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系列單片機完全兼容的Dalla 8公司的80C320 單片機，而且運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33MHz。USB主機接口芯片選用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模塊負責(zé)完成USB總線與主機之間數(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)備進行通信，也能與USB高速設(shè)備進行通信^[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、DSP等控制器進行通信，并受到CPU的控制。其特點主要有：能通過硬件設(shè)置或軟件設(shè)置的方法使該芯片工作在Host或Slave模式；自動探測所連接的設(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；自動產(chǎn)生SOF令牌包，以及自動生成令牌包、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
2.1 接口固件設(shè)計
　　USB Host模塊設(shè)計中最困難的就是固件(Firmware)設(shè)計，固件編程要遵循復(fù)雜的USB規(guī)范，所以比硬件設(shè)計工作量大得多。該模塊固件程序主要由如下部分組成：對SL811HS進行設(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；對該USB設(shè)備進行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)傳輸類型所能達到的傳輸速度、占用USB總線的帶寬、傳輸數(shù)據(jù)的總量和應(yīng)用場合等都是不同的。每種傳輸方式都由很多個事務(wù)來完成。USB事務(wù)處理一般由三個階段組成：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)處理的類型，包括SETUP、IN 和OUT；數(shù)據(jù)階段負責(zé)運送和傳輸相關(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 、端點地址Endpoint、令牌包類型PID、端點最大負荷Payload、傳輸數(shù)據(jù)總長度Length 、數(shù)據(jù)緩存區(qū)指針Buffer。
　　USB主機檢測到設(shè)備連接好后要對其進行配置，稱為設(shè)備的枚舉，該部分固件的核心是設(shè)備請求函數(shù)VendorCmd。VendorCmd構(gòu)建在usbXfer函數(shù)之上，通過調(diào)用usbXfer進行若干次的控制傳輸來實現(xiàn)。控制傳輸?shù)膶崿F(xiàn)是固件程序中一個比較復(fù)雜的部分。控制傳輸由三個階段組成：建立階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段。建立階段，主機進行SETUP事務(wù)處理，向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求；數(shù)據(jù)階段，由若干個IN事務(wù)處理或OUT事務(wù)處理組成；狀態(tài)階段，主機則完成與數(shù)據(jù)階段相反的事務(wù)處理，結(jié)束本次控制傳輸。
　　設(shè)備的枚舉過程主要包括以下幾個步驟：(1)主機請求設(shè)備控制端點0，以確定缺省管道支持的最大數(shù)據(jù)量;(2)主機給USB設(shè)備分配1個唯一的地址;(3)主機從描述符中讀取配置信息并加以執(zhí)行;(4)主機驗證設(shè)備所需要的資源是否可以獲得;(5)主機USB設(shè)備發(fā)送1個配置值，指出如何使用該設(shè)備。枚舉成功后，主機和設(shè)備就可根據(jù)設(shè)備接口類型，采用相應(yīng)的接口協(xié)議進行數(shù)據(jù)控制和傳輸。USB設(shè)備類型主要劃分為：音頻設(shè)備、顯示設(shè)備、人機接口、海量存儲器等。特定的設(shè)備類型又劃分為若干個子類，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盤為例，類代碼08h（海量存儲器類），子類代碼06h（SCSI指令集子類），傳輸協(xié)議50h(Bulk—Only傳輸協(xié)議)。按照這些標(biāo)準(zhǔn)，U盤的操作過程可分為：指令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)三個階段，也就是主機首先向設(shè)備Bulk—Out端點寫包含SCSI的指令塊（CBW）；然后從Bulk—In讀數(shù)據(jù)或向Bulk—Out端點寫數(shù)據(jù)；最后從Bulk—In端點讀取傳輸狀態(tài)（CSW）。通過Mass Storage類的子類命令的實現(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)用子類命令對U盤進行各種操作，以實現(xiàn)對文件的管理。
2.2? 驅(qū)動程序設(shè)計
　　主機控制器驅(qū)動程序設(shè)計主要包括四個部分：主機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。主機控制器為USB總線驅(qū)動屏蔽了硬件操作,完成USB底層數(shù)據(jù)傳輸,它為上層驅(qū)動提供了簡單的軟件接口,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
　　int ( * submit_urb) (struct urb * purb)；
????????????????????? // 提交URB請求塊
　　int ( * unlink_urb) (struct urb * purb)；
????????????????????? // 撤銷URB請求塊
?　 }；
　　函數(shù)調(diào)用涉及兩個不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變量，其中，usb_device包含了對設(shè)備地址、描述表、配置、端點等基本設(shè)備信息;urb說明了USB總線請求的基本信息，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。主機控制器驅(qū)動程序基本流程如圖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)由主機控制器驅(qū)動程序完成了，所以主機端設(shè)備驅(qū)動程序這部分的驅(qū)動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)動程序首先要做的是向Linux內(nèi)核注冊它自己，并告訴系統(tǒng)它所支持的設(shè)備類型以及它所支持的操作。這些信息通過usb_driver結(jié)構(gòu)來傳遞。
　　struct usb_driver usb_storage_driver = {
　　name:? “usb-storage”,?? ?????? ? // 驅(qū)動程序的名字
　　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是程序中一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動程序在設(shè)備探測階段可通過它獲得設(shè)備的相關(guān)配置信息。當(dāng)一個設(shè)備插入USB總線時，主機對設(shè)備進行總線枚舉，完成對設(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)志找到對應(yīng)的驅(qū)動程序，并調(diào)用該驅(qū)動程序的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)動函數(shù)的注冊和注銷都比較簡單，注冊時只需要將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)注銷類usb_deregister(&usb_storage_driver)、Storage_disconnect( )在設(shè)備被卸載時被調(diào)用。
2.3 用戶程序設(shè)計
　　用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，通過通用驅(qū)動程序來完成對外設(shè)的控制和通信。在編寫用戶程序時，首先建立與外設(shè)的連接，然后再實施數(shù)據(jù)的傳輸。本設(shè)計使用VisualC++6.0編譯環(huán)境,將API函數(shù)包裝成一個USB.DLL連接庫程序文件，其編程方法與串口編程類似：首先查找設(shè)備，打開設(shè)備的句柄，然后進行讀寫和控制操作，最后關(guān)閉設(shè)備句柄。在VC動態(tài)鏈接庫中需將以下函數(shù)進行封裝：
　　__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
　　有了嵌入式主機后，脫離PC機的數(shù)據(jù)傳輸不再是夢想了。在MP3播放器、數(shù)碼相機里嵌入USB主機模塊，使其由傳統(tǒng)的USB外設(shè)成為USB主機。這樣，這些嵌入式的主機就可以直接與移動硬盤、打印機等USB設(shè)備相連接，實現(xiàn)特定的功能。例如：江蘇某企業(yè)生產(chǎn)的提花毛皮機控制系統(tǒng)中就實現(xiàn)了USB Host模塊功能，用戶系統(tǒng)可以直接讀寫作為Slave的U盤，將花型準(zhǔn)備系統(tǒng)設(shè)計的花型以文件的方式存儲到U盤中，在用戶需要時，可讀取U盤中的花型文件進行分析、處理，效果良好。
　　目前USB主機的研究與應(yīng)用已得到國內(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到20Gb/s，如此就可實現(xiàn)USB高速組網(wǎng)或廣播電視節(jié)目信號在USB設(shè)備上的傳輸。USB3.0標(biāo)準(zhǔn)還可解決因USB2.0供電不足而無法支持大功耗USB移動設(shè)備的問題。隨著移動數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，提出了USB2.0協(xié)議的補充協(xié)議USB OTG和無線USB傳輸規(guī)范，同時具備主從機功能的高速USB OTG設(shè)備和無線USB的應(yīng)用將是未來開發(fā)者們研究的方向。充分利用USB簡便的特性以及高速數(shù)據(jù)傳輸性能，擴大其支持設(shè)備的種類，這將給USB的應(yīng)用帶來廣闊的市場，也將給人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的便利。