基于单片机的嵌入式USB主机系统的实现

ByGrith4

4 p3 f- _! n  j: R* v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
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
; ?2 H# ?- n. X+ t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。
关键字: USB主机系统;U盘;FAT文件系统;人机接口.
; R, y2 n( ~+ B% H) ~4 d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
1 p9 v) O( H4 p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
1 W7 C1 h- k9 K, l. I# F, U' a; m" l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.
8 g! Y2 E1 \3 E# n: l* b- C统的设计，并完成Mass Storage类协议设备驱动嵌人式程序及
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
* N' {# G: ^* W8 b% n8 |  D嵌人式USB主机系统从硬件上区分主要包括USB主机控
$ T' e' D4 e; E( \  K7 {制器和系统主处理器，因此，嵌人式主机系统的核心就由主
% T2 h, H2 F5 B) a3 y+ L9 {  _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
+ J  W  ~, j5 O: ^适的主CPU以及USB主机控制器芯片。另外,为了直观地显示
/ t- T) q+ e, w- }: d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
# I. ~5 U& p+ g+ {. l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。
  f2 K1 N; A1 Z5 ]7 H3 y1.1系统硬件总体框图
: @5 T/ f! r4 [# V嵌人式USB主机系统的核心包括中央处理器和USB主机
* {6 F- u8 _, O, U8 o
/ k' O+ c: E0 W' i/ M. Q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。
. v1 Z: G# ?6 T/ f7 R& E% v5 g4 J系统的大致工作流程是(视具体设计而定):单片机系统在
  r1 r8 t  m- m6 P& y1 B  B完成系统初始化之后，等待USB主控制器的外部中断或查询
- g' V$ w+ T, g5 bUSB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
/ P4 L( A) r5 T& o时间,大小等),或者使用通配符对Flash 闪盘中文件或文件夹
0 a5 E# w6 {5 r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
) v& o7 y/ [' J! G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
3 a7 _% n2 |" F: W- l* i, U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
& w* f1 T- O# F& g& n# f# h' v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
. D) a8 q9 f, Y8 Q4 a7 X7 M$ }% p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