本文以USB HOST技術為核心，介紹USB HOST技術在單片機上的實現。，重點介紹USB HOST技術在嵌入式系統(tǒng)讀寫優(yōu)盤上的應用。

1、 USB HOST技術簡介

USB的通信可以用圖1表示。圖1中，左半部分為USB主機端，可以看出，USB主機端由兩部分構成，即軟件體和硬件體。實際上是三個軟件組件組成了USB HOST解決方案，即USB客戶驅動程序、USB驅動程序和USB主機控制器驅動程序。應用程序的事務處理是由USB客戶驅動程序（設備驅動程序）啟動時，客戶驅動程序把USB設備當作一個可以被訪問的端點集合，它可以被控制并與它的功能單元進行通信。USB系統(tǒng)軟件包括USB驅動程序和USB主控制器驅動程序，USB驅動程序負責配置管理、用戶管理、總線管理和數據傳輸管理；以及數據的位編碼、封包、循環(huán)校驗、發(fā)送、錯誤處理等。

2 、基于ISP1161控制器USB HOST的實現原理

USB控制器大致分為三類：第一類是支持1.0協議的，這類已經很少見了；第二類是支持1.1協議的控制器；第三類是支持2.0協議的控制器。根據不同場合，后兩種應用比較廣泛，2.0接口主要用在計算機上，依靠操作系統(tǒng)實現數據高速傳輸。支持1.1協議的芯片除了用于計算機上，還有少數是為嵌入式系統(tǒng)中實現USB HOST而設計的。如Cypress的SL811、Philips的ISP1160、ISP1161等。

USB主機端的硬件部分是由處理器、USB-HOST控制器和根集線器組成，圖2是由微控制器MSP430F149和USB控制器ISP1161實現USB HOST的電路原理。圖2分為4個部分：微處理器、USB控制器、電源管理模塊和USB接口電路。從概念上還應有一個USB根集線器（USB Hub），實際根集線器被集成在USB HOST控制器中。

ISP1161是Philips設計的USB主機/設備控制器。內部有1個USB主機控制器和1個設備控制器，符合USB2.0協議，支持全速和低速傳輸。主機和設備控制器共享相同的接口總線，帶有2個USB下行端口和1個USB上行端口。圖2中使用接口1作為HOST下行端口。每個下行端口有各自的過流檢測電路，圖2中使用PHP109檢測端口供電電流，

高于500mA將停止對總線供電。

MSP430和ISP1161的數據傳輸可以通過PIO（程控輸入輸出）方式或DMA（直接存儲器訪問）方式進行傳輸，在ISP1161進入工作狀態(tài)前，要進行一系列初始化，包括檢測器、復位控制器、初始化硬件配置、設置中斷、設置Buffer（緩沖區(qū)）大小等。使ISP1161的主機控制器處于工作狀態(tài)，真正用于發(fā)送到總線的數據被放置于ISP1161內部的緩沖區(qū)內。

這時值得一提的是“傳輸描述符”這個概念，它是ISP1161工作的核心概念。在緩沖區(qū)內放置的數據是以傳輸描述符為單位，傳輸描述符作用是描述了本次傳輸需要完成的任務。描述符分為描述符頭和描述符負載數據。描述符頭表征了這個描述符的傳輸類型、封包最大寬度、傳輸速度、傳輸對象、傳輸端點、負載數據的長度等。傳輸描述符的另一個作用體現在傳輸后。每次傳輸執(zhí)行完畢后，傳輸描述符的內容會有相應的改變，體現在傳輸描述符頭中，表征了本次傳輸的結果，包括傳輸了多少字節(jié)，傳輸中發(fā)生了什么錯誤等。

3、 USB主機端對設備的枚舉

從USB設備插入接口開始到客戶驅動程序能夠使用該設備還有一段路徑，這一段就被稱作為設備的識別過程，又成為枚舉過程。枚舉過程是任何USB設備使用前必經的過程。USB主機端需要知道這是一個低速設備還是全速設備，需要知道這個設備具有的能力，以便載入相應的設備驅動程序，下面具體介紹一下實現步驟。

首先，捕捉設備的插入。USB設備是即插即用設備，系統(tǒng)在設備插入的瞬間要捕捉到這一信息，ISP1161是通過內部的Hub完成這一任務的。Hub端口的兩根信號線（D+和D-）的每一根都有一個子15kΩ的下拉電阻，而一個設備在D+（全速設備）或D-（低速設備）上有一個1.5kΩ的上拉電阻。當設備插入到一個端口時，設備的上位電阻信號為高。Hub以此檢測到一個設備已連接上了，并報告給主機控制器，然后，在與處理器的接口上產生中斷。主機知道后，通過讀取Hub相關寄存器來了解諸如設備速度等更多信息。

而后，Hub重新設置該設備。當主機知道有一新設備時，主機給Hub相關寄存器寫命令，讓Hub來重新設置端口。Hub使設備的USB數據線處在重啟狀態(tài)（D+和D-均為邏輯低）至少10ms，當Hub釋放了重啟狀態(tài)，設備就處在默認狀態(tài)了（D+和D-均為邏輯低）至少10ms，當Hub釋放了重啟狀態(tài)，設備就處在默認狀態(tài)了（設備的USB寄存器已經處在它們的默認狀態(tài)）。此時，設備已準備發(fā)通過Endpoint 0的默認流程來響應控制流程。

最后，主機通過控制傳輸通道完成設備的枚舉。主機端先送一個Get_Descriptor（獲取描述符）請求來知道默認流程最大包的大小，主機發(fā)送請求給設備地址0，端點0。然后通過發(fā)送一個Set_Address（設定地址）請求來分配一個單獨的地址給設備。設備讀取這個請求，返回一個確認且保存新的地址。知道設備的能力主機給新地址發(fā)送一個Get_Descriptor請求來讀取這個設備完整的描述符，包括Endpoint 0最大包的大小，設備支持的配置號，以及該設備的其它信息，主機將這些信息用于往后的通信中。而后發(fā)出（Set_configuration）設定配置請求，以該配置號配置設備。設備就完全正確處于可操作狀態(tài)。主機此時就可以加載相應的客戶驅動程序，對設備進行操作了。

4 、數據在存儲設備和主機之間的傳輸

下面將以嵌入式系統(tǒng)讀寫優(yōu)盤為例介紹USB HOST的應用。首先將介紹一下數據在存儲設備和主機之間的傳輸。

除了上面提到的控制（control）傳輸外，還有三種傳輸方式：同步（isochronous）傳輸、中斷（interrupt）傳輸、批量（bulk）傳輸，主機將根據設備的特點決定采用什么傳輸方式。USB存儲設備和USB主機之間的傳輸方式是批量傳輸。為了能夠更詳細的說明問題，先簡要說明一下BULK-ONLY傳輸協議。

USB存儲設備使用的傳輸方式都是批量傳輸方式，一則它不受時間限制；二則能保證數據的完整性。在這種傳輸方式下，有三種類型的數據在USB和設備之間傳送，CBW、CSW和普通數據。圖3描述了主機端數據傳輸的順序，CBW（命令塊封包）是從USB主機發(fā)送到設備的命令，USB主機發(fā)送到設備的命令，USB設備需要將命令從CBW中提取出來，執(zhí)行相應的操作。完成以后，向HOST端發(fā)出回答，即當前命令執(zhí)行狀態(tài)的CSW（命令狀態(tài)封包）。主機根據CSW來決定是否繼續(xù)發(fā)送下一個CBW或是數據。

從圖3中可以看到數據段被一分之二，一個是數據出，這表示主機發(fā)送數據給設備；另一個為數據入，表示主機從設備處得到數據。典型誚就是讀取存儲設備數據和寫入設備數據。下面介紹一下該過程如何在基于ISP1161的嵌入式系統(tǒng)中實現。

主機發(fā)送CBW，這個CBW本身作為傳輸描述符的負載數據傳輸到設備。CBW的封包也包括兩個部分，封包頭和命令塊。封包頭表征了數據傳輸方向傳輸的邏輯單元和命令塊長度；命令塊是真正需要實現的命令。根據設備的不同，命令塊使用的命令簇也不一樣，基本上分為兩類，一類是UFI指令集，另一種采用SCSI指令集。

普通數據階段，數據將占據整個傳輸描述的負載數據長度，需要送出的數據在發(fā)送前要裝入緩沖區(qū)。讀入時，數據在傳輸描述符執(zhí)行完會自動放入負載數據部分。

CSW階段反映該命令的完成情況，包括CSW標志、還需要傳輸的數據長度、正確返回標志等。

5、 單片機對存儲設備的讀寫

對USB存儲設備的讀寫需要對存儲體的格式有一定了解。當前USB存儲體多數為FAT16和FAT32格式，還有極少數的使用FAT12格式。FAT16多見于優(yōu)盤，而FAT32多見于移動硬盤。這里簡價介紹優(yōu)盤普遍采用的一種文件格式：FAT16。對于只有一個分區(qū)FAT16格式的優(yōu)盤，它的結構依次是主引導區(qū)（BOOT SECTOR）、隱藏扇區(qū)、邏輯盤引導區(qū)（BOOT SECTOR）、FAT區(qū)、根目錄區(qū)、數據區(qū)。

主引導區(qū)由MBR（Master Boot Record），DPT（Disk Partition Table）和Boot Record ID三部組成。MBR又稱作主引導記錄區(qū)，存放系統(tǒng)主引導程序；DPT即主分區(qū)表，記錄了磁盤的基本分區(qū)信息；Boot Record ID為引導區(qū)標志。邏輯分區(qū)的Boot SECTOR由已跳轉指令、硬盤分區(qū)類型的文本字符名、分區(qū)參數塊、擴展的分區(qū)參數塊和啟動指令塊組成。FAT（File Allocation Table，文件分配表）、記錄簇的使用情況。根據目錄區(qū)中存放目錄項，每個目錄項為32個字節(jié)，記錄一個文件或目錄的信息（長文件名例外）。數據區(qū)記錄了文件和目錄數據區(qū)，位于目錄項所占的最后一個扇區(qū)之后，最真正存放文件數據或是子目錄的位置。

文件的讀寫實際上是USB BULK-ONLY Protocol（USB批量傳輸協議）和文件系統(tǒng)協議的具體實現，下面以文件系統(tǒng)為FAT16的設備為例，講述如何讀取一個位于根目錄下名為“read.txt”的文件和在該目錄下寫入一個名為“write.txt”的文件。

讀取和寫入數據之前，需要了解的該存儲設備的全部信息。包括扇區(qū)大小，FAT表長度，簇的大小等。該部分信息可以通過讀取主引導區(qū)和邏輯引導區(qū)獲得。

讀取文件的時候，大致按如下順序，讀根目錄→讀FAT1→讀數據區(qū)，具體步驟如下。首先找到文件名所在的位置，根目錄下的文件和目錄均在根目錄區(qū)，每一個目錄或文件項占用32個字節(jié)，每次讀取一個扇區(qū)，比較數據，沒有則繼續(xù)讀下一個扇區(qū)，直到找到該文件。在這32個字節(jié)中，第26～27字節(jié)表征了文件開始簇號，28～31字節(jié)表征了文件大小。根據開始簇號，搜索FAT區(qū)，找到文件簇鏈，依次讀取對應簇，即可完整的得到文件數據。

寫“write.txt”稍有不同，大致可以按這樣的順序號，寫FAT1→寫FAT2→寫根目錄區(qū)→寫數據區(qū)。具體來說，先讀取FAT區(qū)，搜索可用簇，標記為文件開始簇號，繼續(xù)搜索，找到下一可用簇，并在上一可用簇標示（00 00）處寫入該簇號，依次下去，直至寫完簇鏈，并將最后一個簇標志為文件的結束簇。這里需要注意的是：FAT區(qū)有兩份，是同樣的內容，寫完了FAT1，將FAT2相應位置寫入同樣的數據。下一步就是寫文件名，在根目標區(qū)搜索可用的根目錄項，將文件名、時間、起始扇區(qū)、文件大小等寫入該目錄項。這時優(yōu)盤上已經有了一個名為“write.txt”的文件，但是文件的內部還未寫入，下一步根據文件開始簇號，將文件的內容寫入簇鏈中對應的簇。至此，整個文件的寫入就大功告成。

6 、小結

一個USB HOST要完成的功能因為需求不同，所使用的協議也不盡相同，有的采用中斷傳輸，有的采用同步傳輸。USB主機技術在單片機上的應用主要是針對某一種USB設備或幾種設備，因而單片機上可以只固化某幾種協議。該技術的應用可以使得小型儀器上輕松接入USB外設、擴展系統(tǒng)的功能、提高儀器的使用靈活性。USB主機技術在單片機上的應用會有更廣泛更美好的前景。

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