基于單片機(jī)的嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

0 引言

對(duì)于大多數(shù)單片機(jī)而言，其內(nèi)部存儲(chǔ)器只有ROM和RAM兩種。由于ROM對(duì)數(shù)據(jù)的不易修改性和RAM對(duì)數(shù)據(jù)的掉電易失性，而且它們有限的容量，這極大地限制了單片機(jī)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，處理及傳輸方面的應(yīng)用。如今，U盤已經(jīng)成為使用方便的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，它采用USB總線接口，支持熱插拔且即插即用，體積小容量大，讀寫速度快，可重復(fù)擦寫幾百萬(wàn)次，無(wú)需外接電源，易于采購(gòu)和攜帶，有多種容量可供選擇，但是它通常與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)，不是很方便。因此就有了脫離 PC機(jī)在U盤之間交換數(shù)據(jù)的需求。本文為脫離PC機(jī)的U盤對(duì)拷技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是要完成在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下對(duì)嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并完成Mass Storage類協(xié)議設(shè)備驅(qū)動(dòng)嵌入式程序及用戶程序。最后，實(shí)現(xiàn)結(jié)果為在無(wú)操作系統(tǒng)的單片機(jī)環(huán)境下能夠?qū)盤進(jìn)行文件的讀寫操作及FAT文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1硬件電路總體設(shè)計(jì)

嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)從硬件上區(qū)分主要包括USB主機(jī)控制器和系統(tǒng)主處理器，因此，嵌入式主機(jī)系統(tǒng)的核心就由主CPU和主機(jī)控制器芯片構(gòu)成。組成系統(tǒng)的首要任務(wù)就是選擇合適的主CPU以及USB主機(jī)控制器芯片。另外，為了直觀地顯示系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程和運(yùn)行結(jié)果，需要建立一個(gè)人機(jī)界面。若作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，需要另行配置LCD顯示模塊、完整的鍵盤模塊等。硬件選擇的方案HAI必須綜合考慮系統(tǒng)成本、處理速度、體積、功耗等問(wèn)題。

1.1  系統(tǒng)硬件總體框圖

嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的核心包括中央處理器和USB主機(jī)控制器，基于程序存儲(chǔ)容量和處理數(shù)據(jù)速度方面的考慮，外部擴(kuò)充RAM。圖1是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。

系統(tǒng)的大致工作流程是（視具體設(shè)計(jì)而定）:單片機(jī)系統(tǒng)在完成系統(tǒng)初始化之后，等待USB主控制器的外部中斷或查詢USB主控制器的狀態(tài)，當(dāng)USB設(shè)備插入主機(jī)系統(tǒng)上之后，由USB主控制器通過(guò)外部中斷信號(hào)或相應(yīng)的狀態(tài)值來(lái)通知單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)與USB主控制器完成設(shè)備的枚舉、配置等操作，并對(duì) Flash閃存進(jìn)行操作，可以建立文件并寫數(shù)據(jù)，建立文件夾，讀取具體文件中的數(shù)據(jù)，修改文件的信息（例如文件的修改時(shí)間，大小等），或者使用通配符對(duì) Flash閃盤中文件或文件夾等等。預(yù)留擴(kuò)展接口是留給用戶進(jìn)行具體功能擴(kuò)展時(shí)使用，用于通過(guò)RS-232與PC機(jī)進(jìn)行通信，或控制時(shí)鐘芯片等等。

1.2  系統(tǒng)主處理器的選擇

常用的8位單片機(jī)體積小成本低，但是一般來(lái)說(shuō)時(shí)鐘頻率不很高，且往往一個(gè)機(jī)器周期需要好幾個(gè)時(shí)鐘周期，更加導(dǎo)致效率降低。此外，8位單片機(jī)的片內(nèi)資源較少，RAM，ROM容量都比較小，加大RAM就可以解決有大量數(shù)據(jù)需要處理的系統(tǒng)需求。DSP處理器由于外圍集成的資源比較少，價(jià)格又比較昂貴，同樣不適用于本系統(tǒng)。如今市面上流行的32位ARM核微處理器，處理速度快，外圍集成單元齊全，價(jià)格適中，更被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能系統(tǒng)等嵌入式設(shè)備中，因此如本系統(tǒng)采用ARM作為核心系統(tǒng)處理器可以達(dá)到很高的速度和性價(jià)比[1]。但是在一些對(duì)于速度要求不很高的場(chǎng)合，利用單片機(jī)也能達(dá)到很好的效果，并且能夠極大的降低系統(tǒng)成本。本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心處理器，通過(guò)對(duì)程序的優(yōu)化，使得對(duì)U盤的讀寫速度達(dá)到近80KB/S，完全可以滿足一般情況下對(duì)U盤讀寫速度的要求。

1.3  U盤接口的選擇

在利用單片機(jī)對(duì)U盤進(jìn)行讀寫時(shí)，需要增加兩個(gè)USB接口，在系統(tǒng)程序的控制下，就可以實(shí)現(xiàn)U盤數(shù)據(jù)拷貝。因此實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)U盤數(shù)據(jù)的讀寫是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的USB協(xié)議及USB通信，需要使用USB總線接口芯片。本設(shè)計(jì)中選擇的是CH375芯片，它是USB總線通用接口芯片，支持 USB－HOST主機(jī)模式，在本地端CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)控制器的系統(tǒng)總線上，且 CH375在USB主機(jī)方式下支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)可以通過(guò)CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通訊，并且CH375支持USB 設(shè)備的控制，批量和中斷傳輸。因此只要利用單片機(jī)對(duì)USB總線接口芯片進(jìn)行在主機(jī)模式下的合理控制，即可實(shí)現(xiàn)嵌入式的單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)U盤的讀寫。

2  系統(tǒng)軟件功能模塊

嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)不同于PC平臺(tái)上的主機(jī)系統(tǒng)。由于其系統(tǒng)資源和性能的限制，嵌入式的主機(jī)系統(tǒng)只需根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)特定的設(shè)備類即可。在USB總線活動(dòng)的時(shí)候，主機(jī)系統(tǒng)是根據(jù)協(xié)議規(guī)范按照特定的時(shí)序運(yùn)行。因此，整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)就可以不依賴于任何操作系統(tǒng)，而只是利用嵌入式的資源即可。在嵌入式 USB主機(jī)中，通過(guò)系統(tǒng)程序來(lái)調(diào)度各個(gè)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

2．1  系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)主程序的流程：首先對(duì)系統(tǒng)各部分功能模塊進(jìn)行初始化，接著根據(jù)具體需要完成相應(yīng)的功能（例如采集數(shù)據(jù)等等），之后查詢是否有U盤插入，插入之后即可根據(jù)具體需要完成相應(yīng)的文件操作。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。

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對(duì)于本課題脫離PC機(jī)的U盤對(duì)拷技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)，其具體流程為：首先初始化系統(tǒng)各功能模塊，等待源U盤的插入，源U盤插入之后讀取指定文件，并將數(shù)據(jù)暫存在外部RAM中并提示可以拔下源U盤，接著就等待目的U盤的插入，插入之后將外部RAM中的文件數(shù)據(jù)寫到指定的文件中（可以新建文件，也可以將當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間作為當(dāng)前文件的修改時(shí)間等等），第一輪循環(huán)結(jié)束，繼續(xù)以下的循環(huán)。其流程圖如圖3所示。  

2．2 協(xié)議的選擇

USB協(xié)議從1.0版本至今，已經(jīng)發(fā)展到2.0版本。在最新的2.0版本中，USB系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商已經(jīng)意識(shí)到USB的發(fā)展瓶頸在于無(wú)法脫離PC機(jī)，而對(duì) USB主機(jī)進(jìn)行嵌入又因其協(xié)議的紛繁復(fù)雜而顯得困難重重。因此，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商推出了OTG版本協(xié)議，其目的就在于實(shí)現(xiàn)USB在嵌入式領(lǐng)域中的應(yīng)用，這與本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)不謀而合。按照USB2.0的補(bǔ)充版本OTG 1.0規(guī)定，符合USB OTG協(xié)議的設(shè)備可以完全脫離PC機(jī)而獨(dú)立運(yùn)行，即它本身即可作主機(jī)，也可以作外設(shè)，也可以與另一個(gè)符合OTG規(guī)范的設(shè)備進(jìn)行互連[2]。

當(dāng)然，OTG解決方案并非盡善盡美，在很多場(chǎng)合并不要求系統(tǒng)即可作主機(jī)也可作從機(jī)，應(yīng)用OTG方案顯得有點(diǎn)多余；其次，由于OTG是新興技術(shù)，在其健壯性上還有待驗(yàn)證。最后，開(kāi)發(fā)符合OTG協(xié)議的設(shè)備在當(dāng)前價(jià)格還比較昂貴，因此，若想將USB設(shè)備（存儲(chǔ)設(shè)備）應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，本文中提出的主機(jī)解決方案不失為一種很好的選擇。

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2．3 軟件層次劃分

從嵌入式USB主機(jī)的軟件層次劃分來(lái)看，系統(tǒng)軟件主要包括主控制器驅(qū)動(dòng)程序、USB核心驅(qū)動(dòng)程序，以及用戶軟件；從功能劃分來(lái)看，系統(tǒng)軟件可分為以下幾個(gè)部分：

1.主CPU與各系統(tǒng)模塊的初始化程序設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)主CPU及各系統(tǒng)模塊的初始化，包括實(shí)現(xiàn)I2C接口的LED顯示、鍵盤、時(shí)鐘芯片以及主CPU與USB主機(jī)控制芯片之間的數(shù)據(jù)通信功能。

2.USB主機(jī)系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

主要完成核心驅(qū)動(dòng)程序的功能，具體來(lái)說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)USB的4種基本數(shù)據(jù)的傳輸方式，實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的枚舉過(guò)程，并獲取USB設(shè)備的描述符等。這些功能都可以通過(guò)讀寫主控制器寄存器來(lái)完成。因此，系統(tǒng)中只需分別定義一個(gè)讀寄存器函數(shù)和寫寄存器函數(shù)，然后以此函數(shù)為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)成各功能子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備枚舉以及獲取描述符等各種操作。

3.Mass Storage類協(xié)議的程序設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)Mass Storage設(shè)備類中Bulk-Only傳輸協(xié)議和Mass Storage類中UFI子類的各種請(qǐng)求命令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種訪問(wèn)和讀寫操作。

4.應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

主要實(shí)現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)?？筛鶕?jù)FAT文件系統(tǒng)的基本體系，通過(guò)Mass Storage類協(xié)議中的UFI子類命令和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請(qǐng)求命令與設(shè)備的Flash閃存建立連接關(guān)系，并在USB主機(jī)系統(tǒng)中建立磁盤的空間結(jié)構(gòu)，定義 MBR， DBR的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立FAT表，F(xiàn)DT表，實(shí)現(xiàn)對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行讀取等操作功能即可。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)即可按照上述的4個(gè)功能模塊來(lái)依次構(gòu)建。

3結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)建立了基于單片機(jī)的嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了USB協(xié)議中的Mass Storage類協(xié)議和精簡(jiǎn)的FAT文件系統(tǒng)，能夠?qū)盤中的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，完成相應(yīng)的文件操作等各種功能。結(jié)果表明：利用該嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)對(duì)具體U盤中的文件進(jìn)行讀操作時(shí)，平均速度為60～80KB/S，對(duì)之進(jìn)行寫操作時(shí)，平均速度為40～50KB/S。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了便攜式，擺脫了PC機(jī)對(duì)USB設(shè)備的控制，無(wú)需PC主機(jī)即可對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，具有廣闊的應(yīng)用前景。程序主要采用C語(yǔ)言編寫，因此它可以很方便地移植到其它處理器中。

本文創(chuàng)新之處：目前，市場(chǎng)上脫離PC對(duì)U盤操作的單純產(chǎn)品很少，而且有些此功能的產(chǎn)品都有一定的應(yīng)用背景。本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了U盤對(duì)拷器，留有擴(kuò)展口，可作U盤對(duì)拷器用，也可在此基礎(chǔ)上作二次開(kāi)發(fā)。

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