基于ARM和μC/OS-Ⅱ的嵌入式USB主機(jī)設(shè)計與應(yīng)用

1 引 言

通常情況下，打印機(jī)、海量存儲等設(shè)備是由普通PC機(jī)來驅(qū)動的，由于大量的測控、醫(yī)療等系統(tǒng)需要存儲、打印數(shù)據(jù)，因此開發(fā)這類設(shè)備的嵌入式驅(qū)動是非常有實(shí)用價值的。目前，各種嵌入式設(shè)備基本上是通過軟盤存儲，并口打印的，而它們的存儲容量、數(shù)據(jù)傳輸速度已大大落后當(dāng)前各類嵌入式系統(tǒng)的需求。因此，開發(fā)基于USB接口的嵌入式海量存儲設(shè)備和打印機(jī)驅(qū)動已成當(dāng)務(wù)之急。

USB(Universal Serial Bus)是最近幾年逐步在PC領(lǐng)域廣為應(yīng)用的新型串行接口技術(shù)，它通用性好、實(shí)時性強(qiáng)、傳輸方式多樣、成本低、易于擴(kuò)展和使用，這些優(yōu)點(diǎn)使它受到許多硬件廠商的青睞，各種類型的USB設(shè)備產(chǎn)品大量涌入市場。USB通訊必須是主機(jī)和外設(shè)通訊，每次通訊都是由主機(jī)發(fā)起，外設(shè)只是被動地執(zhí)行主機(jī)發(fā)過來的命令。而市場上所買到和使用的USB 移動設(shè)備, 都是USB 的外設(shè)(device) , 如USB 的移動硬盤、USB 接口的數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)等。這些設(shè)備通常只能通過PC 來進(jìn)行相互的文件和數(shù)據(jù)交換，沒有了PC 機(jī), 這些設(shè)備就無法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而實(shí)際上并非每個地方都擁有PC機(jī)或者適合使用PC機(jī)，因此業(yè)界和用戶需求USB 主機(jī)的嵌入式化。也就是開發(fā)和設(shè)計嵌入式的USB 主機(jī)。

根據(jù)具體醫(yī)療儀器（酶標(biāo)儀）的實(shí)際需要，我們在三星的ARM7處理器 S3C44B0X上移植了實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）——micro;C/OS-II，并編寫了基于USB主控制器芯片SL811的底層驅(qū)動。為了能將酶標(biāo)儀所檢測的數(shù)據(jù)保存到外設(shè)（如U盤、移動硬盤）中，研究了對應(yīng)的文件系統(tǒng)和UFI傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對FAT文件系統(tǒng)的海量存儲設(shè)備的讀寫。同時，為了打印霉標(biāo)儀的檢測結(jié)果，研究了EPSON打印機(jī)的ESC/P打印語言，實(shí)現(xiàn)了EPSON C63系列、C65系列、ME1打印機(jī)基于USB通訊的嵌入式打印機(jī)驅(qū)動。

2 嵌入式USB主機(jī)的硬件設(shè)計

酶標(biāo)儀的硬件平臺核心為三星公司的S3C44B0X（主頻最高可達(dá)66MHz），它集成了ARM7TDMI核，LCD控制器，是一款適用于中端應(yīng)用的微控制器。系統(tǒng)擴(kuò)展包括：存儲器（8MB SRAM、2MB NOR Flash）、USB主從機(jī)（SL811HS）和按鍵等硬件資源。其中USB部分硬件連接如圖1所示。

圖1：硬件連接圖

SL811HS 是Cypress公司推出的一款嵌入式USB Host／S1ave芯片。支持USB1.1的全速和低速設(shè)備。提供USB主機(jī)的硬件接口及總線管理的物理機(jī)制。帶有在片的SIE和USB發(fā)送器以及在片的根集線器Hub。因此, 滿足了嵌入式USB 主機(jī)系統(tǒng)所需要的功能, 即由主機(jī)接口芯片來完成總線底層物理數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收, 并能檢測總線狀態(tài)， 發(fā)出中斷請求。所以， 選擇SL811HS 作為本系統(tǒng)的USB接口芯片是合適的。

如圖2所示，ARM通過Cs3片選SL811HS來確定SL811HS的基地址。D0-D7為數(shù)據(jù)和地址的復(fù)用線，并通過A0來區(qū)分，當(dāng)A0為“0”的時候，D0-D7上傳輸?shù)氖瞧频刂?；反之，?dāng)A0為“1”的時候，D0-D7作為數(shù)據(jù)線用。

3 嵌入式USB主機(jī)的軟件設(shè)計

3.1 嵌入式USB主機(jī)的軟件總體框架

系統(tǒng)的軟件平臺核心為micro;C/OS-II，它是一個源碼公開的、占先式多任務(wù)管理的實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，其性能完全可與許多商業(yè)產(chǎn)品競爭，已在相當(dāng)多的系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，是一個經(jīng)實(shí)踐證明穩(wěn)定可靠的內(nèi)核，且其核心代碼短小精悍，簡單易學(xué)。

USB 主機(jī)為USB系統(tǒng)提供的功能有：(1) 檢測USB 外設(shè)的接入和移出；(2) 管理主機(jī)和外設(shè)之間進(jìn)行的USB 標(biāo)準(zhǔn)流量控制；(3) 枚舉外設(shè)； (4) 管理主機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)流； (5) 搜集系統(tǒng)狀態(tài)和性能的統(tǒng)計信息；(6) 主機(jī)與外設(shè)之間的電氣接口，包括供電。

USB協(xié)議規(guī)定了人機(jī)接口設(shè)備HID 類、MassStorage 類、音頻類和打印類等一系列的設(shè)備類型, 用于支持不同的設(shè)備。根據(jù)實(shí)際需要，我們開發(fā)了USB接口的海量存儲類設(shè)備和基于ESC/P打印語言的EPSON打印機(jī)嵌入式驅(qū)動程序。具體驅(qū)動程序棧如圖2所示。該系統(tǒng)支持熱插拔，可以知道識別插上是哪種設(shè)備，并調(diào)用對應(yīng)的驅(qū)動。

圖2：USB驅(qū)動程序棧

3.2 USB Mass Storage 類協(xié)議框架的實(shí)現(xiàn)

USB Mass Storage 類是USB 協(xié)議所定義的用來磁盤管理及大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。USB定義了兩種海量存儲傳輸協(xié)議，它們分別是Buck-only Transport 和Control/Bulk/Interrupt(CBI) Transport。由于目前市場上所出現(xiàn)的海量存儲設(shè)備基本上都采用前者傳輸協(xié)議，即讀寫數(shù)據(jù)都是通過塊傳輸來實(shí)現(xiàn)通訊。在命令包CBW （Command Block Wrapper）中包含了標(biāo)志信息，數(shù)據(jù)長度以及UFI命令等信息。其中UFI命令含有格式化磁盤、讀磁盤、寫磁盤和讀磁盤容量等一系列磁盤管理命令。

大部分移動存儲設(shè)備都采用FAT文件系統(tǒng)來管理文件。整個文件系統(tǒng)通過Mass Storage 的UFI 命令與外設(shè)的磁盤建立聯(lián)系。FAT文件系統(tǒng)將海量存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)大致分成5個部分：MBR區(qū)（主引導(dǎo)區(qū)）、DBR區(qū)（系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)）、FAT區(qū)（文件分配表）、FDT區(qū)（文件目錄表）和DATA區(qū)（數(shù)據(jù)區(qū)）。當(dāng)有USB接口的海量存儲設(shè)備插上后，系統(tǒng)讀取MBR區(qū)和DBR區(qū)來獲得每扇區(qū)字節(jié)數(shù)，每簇扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT表個數(shù)等文件系統(tǒng)基本信息。獲取這些基本信息后從海量存儲設(shè)備讀取一個文件的流程如圖3示。因?qū)懳募妥x文件的流程沒有很大的差別，在此就不累述了。

圖3讀文件流程圖

3.3 基于ESC/ P打印控制語言的打印機(jī)驅(qū)動設(shè)計

EPSON公司的打印機(jī)基本上都是基于ESC/ P打印控制語言的，不同系列的打印機(jī)的控制語言沒有太大的差別。因此，我們開發(fā)的驅(qū)動程序具有比較強(qiáng)的通用性，針對EPSON的C63系列打印機(jī)開發(fā)的驅(qū)動完全適用C65系列和ME1打印機(jī)。

各種型號打印機(jī)的編程手冊可以到EPSON的開發(fā)網(wǎng)站上下載。編程手冊對各種控制命令作了詳細(xì)介紹，如初始化打印機(jī)（ESC @）、選擇圖形方式（ ESC (C nL nH m )、設(shè)置單元大?。‥SC (U nL nH m )、打印光柵圖像命令（ESC . c v h m N1 Nh d1 #8943;dk）等。

EPSON打印機(jī)提供兩種打印方式，一種是用來打印文本文件，用該方式打印英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、符合的時候向打印機(jī)發(fā)對應(yīng)的控制命令后，只要直接發(fā)打印內(nèi)容的ASCII碼即可。另一種方式是用來打印光柵圖形，當(dāng)需要打印表格、圖片和漢字的時候時往往會用到這種方式。在此，列出幾個關(guān)鍵API函數(shù)并予已說明：

print_image_init ( void )：因為打印機(jī)初始化后默認(rèn)為打印文本模式，所以要打印光柵圖形必須進(jìn)行相關(guān)的初始化。

print_image_command(unsigned int horiz_position,unsigned int verti_position, unsigned char rows, unsigned int columns, char color)：調(diào)用該函數(shù)之前必須事先至少調(diào)用過一次print_image_init（），它的功能是向打印機(jī)發(fā)打印圖片命令。其中，第一和第二個輸入?yún)?shù)是打印圖形的橫縱坐標(biāo)，第三和第四個輸入?yún)?shù)分別是打印圖形的行數(shù)和列數(shù)（特別值得注意的是，C63系列和C65系列打印機(jī)一次最多可打16行，而 EPSON M1一次只能打15行），第五個輸入?yún)?shù)color是選擇打印顏色。在調(diào)用該函數(shù)后，直接向打印機(jī)發(fā)打印的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)打印圖片功能了。迎訪問無由電子開發(fā)網(wǎng)（技術(shù)文章 在線閱讀 在線商城

由于打印文本模式和打印圖形的操作基本相同，而且更簡單，在此就不作說明。

3.4 USB協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

這是整個USB 體系軟件的根基, 它負(fù)責(zé)主機(jī)和設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸。其代碼都包含在文件sl811host.c中，可供上層驅(qū)動調(diào)用的API函數(shù)主要有：

EnumUsbDev （）：該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)枚舉設(shè)備的功能。當(dāng)有USB設(shè)備插上時，系統(tǒng)通過調(diào)用到該函數(shù)得到設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)描述符（接口、配置、端點(diǎn)）并識別是海量存儲設(shè)備還是打印機(jī)。設(shè)置地址（SetAdress），設(shè)置配置描述符（SetDecriptor），設(shè)置配置值（SetConfiguration），設(shè)置接口（SetInterface）也在該函數(shù)里實(shí)現(xiàn)。

BuckSend（）：該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)主機(jī)上的數(shù)據(jù)通過塊傳輸方式發(fā)送到設(shè)備上；

BuckReceive（）：塊傳輸接受函數(shù)；

BuckSend（）和BuckReceive（）兩個函數(shù)是最調(diào)度最平凡的兩個函數(shù)，因為對海量存儲設(shè)備的讀寫，對打印機(jī)發(fā)送控制命令、打印數(shù)據(jù)都是通過塊傳輸通訊的，也就是通過調(diào)用這兩個函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

處理器讀寫SL811HS單個寄存器或數(shù)據(jù)存儲器的函數(shù)如下：

　　void SL811Write(char a, char d){　SL811_ADDR = a;　　　SL811_DATA = d;}

　　char SL811Read(char a)　{　SL811_ADDR = a;　　　 return (SL811_DATA);　}

這兩個函數(shù)是ARM處理器和SL811芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的基石，所有控制寄存器和數(shù)據(jù)存儲器的讀寫都可以通過以上兩個函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要連續(xù)讀寫SL811中的儲存器時可以采用以下方式來實(shí)現(xiàn)，可以加快讀寫速度。

　　void SL811BufWrite(BYTE addr, BYTE *s, BYTE c)

　　{SL811H_ADDR = addr;

　　while (c--)

　　SL811H_DATA = *s ;}

4 結(jié) 論

在基于實(shí)時內(nèi)核micro;C/OS-II和32位RISC架構(gòu)ARM7 Core的系統(tǒng)板上，我們實(shí)現(xiàn)了嵌入式USB主機(jī)設(shè)計和開發(fā)，為酶標(biāo)儀這一特定醫(yī)療設(shè)備提供了讀寫海量存儲設(shè)備和打印的功能。經(jīng)測試，本系統(tǒng)讀海量存儲設(shè)備數(shù)據(jù)的速度可達(dá)750kB/s，寫數(shù)據(jù)的速度最高可達(dá)450kB/s；打印功能也完全滿足系統(tǒng)要求，性能穩(wěn)定可靠，使用方便，是一種可行、實(shí)用的方案。