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

對于大多數(shù)單片機(jī)而言，其內(nèi)部存儲器只有ROM和RAM兩種。由于ROM對數(shù)據(jù)的不易修改性和RAM對數(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，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存儲設(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)擦寫幾百萬次，無需外接電源，易于采購和攜帶，有多種容量可供選擇，但是它通常與計算機(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盤對拷技術(shù)的研究與設(shè)計，主要任務(wù)是要完成在無操作系統(tǒng)的情況下對嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計，并完成Mass Storage類協(xié)議設(shè)備驅(qū)動嵌入式程序及用戶程序。最后，實(shí)現(xiàn)結(jié)果為在無操作系統(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

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)試過程和運(yùn)行結(jié)果，需要建立一個人機(jī)界面。若作為一個獨(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)計框圖。

系統(tǒng)的大致工作流程是（視具體設(shè)計而定）: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主控制器通過外部中斷信號或相應(yīng)的狀態(tài)值來通知單片機(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 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（例如文件的修改時間，大小等），或者使用通配符對 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)展時使用，用于通過RS-232與PC機(jī)進(jìn)行通信，或控制時鐘芯片等等。

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，但是一般來說時鐘頻率不很高，且往往一個機(jī)器周期需要好幾個時鐘周期，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比[1]。但是在一些對于速度要求不很高的場合，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)計采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心處理器，通過對程序的優(yōu)化，使得對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U盤進(jìn)行讀寫時，需要增加兩個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U盤數(shù)據(jù)的讀寫是問題的關(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總線活動的時候，主機(jī)系統(tǒng)是根據(jù)協(xié)議規(guī)范按照特定的時序運(yùn)行。因此，整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計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，通過系統(tǒng)程序來調(diào)度各個任務(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)計的應(yīng)用系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。