基于单片机的嵌入式USB主机系统的实现

0 引言

对于大多数单片机而言，其内部存储器只有ROM和RAM两种。由于ROM对数据的不易修改性和RAM对数据的掉电易失性，而且它们有限的容量，这极大地限制了单片机在数据存储，处理及传输方面的应用。如今，U盘已经成为使用方便的移动存储设备，它采用USB总线接口，支持热插拔且即插即用，体积小容量大，读写速度快，可重复擦写几百万次，无需外接电源，易于采购和携带，有多种容量可供选择，但是它通常与计算机交换数据，不是很方便。因此就有了脱离 PC机在U盘之间交换数据的需求。本文为脱离PC机的U盘对拷技术的研究与设计，主要任务是要完成在无操作系统的情况下对嵌入式USB主机系统的设计，并完成Mass Storage类协议设备驱动嵌入式程序及用户程序。最后，实现结果为在无操作系统的单片机环境下能够对U盘进行文件的读写操作及FAT文件系统的实现。

1硬件电路总体设计

嵌入式USB主机系统从硬件上区分主要包括USB主机控制器和系统主处理器，因此，嵌入式主机系统的核心就由主CPU和主机控制器芯片构成。组成系统的首要任务就是选择合适的主CPU以及USB主机控制器芯片。另外，为了直观地显示系统调试过程和运行结果，需要建立一个人机界面。若作为一个独立的系统，需要另行配置LCD显示模块、完整的键盘模块等。硬件选择的方案HAI必须综合考虑系统成本、处理速度、体积、功耗等问题。

1.1  系统硬件总体框图

嵌入式USB主机系统的核心包括中央处理器和USB主机控制器，基于程序存储容量和处理数据速度方面的考虑，外部扩充RAM。图1是系统的总体设计框图。

系统的大致工作流程是（视具体设计而定）:单片机系统在完成系统初始化之后，等待USB主控制器的外部中断或查询USB主控制器的状态，当USB设备插入主机系统上之后，由USB主控制器通过外部中断信号或相应的状态值来通知单片机系统，单片机与USB主控制器完成设备的枚举、配置等操作，并对 Flash闪存进行操作，可以建立文件并写数据，建立文件夹，读取具体文件中的数据，修改文件的信息（例如文件的修改时间，大小等），或者使用通配符对 Flash闪盘中文件或文件夹等等。预留扩展接口是留给用户进行具体功能扩展时使用，用于通过RS-232与PC机进行通信，或控制时钟芯片等等。

1.2  系统主处理器的选择

常用的8位单片机体积小成本低，但是一般来说时钟频率不很高，且往往一个机器周期需要好几个时钟周期，更加导致效率降低。此外，8位单片机的片内资源较少，RAM，ROM容量都比较小，加大RAM就可以解决有大量数据需要处理的系统需求。DSP处理器由于外围集成的资源比较少，价格又比较昂贵，同样不适用于本系统。如今市面上流行的32位ARM核微处理器，处理速度快，外围集成单元齐全，价格适中，更被广泛应用于工业控制、智能系统等嵌入式设备中，因此如本系统采用ARM作为核心系统处理器可以达到很高的速度和性价比[1]。但是在一些对于速度要求不很高的场合，利用单片机也能达到很好的效果，并且能够极大的降低系统成本。本设计采用AT89S52单片机作为系统核心处理器，通过对程序的优化，使得对U盘的读写速度达到近80KB/S，完全可以满足一般情况下对U盘读写速度的要求。

1.3  U盘接口的选择

在利用单片机对U盘进行读写时，需要增加两个USB接口，在系统程序的控制下，就可以实现U盘数据拷贝。因此实现单片机对U盘数据的读写是问题的关键所在。为了实现复杂的USB协议及USB通信，需要使用USB总线接口芯片。本设计中选择的是CH375芯片，它是USB总线通用接口芯片，支持 USB－HOST主机模式，在本地端CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机控制器的系统总线上，且 CH375在USB主机方式下支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯，并且CH375支持USB 设备的控制，批量和中断传输。因此只要利用单片机对USB总线接口芯片进行在主机模式下的合理控制，即可实现嵌入式的单片机系统对U盘的读写。

2  系统软件功能模块

嵌入式USB主机系统不同于PC平台上的主机系统。由于其系统资源和性能的限制，嵌入式的主机系统只需根据需要实现特定的设备类即可。在USB总线活动的时候，主机系统是根据协议规范按照特定的时序运行。因此，整个系统的软件设计就可以不依赖于任何操作系统，而只是利用嵌入式的资源即可。在嵌入式 USB主机中，通过系统程序来调度各个任务，从而实现系统的各种功能。

2．1  系统程序流程

系统主程序的流程：首先对系统各部分功能模块进行初始化，接着根据具体需要完成相应的功能（例如采集数据等等），之后查询是否有U盘插入，插入之后即可根据具体需要完成相应的文件操作。本设计的应用系统的程序流程图如图2所示。

对于本课题脱离PC机的U盘对拷技术的研究与设计，其具体流程为：首先初始化系统各功能模块，等待源U盘的插入，源U盘插入之后读取指定文件，并将数据暂存在外部RAM中并提示可以拔下源U盘，接着就等待目的U盘的插入，插入之后将外部RAM中的文件数据写到指定的文件中（可以新建文件，也可以将当前系统时间作为当前文件的修改时间等等），第一轮循环结束，继续以下的循环。其流程图如图3所示。  

2．2 协议的选择

USB协议从1.0版本至今，已经发展到2.0版本。在最新的2.0版本中，USB系统开发商已经意识到USB的发展瓶颈在于无法脱离PC机，而对 USB主机进行嵌入又因其协议的纷繁复杂而显得困难重重。因此，系统开发商推出了OTG版本协议，其目的就在于实现USB在嵌入式领域中的应用，这与本系统设计的出发点不谋而合。按照USB2.0的补充版本OTG 1.0规定，符合USB OTG协议的设备可以完全脱离PC机而独立运行，即它本身即可作主机，也可以作外设，也可以与另一个符合OTG规范的设备进行互连[2]。

当然，OTG解决方案并非尽善尽美，在很多场合并不要求系统即可作主机也可作从机，应用OTG方案显得有点多余；其次，由于OTG是新兴技术，在其健壮性上还有待验证。最后，开发符合OTG协议的设备在当前价格还比较昂贵，因此，若想将USB设备（存储设备）应用于嵌入式系统中，本文中提出的主机解决方案不失为一种很好的选择。

2．3 软件层次划分

从嵌入式USB主机的软件层次划分来看，系统软件主要包括主控制器驱动程序、USB核心驱动程序，以及用户软件；从功能划分来看，系统软件可分为以下几个部分：

1.主CPU与各系统模块的初始化程序设计

实现主CPU及各系统模块的初始化，包括实现I2C接口的LED显示、键盘、时钟芯片以及主CPU与USB主机控制芯片之间的数据通信功能。

2.USB主机系统软件的实现

主要完成核心驱动程序的功能，具体来说就是实现USB的4种基本数据的传输方式，实现USB设备的枚举过程，并获取USB设备的描述符等。这些功能都可以通过读写主控制器寄存器来完成。因此，系统中只需分别定义一个读寄存器函数和写寄存器函数，然后以此函数为基础来构成各功能子函数，实现数据传输、设备枚举以及获取描述符等各种操作。

3.Mass Storage类协议的程序设计

实现Mass Storage设备类中Bulk-Only传输协议和Mass Storage类中UFI子类的各种请求命令，对设备进行各种访问和读写操作。

4.应用程序设计

主要实现FAT文件系统。可根据FAT文件系统的基本体系，通过Mass Storage类协议中的UFI子类命令和标准的设备请求命令与设备的Flash闪存建立连接关系，并在USB主机系统中建立磁盘的空间结构，定义 MBR， DBR的数据结构，建立FAT表，FDT表，实现对文件系统进行读取等操作功能即可。

系统的软件设计即可按照上述的4个功能模块来依次构建。

3结束语

本设计建立了基于单片机的嵌入式USB主机系统，该系统实现了USB协议中的Mass Storage类协议和精简的FAT文件系统，能够对U盘中的文件数据进行读写，完成相应的文件操作等各种功能。结果表明：利用该嵌入式USB主机系统对具体U盘中的文件进行读操作时，平均速度为60～80KB/S，对之进行写操作时，平均速度为40～50KB/S。该系统真正实现了便携式，摆脱了PC机对USB设备的控制，无需PC主机即可对USB设备进行读写操作，具有广阔的应用前景。程序主要采用C语言编写，因此它可以很方便地移植到其它处理器中。

本文创新之处：目前，市场上脱离PC对U盘操作的单纯产品很少，而且有些此功能的产品都有一定的应用背景。本设计开发了U盘对拷器，留有扩展口，可作U盘对拷器用，也可在此基础上作二次开发。

参考文献
[1] 王成儒.USB 2.0原理与工程开发[M].北京：国防工业出版社，2004.1
[2] 伊勇，王洪成.单片机开发环境uVision2使用指南及USB固件编程与调试[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.11
[3] 李群芳 张士军编.单片微型计算机与接口技术（第2版）[M].西安：电子工业出版社，2005.1 
[4] 郭文彬 孙智权等. 基于NiosⅡ的usb接口模块设计[J]．微计算机信息，2006,10-2:278-279。