵌入式设备的接收端口是否错误，如果是，所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口及第二GPIO端口向所述USB主机发送STALL握手信号；如果否，进行步骤425)；

425)、所述微处理控制器判断所述数据信号是否为有效的IN信号，如果是，所述微处理控制器对解析出的数据包进行IN包处理；如果否，进行步骤426)；

426)、所述微处理控制器判断所述数据信号是否为有效的OUT信号，如果是，所述微处理控制器对解析出的数据包进行OUT包处理；如果否，进行错误处理后，转步骤结束接收USB差分信号，退出中断。

7、如权利要求6所述的通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：所述步骤423)中包括一校验判断步骤：如果所述USB差分信号为有效的SETUP信号，则对该SETUP包进行数据完整性校验，如果校验成功，所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口及第二GPIO端口向所述USB主机发送ACK信号后进行SETUP包处理；如果校验失败，直接退出中断状态。

8、如权利要求6所述的通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：所述步骤426)中包括一校验判断步骤：如果所述USB差分信号为有效的OUT信号，则对该OUT包进行数据完整性校验，如果校验成功，所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口及第二GPIO端口向所述USB主机发送ACK信号后进行OUT包处理；如果校验失败，所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口及第二GPIO端口向所述USB主机发送NAK信号。

9、如权利要求6所述的通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：所述步骤423)中的SETUP包处理具体包括如下步骤：

4231)、所述随机存储器中与所述USB主机的默认端点相对应的对象进行初始化；

4232)、所述微处理控制器将所述对象设置为SETUP状态；这样，所述主机可获得该嵌入式设备的类型、状态、通信协议版本及传输信息，以完成所述主机与所述嵌入式设备的通讯；

4233)、所述微处理控制器将所述数据包中的数据保存在所述对象中；

4234)、设置SETUP事件；

4235)、结束SETUP包处理过程。

10、如权利要求7所述的通过GPIO端口支持USB接口的方法，其特征在于：所述步骤425)中IN包处理具体包括如下步骤：

4251)所述微处理控制器检测所述发送缓冲区是否准备好待发送数据，如果是，进行步骤4253)；如果否，进行步骤4252)；

4252)、所述嵌入式设备通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口向所述USB主机发送NAK握手信号后，进行步骤4258)；

4253)、所述嵌入式设备通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口发出所述发送缓冲区中的数据；

4254)、所述微处理控制器等待USB主机发出的握手信号，如果在协议规定时间内等到，进行步骤4255)；如果超时，进行步骤4258)；

4255)、所述微处理控制器判断收到的握手信号是否为ACK信号，如果是，进行步骤4256)；如果否，进行步骤4258)；

4256)、所述微处理控制判断是否将缓冲区里面的数据是否都已经全部发送完成，如果是，进行步骤4257，如果否进行步骤4258；

4257)、微处理器控制器设置数据发送完成事件；

4258)、结束IN包处理过程。

11、如权利要求7所述的通过GPIO端口支持USB接口的方法，所述步骤426)中的OUT包处理具体包括如下步骤：

4261)、所述微处理控制器检测所述接收缓冲区中与主机响应所述嵌入式设备的端点相对应的对象接收缓冲区是否已满，如果未满，进行步骤4263)；如果已满，进行步骤4262)

4262)、所述微处理控制器通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口向所述USB主机发送NAK握手信号，转4267)；

4263)、微处理控制器将所述数据包中的数据保存到所述接收缓冲区；

4264)、微处理控制器通过所述第一GPIO端口、第二GPIO端口向所述USB主机发送ACK握手信号；

4265)、微处理器判断接收缓冲区是否满，如果未满，转4267)；

4266)、设置接收缓冲区满事件；

4267)、结束OUT包处理过程。

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