基于DSP56f803和UHC124芯片实现嵌入式USB主机的应用方案
1 引言
随着移动存储业的发展及数码产品的普及，数据采集系统、工控行业和嵌入式用户对移动存储的需求越来越大，也对数据移动存储盘提出了更高的应用要求，包括到地矿数据采集行业用户、水文系统数据采集行业用户、仪器仪表制造行业用户、铁路、长途汽运等交通系统数据采集用户、油田数据采集系统用户、单板系统的软件升级用户、纺织系统数据采集用户、银行等。但由于之前多数数据采集设备、工控机及嵌入式系统不具备usb数据输入输出标准接口，所以在usb数据存储方面一直得不到很好的普及。业界和用户的需求使得嵌入式ｕｓｂ主机的研究成为ｕｓｂ研究领域的一个新的方向。
本文介绍了一种基于ttl串口的usb主机系统，通过ttl串口（或并口）转接出usb接口，系统原理图如图1所示。嵌入式设备需要通过ttl串口，按照ｕｓｂ主机系统的串口通信协议与ｕｓｂ主机系统进行数据传输和通信，主机系统负责优盘的检测和数据的存储。本文详细介绍了该系统的设计思路，并给出了硬件设计和usb 主机的底层驱动软件的设计方法。
2 usb主机工作原理
对于我们设计嵌入式usb主机，可以参照pc上的usb主机。对于pc上的usb主机，其硬件方面由一个usb主机接口芯片控制，这个接口芯片在通过pci总线与pc机通讯，其余还有电源管理部分；软件方面主要有三部分：usb接口驱动程序，负责cpu与usb主机接口芯片的通讯，负责底层usb包的接收和发送；usb协议栈驱动程序，负责解析设备驱动程序对usb的各种操作命令，并在解码后发给底层驱动程序；设备驱动程序，也就是上层的应用程序，包括操作系统提供给用户的api，以及用户自定义的对usb设备的操作，比如发送设备特有的usb命令请求。pc上的usb主机端软件结构图如图2所示。
3 系统结构
整个系统的核心芯片选用motorola公司的dsp56f803和tdi公司的usb host控制器uhc124。整个系统由dsp56f803模块、uhc124模块、uart串口模块。
3．1 dsp56f803模块
系统的核心控制器，包括基本硬件和编写的固件。实现的功能包括：实现与uhc124的物理连接和通讯，并且配置uhc124的控制寄存器；配置usb外设，实现usb通信，实现usb host要求的各项配置和数据传输的要求，接受usb host的命令来管理usb外设；实现fat16文件系统。
3．2 uhc124模块
usb host控制器的硬件部分。实现usb host的接口，配置下行usb设备，管理usb总线电源。实现的功能包括：实现各种usb host动作，协调内容各项功能，与外围主控制器通讯；存放传输的usb数据，设置usb传输特性；与作为主控制器的dsp56f803接口连接；管理usb电源，连接下行usb设备，总共带有4个下行usb设备端口。
3．3 uart串口模块
与用户通过串口进行协议通讯的固件部分。实现自定义的串口通讯协议，即根据自定义的串口通讯协议，解析串口通讯数据包，调用相应的文件操作接口函数，实现客户的文件操作命令。
4 硬件设计
4．1 硬件架构
硬件主要模块包括usb host、主控芯片、外部sram、译码指示和电源部分。主控芯片和usb host芯片连接，控制usb host芯片与移动存储盘通讯。考虑到需要给用户预留数据buffer，所以外扩sram。因为芯片工作电源不同，所以要提供两组直流电源，译码指示电路采用3个led指示灯，一个电源指示，一个指示移动存储盘的接入，另一个指示了工控机与移动存储盘通讯工作中。
4．2 usb主控芯片的选型
对于主控芯片的选型应该会有多种选择，只要带有uart接口，程序存储空间足够，程序的执行效率可以满足系统的功能需求即可。对于usb主控芯片，目前市面上出现的主要有3种：sypress公司的sl811、philips公司的isp1161和tdi公司的uhc124。其中，sl811较为常见，笔者也曾用过此芯片进行过第一代产品的开发，综合各方面的选型因素考虑，第二代产品选用了uhc124。
uhc124与其他两款芯片的主优势在于：支持包传送，最多可一次性传送16个usb 协议交互数据，而不会向cpu产生中断，而sl811是每次都会产生中断，大大占用了cpu的资源；支持所有的usb传输类型，包括控制传输、榇？洹⒅卸洗？浜屯？酱？洌？沂？莅？畲罂纱锏？023字节；具有2k的数据存储区。
4．3 主控芯片与usb host相连的接口电路
uhc124支持两种存储器访问模式，取决于mode引脚的电平高低。如果主控芯片没有外部总线，需采用模式0；如果主控芯片有独立或复用的数据地址总线，采用模式1。本方案所选的主控芯片dsp56f803具有独立的地址数据总线，因此采用uhc124的工作模式1。接口电路如下图4所示：
5． 软件设计
usb 主机软件的设计我们可以参照pc的usb 主机来设计。本方案的简要软件流程图如图5所示。
5．1 usb接口驱动程序
主要实现主控芯片dsp56f803与usb主机接口芯片uhc124的通讯，以及底层usb包的接收和发送，是实现整个usb体系的基础。包括如下几个函数：
void readlengthfromhost（uchar ucaddr，uchar uclength，uchar *pucdata）;
void writelengthtohost（uchar *pucdata，uchar uclength，uchar ucaddr）;
uchar outbulkdata（ulong ullength，uchar *pucptr）;
uchar inbulkdata（ulong ullength，uchar *pucptr）;
5．2 usb协议栈驱动程序
主要实现usb协议定义的标准命令请求，主要包括：
clearfeature（），getconfiguration（），getdescriptor（），getinmterface（），getstatus
（），setaddress（），setconfiguration（），setdescriptor（），setfeature（），setinterface（）。
具体的标准设备请求的含义请参考usb 标准协议。usb 主机要在检测到有usb设备插入时，完成对usb设备的枚举，之后usb主机和usb设备才可以进入正常的数据包通讯状态。
5．3 usb设备类驱动程序
移动存储盘属于usb协议所定义的设备类中的mass storage类，usb 组织定义了海量存储设备类（mass storage class）的规范，这个类规范包括四个独立的子类规范，即：
1. usb mass storage class control/bulk/interrupt （cbi） transport
2. usbmass storage class bulk-only transport
3. usb massstorage class ata command block
4.usb mass storage class ufi command specification。
前两个子规范定义了数据/命令/状态在usb 上的传输方法。bulk- only 传输规范仅仅使用bulk 端点传送数据/命令/状态，cbi 传输规范则使用control/bulk/interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态传送。后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。ata 命令规范用于硬盘，ufi 命令规范是针对usb 移动存储。因此usb主机需要遵循mass storage 协议来组织数据和发送命令，即可实现与移动存储盘交换数据。
6 结束语
嵌入式usb主机的开发，目前在国外也处于刚刚起步的阶段，可以提供的usb host接口芯片的并不多。作为usb总线研究的另一热点，嵌入式usb host的研究具有一定的先进性和前瞻性。以嵌入式usb主机为核心的数据采集系统，可以在工业和民用两个领域得到广泛的应用，可以带来可观的经济效益和市场前景。
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2 usb主机工作原理
对于我们设计嵌入式usb主机，可以参照pc上的usb主机。对于pc上的usb主机，其硬件方面由一个usb主机接口芯片控制，这个接口芯片在通过pci总线与pc机通讯，其余还有电源管理部分；软件方面主要有三部分：usb接口驱动程序，负责cpu与usb主机接口芯片的通讯，负责底层usb包的接收和发送；usb协议栈驱动程序，负责解析设备驱动程序对usb的各种操作命令，并在解码后发给底层驱动程序；设备驱动程序，也就是上层的应用程序，包括操作系统提供给用户的api，以及用户自定义的对usb设备的操作，比如发送设备特有的usb命令请求。pc上的usb主机端软件结构图如图2所示。
3 系统结构
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3．3 uart串口模块
与用户通过串口进行协议通讯的固件部分。实现自定义的串口通讯协议，即根据自定义的串口通讯协议，解析串口通讯数据包，调用相应的文件操作接口函数，实现客户的文件操作命令。
4 硬件设计
4．1 硬件架构
硬件主要模块包括usb host、主控芯片、外部sram、译码指示和电源部分。主控芯片和usb host芯片连接，控制usb host芯片与移动存储盘通讯。考虑到需要给用户预留数据buffer，所以外扩sram。因为芯片工作电源不同，所以要提供两组直流电源，译码指示电路采用3个led指示灯，一个电源指示，一个指示移动存储盘的接入，另一个指示了工控机与移动存储盘通讯工作中。
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