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。