當今的計算機外部設備,，都在追求高速度和高通用性,。為了滿足用戶的需求，以Intel為首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus,，通用串行總線)總線協(xié)議,，專用于低,、中速的計算機外設。目前,，USB端口已成為微機主板的標準端口,；而在不久的將來，所有的微機外設,，包括鍵盤,、鼠標、顯示器,、打印機、數(shù)字相機,、掃描儀和游戲柄等等,，都將通過USB與主機相連。
　　作為一個硬件廠商或是開發(fā)者,，最關(guān)心的便是如何去開發(fā)USB外設,。MOTOROLA公司從1996年開始，陸續(xù)推出了一系列支持USB總線協(xié)議的單片機,，如最早的用于顯示器的68HC05BD9A,，用于鼠標的68HC05JB2，以及用于集線器(HUB)的MC141555等等,。這些芯片共同的特點是都內(nèi)含一個USB模塊,，通過這個模塊，用戶可以很方便地實現(xiàn)USB總線上的數(shù)據(jù)通訊,。68HC05JB4最初是用于開發(fā)USB游戲桿的,，后來也常被用于其他一些USB外設的開發(fā)，比如USB手寫板等等,。它除了含有USB接口以外,，還有6路8位A/D變換輸入端，4路鍵盤中斷掃描用輸入端,，并可最多同時開啟19個I/O端口,。
　　我們設計的USB漢字手寫板，采用國內(nèi)漢王公司的傳感器獲得筆畫信息,，傳給MC68HC05JB4,，經(jīng)過整理后通過USB總線發(fā)送到PC，再由我們編寫的驅(qū)動程序接收,，最終轉(zhuǎn)給漢王的文字識別軟件識別,。
1 USB總線系統(tǒng)硬件連接
　　USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源，如圖1所示,。

　　其中D+和D－是一對差模的信號線,，而VBus和GND則提供了+5V的電源，它可以給一些設備(包括Hub)供電。USB提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸率：一種是12Mb的高速(full speed)模式,，另一種是1.5Mb的低速模式,，這兩種模式可以同時存在于一個USB系統(tǒng)中(注：在新發(fā)布的2.0協(xié)議版本中，高速模式被定義為120～240M),。USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線,，而且最長不能超過5m；而在低速模式時可以使用非屏蔽電纜,，甚至是非雙絞線,，但最長不能超過3m。為了與電纜阻抗匹配,，在電纜的每一端都使用了非平衡終端匹配電阻,。該電阻也保證了能夠檢測外設與端口的連接或分離，并且可以區(qū)分高速與低速設備,。
　　68HC05JB4只支持低速USB外設,。它提供了兩個端口分別與電纜的D+、D－相連,；同時提供了一個3.3V的參考電壓與D－相連,。典型連接如圖2。圖中電阻電容的參數(shù)是我們在USB手寫板中采用的數(shù)值,，其中1.5kΩ的電阻要求較高,，阻值范圍必須是1.5kΩ±5%。由于電纜長度有限,，類似電纜負載之類的工作就不再需要開發(fā)者去考慮了,。

2 USB總線系統(tǒng)軟件設計
　　USB設備的軟件功能主要有兩點：一是監(jiān)視設備的狀態(tài)，自動產(chǎn)生狀態(tài)信息和用戶命令信息,；一是完成主機與設備之間的USB總線通訊,，自動處理主機的控制和查詢命令。
　　前一功能與設備的具體工作方式有關(guān),，與一般非USB設備的實現(xiàn)方法大體一致,。唯一的區(qū)別是開發(fā)者需要預先定義設備所屬的類別和使用的協(xié)議。原因是,，USB協(xié)議將設備分為不同的類型,，每個設備類型都定義了類似功能設備的共同行為和協(xié)議。例如HID(Human Interface Device)人機接口設備主要指用于人控制計算機系統(tǒng)操作的器件,，而電源設備(Power Device)則被定位為HID的子系統(tǒng)之一,。對設備進行分類是為了消除不同硬件廠商之間的差異，以便于主機(PC)對設備進行方便,、統(tǒng)一的管理,。相同類型的設備都由一組標準定義的功能模塊組成,。這樣主機與USB設備之間的通信就可以通過一些標準格式的數(shù)據(jù)包來完成。USB開發(fā)者論壇發(fā)布了一系列USB設備的類型定義,，并配以相應的使用說明,。如果開發(fā)者需要了解HID及其子類設備，可以查閱參考文獻[2][3],。
　　開發(fā)者還應考慮的是主機的工作平臺,，比如Windows 98/NT、Unix等等,，原因是不同的系統(tǒng)對不同的設備的支持程度不同,。例如在Windows 98下，系統(tǒng)除了提供通用的USB設備的底層驅(qū)動以外,，還單獨提供了少數(shù)HID設備(如鼠標)的完整驅(qū)動,，也就是說，開發(fā)者如果想實現(xiàn)一個USB鼠標,，是不需要在Windows 98下開發(fā)自己的驅(qū)動程序的，而如果想實現(xiàn)一個USB手寫板,，就必須在通用的底層驅(qū)動基礎上開發(fā)自己的設備驅(qū)動程序,。所以設備類型的定義也直接影響開發(fā)的難度和時間。
　　后一個功能的實現(xiàn)較為困難,。USB總線上傳遞的信息有兩種：一是由數(shù)據(jù)線的差分信號傳遞的三種包(令牌包,、數(shù)據(jù)包和應答包)；一是經(jīng)過定義的特殊的數(shù)據(jù)線信號,，如復位信號,、喚醒信號和包結(jié)束(EOP)信號等。對于低速設備,，USB還定義了兩種總線操作方式：控制傳輸(用于主機設置設備和獲取狀態(tài))和中斷傳輸(用于工作信息的傳輸),。
　　MC68HC05JB4中的USB模塊提供了3個端點，其中端點0通過控制傳輸與主機通訊,，而端點1和端點2則使用中斷傳輸,。用戶可以近似地把端點0看作是設備的控制和狀態(tài)寄存器，而端點1和端點2則是設備的兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),。對應于3個端點,，68HC05JB4提供了3個控制寄存器，2個中斷寄存器(端點1和端點2共用1個),，同時為端點0提供了8個數(shù)據(jù)發(fā)送/接收寄存器,，為端點1和端點2提供了8個共用的數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器。其他在USB模塊中提供的寄存器還包括一個地址寄存器和一個狀態(tài)寄存器,。
　　軟件開發(fā)的主要工作是編寫USB的中斷服務例程,，其功能是處理USB發(fā)送/接收的不同的通訊信息(如令牌,、數(shù)據(jù)或應答等)，再從端點0獲得主機的控制信息,，或是向端點0發(fā)送設備的狀態(tài)信息,，以及向端點1或端點2發(fā)送完整的數(shù)據(jù)報告等。根據(jù)設備類型的不同,，主機發(fā)送的控制信息的種類和數(shù)量都會不同,。例如，USB手寫板屬于HID設備,，在響應主機命令的時候,，除了需要處理普通的USB命令(如Set Address、Set/Get/Clear Feature和Get Status等等)以外,，還需要處理HID設備特定的一些命令,，如Set/Get Report、Set/Get Idle和Set/Get Protocol等等,。關(guān)于USB模塊的各個寄存器的使用方法,，MOTOROLA也提供了一些范例，開發(fā)者可以參照學習,。
　　開發(fā)者還應注意的是設備的掛起(休眠)和喚醒功能,。USB協(xié)議規(guī)定，當總線處于空閑狀態(tài)超過3ms時,，設備必須進入掛起狀態(tài),，而掛起的設備從總線上吸收的電流必須小于500μA。68HC05JB4的掛起可以通過設置USB端點0的中斷寄存器中的掛起標志位來實現(xiàn),。
　　但設備的掛起對設備的工作往往有不利的影響,。協(xié)議規(guī)定的500μA包括了主機端的電纜終端匹配電阻的電流(通常為220μA)，所以對于使用總線電源的設備而言,，進入掛起狀態(tài)通常便意味著總電流消耗不能超過280mA,，這實際上是要求68HC05JB4進入STOP模式。開發(fā)者如果需要設備不進入掛起狀態(tài),，通常有兩種方法,。一種是通過主機周期性地向設備發(fā)送包結(jié)束(EOP)信號，間隔時間小于3ms,，這樣設備將永遠處于正常狀態(tài),；另一種方法是在設備掛起時喚醒它，既可以由主機發(fā)送喚醒或復位信號,，也可以由設備自行遠程喚醒,，具體的實現(xiàn)方法是由設備向主機發(fā)出遠程喚醒信號，在主機認可后設備即結(jié)束掛起狀態(tài),。開發(fā)者可以在68HC05JB4的外中斷端口上連接RC電路,，在設備進入掛起狀態(tài)時利用電路的充放電時間產(chǎn)生滯后的外中斷信號,，再在中斷發(fā)生時向主機發(fā)送遠程喚醒信號，就可以自動恢復到正常的狀態(tài),。
　　圖3是根據(jù)我們編寫的USB手寫板的程序精簡出來的一個典型的程序流圖,，開發(fā)者可以參考編寫不同設備的代碼。正如上文所述,，最關(guān)鍵,、也是最困難的，還是中斷處理程序的編寫,，開發(fā)者需要格外重視,。