基于USB HOST技术实现嵌入式读写优盘的系统设计

　　本文以USB HOST技术为核心，介绍USB HOST技术在单片机上的实现。，重点介绍USB HOST技术在嵌入式系统读写优盘上的应用。

　　1、 USB HOST技术简介

　　USB的通信可以用图1表示。图1中，左半部分为USB主机端，可以看出，USB主机端由两部分构成，即软件体和硬件体。实际上是三个软件组件组成了USB HOST解决方案，即USB客户驱动程序、USB驱动程序和USB主机控制器驱动程序。应用程序的事务处理是由USB客户驱动程序（设备驱动程序）启动时，客户驱动程序把USB设备当作一个可以被访问的端点集合，它可以被控制并与它的功能单元进行通信。USB系统软件包括USB驱动程序和USB主控制器驱动程序，USB驱动程序负责配置管理、用户管理、总线管理和数据传输管理；以及数据的位编码、封包、循环校验、发送、错误处理等。

　　2 、基于ISP1161控制器USB HOST的实现原理

　　USB控制器大致分为三类：第一类是支持1.0协议的，这类已经很少见了；第二类是支持1.1协议的控制器；第三类是支持2.0协议的控制器。根据不同场合，后两种应用比较广泛，2.0接口主要用在计算机上，依靠操作系统实现数据高速传输。支持1.1协议的芯片除了用于计算机上，还有少数是为嵌入式系统中实现USB HOST而设计的。如Cypress的SL811、Philips的ISP1160、ISP1161等。

　　USB主机端的硬件部分是由处理器、USB-HOST控制器和根集线器组成，图2是由微控制器MSP430F149和USB控制器ISP1161实现USB HOST的电路原理。图2分为4个部分：微处理器、USB控制器、电源管理模块和USB接口电路。从概念上还应有一个USB根集线器（USB Hub），实际根集线器被集成在USB HOST控制器中。

　　ISP1161是Philips设计的USB主机/设备控制器。内部有1个USB主机控制器和1个设备控制器，符合USB2.0协议，支持全速和低速传输。主机和设备控制器共享相同的接口总线，带有2个USB下行端口和1个USB上行端口。图2中使用接口1作为HOST下行端口。每个下行端口有各自的过流检测电路，图2中使用PHP109检测端口供电电流，

　　高于500mA将停止对总线供电。

　　MSP430和ISP1161的数据传输可以通过PIO（程控输入输出）方式或DMA（直接存储器访问）方式进行传输，在ISP1161进入工作状态前，要进行一系列初始化，包括检测器、复位控制器、初始化硬件配置、设置中断、设置Buffer（缓冲区）大小等。使ISP1161的主机控制器处于工作状态，真正用于发送到总线的数据被放置于ISP1161内部的缓冲区内。

　　这时值得一提的是“传输描述符”这个概念，它是ISP1161工作的核心概念。在缓冲区内放置的数据是以传输描述符为单位，传输描述符作用是描述了本次传输需要完成的任务。描述符分为描述符头和描述符负载数据。描述符头表征了这个描述符的传输类型、封包最大宽度、传输速度、传输对象、传输端点、负载数据的长度等。传输描述符的另一个作用体现在传输后。每次传输执行完毕后，传输描述符的内容会有相应的改变，体现在传输描述符头中，表征了本次传输的结果，包括传输了多少字节，传输中发生了什么错误等。

　　3、 USB主机端对设备的枚举

　　从USB设备插入接口开始到客户驱动程序能够使用该设备还有一段路径，这一段就被称作为设备的识别过程，又成为枚举过程。枚举过程是任何USB设备使用前必经的过程。USB主机端需要知道这是一个低速设备还是全速设备，需要知道这个设备具有的能力，以便载入相应的设备驱动程序，下面具体介绍一下实现步骤。

　　首先，捕捉设备的插入。USB设备是即插即用设备，系统在设备插入的瞬间要捕捉到这一信息，ISP1161是通过内部的Hub完成这一任务的。Hub端口的两根信号线（D+和D-）的每一根都有一个子15kΩ的下拉电阻，而一个设备在D+（全速设备）或D-（低速设备）上有一个1.5kΩ的上拉电阻。当设备插入到一个端口时，设备的上位电阻信号为高。Hub以此检测到一个设备已连接上了，并报告给主机控制器，然后，在与处理器的接口上产生中断。主机知道后，通过读取Hub相关寄存器来了解诸如设备速度等更多信息。

　　而后，Hub重新设置该设备。当主机知道有一新设备时，主机给Hub相关寄存器写命令，让Hub来重新设置端口。Hub使设备的USB数据线处在重启状态（D+和D-均为逻辑低）至少10ms，当Hub释放了重启状态，设备就处在默认状态了（D+和D-均为逻辑低）至少10ms，当Hub释放了重启状态，设备就处在默认状态了（设备的USB寄存器已经处在它们的默认状态）。此时，设备已准备发通过Endpoint 0的默认流程来响应控制流程。

　　最后，主机通过控制传输通道完成设备的枚举。主机端先送一个Get_Descriptor（获取描述符）请求来知道默认流程最大包的大小，主机发送请求给设备地址0，端点0。然后通过发送一个Set_Address（设定地址）请求来分配一个单独的地址给设备。设备读取这个请求，返回一个确认且保存新的地址。知道设备的能力主机给新地址发送一个Get_Descriptor请求来读取这个设备完整的描述符，包括Endpoint 0最大包的大小，设备支持的配置号，以及该设备的其它信息，主机将这些信息用于往后的通信中。而后发出（Set_configuration）设定配置请求，以该配置号配置设备。设备就完全正确处于可操作状态。主机此时就可以加载相应的客户驱动程序，对设备进行操作了。

　　4 、数据在存储设备和主机之间的传输

　　下面将以嵌入式系统读写优盘为例介绍USB HOST的应用。首先将介绍一下数据在存储设备和主机之间的传输。

　　除了上面提到的控制（control）传输外，还有三种传输方式：同步（isochronous）传输、中断（interrupt）传输、批量（bulk）传输，主机将根据设备的特点决定采用什么传输方式。USB存储设备和USB主机之间的传输方式是批量传输。为了能够更详细的说明问题，先简要说明一下BULK-ONLY传输协议。

　　USB存储设备使用的传输方式都是批量传输方式，一则它不受时间限制；二则能保证数据的完整性。在这种传输方式下，有三种类型的数据在USB和设备之间传送，CBW、CSW和普通数据。图3描述了主机端数据传输的顺序，CBW（命令块封包）是从USB主机发送到设备的命令，USB主机发送到设备的命令，USB设备需要将命令从CBW中提取出来，执行相应的操作。完成以后，向HOST端发出回答，即当前命令执行状态的CSW（命令状态封包）。主机根据CSW来决定是否继续发送下一个CBW或是数据。

　　从图3中可以看到数据段被一分之二，一个是数据出，这表示主机发送数据给设备；另一个为数据入，表示主机从设备处得到数据。典型诮就是读取存储设备数据和写入设备数据。下面介绍一下该过程如何在基于ISP1161的嵌入式系统中实现。

　　主机发送CBW，这个CBW本身作为传输描述符的负载数据传输到设备。CBW的封包也包括两个部分，封包头和命令块。封包头表征了数据传输方向传输的逻辑单元和命令块长度；命令块是真正需要实现的命令。根据设备的不同，命令块使用的命令簇也不一样，基本上分为两类，一类是UFI指令集，另一种采用SCSI指令集。

　　普通数据阶段，数据将占据整个传输描述的负载数据长度，需要送出的数据在发送前要装入缓冲区。读入时，数据在传输描述符执行完会自动放入负载数据部分。

　　CSW阶段反映该命令的完成情况，包括CSW标志、还需要传输的数据长度、正确返回标志等。

　　5、 单片机对存储设备的读写

　　对USB存储设备的读写需要对存储体的格式有一定了解。当前USB存储体多数为FAT16和FAT32格式，还有极少数的使用FAT12格式。FAT16多见于优盘，而FAT32多见于移动硬盘。这里简价介绍优盘普遍采用的一种文件格式：FAT16。对于只有一个分区FAT16格式的优盘，它的结构依次是主引导区（BOOT SECTOR）、隐藏扇区、逻辑盘引导区（BOOT SECTOR）、FAT区、根目录区、数据区。

　　主引导区由MBR（Master Boot Record），DPT（Disk Partition Table）和Boot Record ID三部组成。MBR又称作主引导记录区，存放系统主引导程序；DPT即主分区表，记录了磁盘的基本分区信息；Boot Record ID为引导区标志。逻辑分区的Boot SECTOR由已跳转指令、硬盘分区类型的文本字符名、分区参数块、扩展的分区参数块和启动指令块组成。FAT（File Allocation Table，文件分配表）、记录簇的使用情况。根据目录区中存放目录项，每个目录项为32个字节，记录一个文件或目录的信息（长文件名例外）。数据区记录了文件和目录数据区，位于目录项所占的最后一个扇区之后，最真正存放文件数据或是子目录的位置。

　　文件的读写实际上是USB BULK-ONLY Protocol（USB批量传输协议）和文件系统协议的具体实现，下面以文件系统为FAT16的设备为例，讲述如何读取一个位于根目录下名为“read.txt”的文件和在该目录下写入一个名为“write.txt”的文件。

　　读取和写入数据之前，需要了解的该存储设备的全部信息。包括扇区大小，FAT表长度，簇的大小等。该部分信息可以通过读取主引导区和逻辑引导区获得。

　　读取文件的时候，大致按如下顺序，读根目录→读FAT1→读数据区，具体步骤如下。首先找到文件名所在的位置，根目录下的文件和目录均在根目录区，每一个目录或文件项占用32个字节，每次读取一个扇区，比较数据，没有则继续读下一个扇区，直到找到该文件。在这32个字节中，第26～27字节表征了文件开始簇号，28～31字节表征了文件大小。根据开始簇号，搜索FAT区，找到文件簇链，依次读取对应簇，即可完整的得到文件数据。

　　写“write.txt”稍有不同，大致可以按这样的顺序号，写FAT1→写FAT2→写根目录区→写数据区。具体来说，先读取FAT区，搜索可用簇，标记为文件开始簇号，继续搜索，找到下一可用簇，并在上一可用簇标示（00 00）处写入该簇号，依次下去，直至写完簇链，并将最后一个簇标志为文件的结束簇。这里需要注意的是：FAT区有两份，是同样的内容，写完了FAT1，将FAT2相应位置写入同样的数据。下一步就是写文件名，在根目标区搜索可用的根目录项，将文件名、时间、起始扇区、文件大小等写入该目录项。这时优盘上已经有了一个名为“write.txt”的文件，但是文件的内部还未写入，下一步根据文件开始簇号，将文件的内容写入簇链中对应的簇。至此，整个文件的写入就大功告成。

　　6 、小结

　　一个USB HOST要完成的功能因为需求不同，所使用的协议也不尽相同，有的采用中断传输，有的采用同步传输。USB主机技术在单片机上的应用主要是针对某一种USB设备或几种设备，因而单片机上可以只固化某几种协议。该技术的应用可以使得小型仪器上轻松接入USB外设、扩展系统的功能、提高仪器的使用灵活性。USB主机技术在单片机上的应用会有更广泛更美好的前景。