1.2 USB Host模塊硬件連接
　　USB Host 功能模塊硬件連接如圖2所示。CPU選用與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容的Dalla 8公司的80C320 單片機(jī)，而且運(yùn)行速度在同樣晶振頻率下比80C32平均高2.5倍，最高工作頻率可達(dá)33MHz。USB主機(jī)接口芯片選用SL811HS。

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1.3 SL811HS
　　SL811HS^[3]是Cypress公司推出的遵從USB1.1協(xié)議的專(zhuān)用于嵌入式系統(tǒng)USB主控制器（Host /Slave）芯片，由主／從控制器模塊、RAM緩存及控制寄存器模塊、串行接口引擎SIE等模塊組成。其中，SIE模塊負(fù)責(zé)完成USB總線與主機(jī)之間數(shù)據(jù)的串、并轉(zhuǎn)換等功能；RAM緩存用于數(shù)據(jù)緩存，它和控制寄存器(占前16B)的空間為00H～FFH，共256B。SL811HS的功能框如圖3所示。

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　　該芯片既能與USB低速設(shè)備進(jìn)行通信，也能與USB高速設(shè)備進(jìn)行通信^[4]。由于提供了8bit 寬數(shù)據(jù)總線及中斷支持，使得該芯片能方便地與一般的單片機(jī)、DSP等控制器進(jìn)行通信，并受到CPU的控制。其特點(diǎn)主要有：能通過(guò)硬件設(shè)置或軟件設(shè)置的方法使該芯片工作在Host或Slave模式；自動(dòng)探測(cè)所連接的設(shè)備是低速設(shè)備還是高速設(shè)備；8bit雙向數(shù)據(jù)總線；片上SIE、USB收發(fā)器；自動(dòng)產(chǎn)生SOF令牌包，以及自動(dòng)生成令牌包、數(shù)據(jù)包中所需要的CRC5/CRC16數(shù)據(jù)；內(nèi)部256B RAM，支持乒乓操作；支持SUSPEND/RESUME、WAKE UP、LOW-POWER模式。
2 USB接口軟件設(shè)計(jì)
2.1 接口固件設(shè)計(jì)
　　USB Host模塊設(shè)計(jì)中最困難的就是固件(Firmware)設(shè)計(jì)，固件編程要遵循復(fù)雜的USB規(guī)范，所以比硬件設(shè)計(jì)工作量大得多。該模塊固件程序主要由如下部分組成：對(duì)SL811HS進(jìn)行設(shè)置的初始化程序，這部分程序在系統(tǒng)復(fù)位后就立刻執(zhí)行；發(fā)現(xiàn)USB設(shè)備接入的子程序，并判斷該設(shè)備是高速還是低速設(shè)備；對(duì)該USB設(shè)備進(jìn)行Enumerate，即枚舉，并指定其USB地址的子程序；其他數(shù)據(jù)通信子程序利用該部分程序完成指定的應(yīng)用要求^[5]。USB傳輸函數(shù)usbXfer程序流程如圖4所示。

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　　以包為基礎(chǔ)，USB定義的4種數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型所能達(dá)到的傳輸速度、占用USB總線的帶寬、傳輸數(shù)據(jù)的總量和應(yīng)用場(chǎng)合等都是不同的。每種傳輸方式都由很多個(gè)事務(wù)來(lái)完成。USB事務(wù)處理一般由三個(gè)階段組成：令牌階段、數(shù)據(jù)階段和握手階段。令牌階段定義了事務(wù)處理的類(lèi)型，包括SETUP、IN 和OUT；數(shù)據(jù)階段負(fù)責(zé)運(yùn)送和傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)，Data0 和Data1兩種數(shù)據(jù)包交替使用，以支持雙方的傳輸同步；握手階段由接收方向發(fā)送方提供反饋，告知數(shù)據(jù)是否正確接收。
　　在USB Host 模塊中，固件的核心部分是USB傳輸函數(shù)usbXfer。usbXfer管理著USB的事務(wù)處理，其入口參數(shù)有：設(shè)備地址UsbAddr 、端點(diǎn)地址Endpoint、令牌包類(lèi)型PID、端點(diǎn)最大負(fù)荷Payload、傳輸數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度Length 、數(shù)據(jù)緩存區(qū)指針Buffer。
　　USB主機(jī)檢測(cè)到設(shè)備連接好后要對(duì)其進(jìn)行配置，稱(chēng)為設(shè)備的枚舉，該部分固件的核心是設(shè)備請(qǐng)求函數(shù)VendorCmd。VendorCmd構(gòu)建在usbXfer函數(shù)之上，通過(guò)調(diào)用usbXfer進(jìn)行若干次的控制傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂苽鬏?shù)膶?shí)現(xiàn)是固件程序中一個(gè)比較復(fù)雜的部分?？刂苽鬏斢扇齻€(gè)階段組成：建立階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段。建立階段，主機(jī)進(jìn)行SETUP事務(wù)處理，向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求；數(shù)據(jù)階段，由若干個(gè)IN事務(wù)處理或OUT事務(wù)處理組成；狀態(tài)階段，主機(jī)則完成與數(shù)據(jù)階段相反的事務(wù)處理，結(jié)束本次控制傳輸。
　　設(shè)備的枚舉過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：(1)主機(jī)請(qǐng)求設(shè)備控制端點(diǎn)0，以確定缺省管道支持的最大數(shù)據(jù)量;(2)主機(jī)給USB設(shè)備分配1個(gè)唯一的地址;(3)主機(jī)從描述符中讀取配置信息并加以執(zhí)行;(4)主機(jī)驗(yàn)證設(shè)備所需要的資源是否可以獲得;(5)主機(jī)USB設(shè)備發(fā)送1個(gè)配置值，指出如何使用該設(shè)備。枚舉成功后，主機(jī)和設(shè)備就可根據(jù)設(shè)備接口類(lèi)型，采用相應(yīng)的接口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)控制和傳輸。USB設(shè)備類(lèi)型主要?jiǎng)澐譃椋阂纛l設(shè)備、顯示設(shè)備、人機(jī)接口、海量存儲(chǔ)器等。特定的設(shè)備類(lèi)型又劃分為若干個(gè)子類(lèi)，它們又有可能采用不同的接口協(xié)議傳輸指令和數(shù)據(jù)。以U盤(pán)為例，類(lèi)代碼08h（海量存儲(chǔ)器類(lèi)），子類(lèi)代碼06h（SCSI指令集子類(lèi)），傳輸協(xié)議50h(Bulk—Only傳輸協(xié)議)。按照這些標(biāo)準(zhǔn)，U盤(pán)的操作過(guò)程可分為：指令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)三個(gè)階段，也就是主機(jī)首先向設(shè)備Bulk—Out端點(diǎn)寫(xiě)包含SCSI的指令塊（CBW）；然后從Bulk—In讀數(shù)據(jù)或向Bulk—Out端點(diǎn)寫(xiě)數(shù)據(jù)；最后從Bulk—In端點(diǎn)讀取傳輸狀態(tài)（CSW）。通過(guò)Mass Storage類(lèi)的子類(lèi)命令的實(shí)現(xiàn)，在建立了FAT文件系統(tǒng)后，該文件系統(tǒng)就可以直接調(diào)用子類(lèi)命令對(duì)U盤(pán)進(jìn)行各種操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的管理。
2.2? 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
　　主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分：主機(jī)控制器的初始化和管理、傳輸執(zhí)行和資源的調(diào)配、中斷處理以及根集線器操作和控制。主機(jī)控制器為USB總線驅(qū)動(dòng)屏蔽了硬件操作,完成USB底層數(shù)據(jù)傳輸,它為上層驅(qū)動(dòng)提供了簡(jiǎn)單的軟件接口,定義了usb_ operation函數(shù)結(jié)構(gòu)體供USB總線調(diào)度調(diào)用。
　　Struct usb_ operations {
　　int ( * allocate) (struct usb_device * )；? ?
????　??????????????? // 分配USB設(shè)備資源
　　int ( * deallocae) (struct usb_device * )；
??????　????????????? // 收回USB設(shè)備資源
　　int ( * get_frame_number)(struct usb_device * usb_dev)；?
????????????????????? // 獲得當(dāng)前幀號(hào)
　　int ( * submit_urb) (struct urb * purb)；
????????????????????? // 提交URB請(qǐng)求塊
　　int ( * unlink_urb) (struct urb * purb)；
????????????????????? // 撤銷(xiāo)URB請(qǐng)求塊
?　 }；
　　函數(shù)調(diào)用涉及兩個(gè)不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變量，其中，usb_device包含了對(duì)設(shè)備地址、描述表、配置、端點(diǎn)等基本設(shè)備信息;urb說(shuō)明了USB總線請(qǐng)求的基本信息，包括USB通道信息、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、帶寬和完成處理函數(shù)等。USB總線上所有的交易都是由函數(shù)submit_urb( )發(fā)起的。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序基本流程如圖5所示。

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　　由于USB總線的通用操作如USB設(shè)備枚舉、具體數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫呀?jīng)由主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序完成了，所以主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序這部分的驅(qū)動(dòng)程序只需要完成與具體設(shè)備相關(guān)的操作即可。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序首先要做的是向Linux內(nèi)核注冊(cè)它自己，并告訴系統(tǒng)它所支持的設(shè)備類(lèi)型以及它所支持的操作。這些信息通過(guò)usb_driver結(jié)構(gòu)來(lái)傳遞。
　　struct usb_driver usb_storage_driver = {
　　name:? “usb-storage”,?? ?????? ? // 驅(qū)動(dòng)程序的名字
　　probe: storage_probe,?? ???　　　　// 函數(shù)指針
　　disconnect:? storage_disconnect,?? // 函數(shù)指針
　　id_table:? storage_usb_ids,???? ?? // 保存設(shè)備廠商ID和產(chǎn)品ID
　　}；
　　usb_device是程序中一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)程序在設(shè)備探測(cè)階段可通過(guò)它獲得設(shè)備的相關(guān)配置信息。當(dāng)一個(gè)設(shè)備插入U(xiǎn)SB總線時(shí)，主機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行總線枚舉，完成對(duì)設(shè)備的配置并讀入設(shè)備屬性。相關(guān)屬性如設(shè)備描述符、配置描述符等信息被主機(jī)控制器保存在usb_device結(jié)構(gòu)中。然后，內(nèi)核根據(jù)設(shè)備標(biāo)志找到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用該驅(qū)動(dòng)程序的storage_probe( )函數(shù)。usb_device結(jié)構(gòu)被作為參數(shù)傳入該函數(shù)。驅(qū)動(dòng)函數(shù)的注冊(cè)和注銷(xiāo)都比較簡(jiǎn)單，注冊(cè)時(shí)只需要將usb_storage_driver結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞給usb_register( )函數(shù)即可，usb_register(&usb_storage_driver)注銷(xiāo)類(lèi)usb_deregister(&usb_storage_driver)、Storage_disconnect( )在設(shè)備被卸載時(shí)被調(diào)用。
2.3 用戶程序設(shè)計(jì)
　　用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，通過(guò)通用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成對(duì)外設(shè)的控制和通信。在編寫(xiě)用戶程序時(shí)，首先建立與外設(shè)的連接，然后再實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。本設(shè)計(jì)使用VisualC++6.0編譯環(huán)境,將API函數(shù)包裝成一個(gè)USB.DLL連接庫(kù)程序文件，其編程方法與串口編程類(lèi)似：首先查找設(shè)備，打開(kāi)設(shè)備的句柄，然后進(jìn)行讀寫(xiě)和控制操作，最后關(guān)閉設(shè)備句柄。在VC動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中需將以下函數(shù)進(jìn)行封裝：
　　__declspec（dllexport）int__stdcall? EzBulk_ DataOut(uns?I gned? char*DataOut,int? DataOutLen);
　　__declspec（dllexport）int__stdcall? EzBulk_DataIn(unsig　ned? char*DataIn,int *lpDataInLen);
　　__declspec（dllexport）int__stdcall? EzOpenDevice();
　　__declspec（dllexport）int__stdcall? EzClose Device();
　　然后在VB中調(diào)用此USB.DLL做以下聲明。這樣就可以直接在VB中調(diào)用這些函數(shù)作相應(yīng)的開(kāi)發(fā)了。
　　Private Declare Function EzInit Lib “USB.DLL” (ByVal PipeIn As Byte, ByVal PipeOut As Byte, ByRef lpVoid As Any)As Long
　　Private Declare Function EzBulk_ DataOut Lib “USB.DLL”(ByRef DataOut As Byte, ByVal DataOutLen As Long)As Long
　　Private Declare Function EzBulk_ DataIn Lib “USB.DLL” (ByRef DataIn As Byte, ByRef DataInLen As Long)As Long
　　有了嵌入式主機(jī)后，脫離PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸不再是夢(mèng)想了。在MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)里嵌入U(xiǎn)SB主機(jī)模塊，使其由傳統(tǒng)的USB外設(shè)成為USB主機(jī)。這樣，這些嵌入式的主機(jī)就可以直接與移動(dòng)硬盤(pán)、打印機(jī)等USB設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)特定的功能。例如：江蘇某企業(yè)生產(chǎn)的提花毛皮機(jī)控制系統(tǒng)中就實(shí)現(xiàn)了USB Host模塊功能，用戶系統(tǒng)可以直接讀寫(xiě)作為Slave的U盤(pán)，將花型準(zhǔn)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)的花型以文件的方式存儲(chǔ)到U盤(pán)中，在用戶需要時(shí)，可讀取U盤(pán)中的花型文件進(jìn)行分析、處理，效果良好。
　　目前USB主機(jī)的研究與應(yīng)用已得到國(guó)內(nèi)外的廣泛重視和迅速發(fā)展，正在推廣使用的USB3.0標(biāo)準(zhǔn)能提供4.8Gb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸性能(USB1.1和USB2.0分別是12Mb/s和480Mb/s)，甚至支持光纖連接。這樣其峰值速度就可達(dá)到20Gb/s，如此就可實(shí)現(xiàn)USB高速組網(wǎng)或廣播電視節(jié)目信號(hào)在USB設(shè)備上的傳輸。USB3.0標(biāo)準(zhǔn)還可解決因USB2.0供電不足而無(wú)法支持大功耗USB移動(dòng)設(shè)備的問(wèn)題。隨著移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，提出了USB2.0協(xié)議的補(bǔ)充協(xié)議USB OTG和無(wú)線USB傳輸規(guī)范，同時(shí)具備主從機(jī)功能的高速USB OTG設(shè)備和無(wú)線USB的應(yīng)用將是未來(lái)開(kāi)發(fā)者們研究的方向。充分利用USB簡(jiǎn)便的特性以及高速數(shù)據(jù)傳輸性能，擴(kuò)大其支持設(shè)備的種類(lèi)，這將給USB的應(yīng)用帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)，也將給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大的便利。