基于單片機的嵌入式USB主機系統(tǒng)的實現(xiàn)

0 引言

對于大多數(shù)單片機而言，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在數(shù)據(jù)存儲，處理及傳輸方面的應用。如今，U盤已經(jīng)成為使用方便的移動存儲設備，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交換數(shù)據(jù)，不是很方便。因此就有了脫離 PC機在U盤之間交換數(shù)據(jù)的需求。本文為脫離PC機的U盤對拷技術的研究與設計，主要任務是要完成在無操作系統(tǒng)的情況下對嵌入式USB主機系統(tǒng)的設計，并完成Mass Storage類協(xié)議設備驅(qū)動嵌入式程序及用戶程序。最后，實現(xiàn)結(jié)果為在無操作系統(tǒng)的單片機環(huán)境下能夠?qū)盤進行文件的讀寫操作及FAT文件系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1硬件電路總體設計

嵌入式USB主機系統(tǒng)從硬件上區(qū)分主要包括USB主機控制器和系統(tǒng)主處理器，因此，嵌入式主機系統(tǒng)的核心就由主CPU和主機控制器芯片構(gòu)成。組成系統(tǒng)的首要任務就是選擇合適的主CPU以及USB主機控制器芯片。另外，為了直觀地顯示系統(tǒng)調(diào)試過程和運行結(jié)果，需要建立一個人機界面。若作為一個獨立的系統(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主機系統(tǒng)的核心包括中央處理器和USB主機控制器，基于程序存儲容量和處理數(shù)據(jù)速度方面的考慮，外部擴充RAM。圖1是系統(tǒng)的總體設計框圖。

系統(tǒng)的大致工作流程是（視具體設計而定）:單片機系統(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USB設備插入主機系統(tǒng)上之后，由USB主控制器通過外部中斷信號或相應的狀態(tài)值來通知單片機系統(tǒng)，單片機與USB主控制器完成設備的枚舉、配置等操作，并對 Flash閃存進行操作，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。預留擴展接口是留給用戶進行具體功能擴展時使用，用于通過RS-232與PC機進行通信，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，且往往一個機器周期需要好幾個時鐘周期，更加導致效率降低。此外，8位單片機的片內(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，更被廣泛應用于工業(yè)控制、智能系統(tǒng)等嵌入式設備中，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，利用單片機也能達到很好的效果，并且能夠極大的降低系統(tǒng)成本。本設計采用AT89S52單片機作為系統(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

在利用單片機對U盤進行讀寫時，需要增加兩個USB接口，在系統(tǒng)程序的控制下，就可以實現(xiàn)U盤數(shù)據(jù)拷貝。因此實現(xiàn)單片機對U盤數(shù)據(jù)的讀寫是問題的關鍵所在。為了實現(xiàn)復雜的USB協(xié)議及USB通信，需要使用USB總線接口芯片。本設計中選擇的是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控制器的系統(tǒng)總線上，且 CH375在USB主機方式下支持常用的USB全速設備，外部單片機可以通過CH375按照相應的USB協(xié)議與USB設備通訊，并且CH375支持USB 設備的控制，批量和中斷傳輸。因此只要利用單片機對USB總線接口芯片進行在主機模式下的合理控制，即可實現(xiàn)嵌入式的單片機系統(tǒng)對U盤的讀寫。

2 系統(tǒng)軟件功能模塊

嵌入式USB主機系統(tǒng)不同于PC平臺上的主機系統(tǒng)。由于其系統(tǒng)資源和性能的限制，嵌入式的主機系統(tǒng)只需根據(jù)需要實現(xiàn)特定的設備類即可。在USB總線活動的時候，主機系統(tǒng)是根據(jù)協(xié)議規(guī)范按照特定的時序運行。因此，整個系統(tǒng)的軟件設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主機中，通過系統(tǒng)程序來調(diào)度各個任務，從而實現(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)各部分功能模塊進行初始化，接著根據(jù)具體需要完成相應的功能（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)具體需要完成相應的文件操作。本設計的應用系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。