基于单片机的嵌入式USB主机系统的实现

ByGrith4

摘要:在无操作系统的单片机系统中实现USB主机系统功能,对U盘进行文件的读写,并在U盘上实现FAT格式文件系
5 Q, {' X* U/ o3 ^& R4 F统,使U盘成为单片机应用系统的存储设备,这极大的方便了单片机在数据采集,存储以及传输方面的应用。最后,实现了
# s" u# }! O, g" m9 m: t- s$ O/ f脱离PC机的对U盘操作的功能,数据能够脱离PC机在U盘之间方便简洁的交换。
4 H5 o3 Z/ x1 M/ A4 w关键字: USB主机系统;U盘;FAT文件系统;人机接口.
/ i$ k6 x5 y1 b- g* s7 ~5 {8 H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.
- H5 e1 T6 K4 M  ^; b" R& ^- W5 V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.
( L$ {8 P: w% k' m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
9 F. P" i4 `& f1 L- c1 x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，
7 u/ s6 q1 _' K9 V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.
) U2 Z) f2 }1 T! |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人式USB主机系.
9 Z' @- D5 d! z" i# K9 z% I: y9 p4 G统的设计，并完成Mass Storage类协议设备驱动嵌人式程序及
  M0 t) Y4 y( \) @) Q( f* Q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
嵌人式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，嵌人式主机系统的核心就由主
' d* s2 A. B" w1 mCPU和主机控制器芯片构成。组成系统的首要任务就是选择合
# c3 D( t( g  Q7 w/ K适的主CPU以及USB主机控制器芯片。另外,为了直观地显示
( B  M$ k9 p- b* m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
/ A, B! K; {! M9 }0 `' D. _. @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
* Q; `. d' U) S( K嵌人式USB主机系统的核心包括中央处理器和USB主机

# m/ V# K/ {7 j+ Q7 v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
3 f6 r! `. X9 l& B& t扩充RAM。图1是系统的总体设计框图。
& V2 H' P4 O4 H+ t2 l  P, A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
7 t) z0 p+ o9 w% D# Y! b2 g( RUSB主控制器的状态，当USB设备插人主机系统上之后,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
% ^/ x1 m1 N* N$ W0 p  b% p6 Y时间,大小等),或者使用通配符对Flash 闪盘中文件或文件夹
6 {6 o% V0 P5 b3 u6 Z. G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。
7 V# Y  E* K% F+ Y6 D2 I9 q) W1.2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
/ C* g/ V4 f7 a" f3 E1 o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
% L$ x. q& Z0 t处理器,处理速度快,外围集成单元齐全,价格适中,更被广泛



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嵌人式主机系统的核心就由主CPU和主机控制器芯片构成