基于ISP1161的USB HOST技術(shù)應用
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摘要：主要介紹如何利用芯片ISP1161在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USB HOST功能；基于批量傳輸協(xié)議，講述如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)在USB存儲設(shè)備上的存儲和讀寫。
關(guān)鍵詞：USB主機 ISP1161 傳輸協(xié)議 批量傳輸 設(shè)備枚舉 FAT16
本文以USB HOST技術(shù)為核心，介紹USB HOST技術(shù)在單片機上的實現(xiàn)。，重點介紹USB HOST技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)讀寫優(yōu)盤上的應用。
1 USB HOST技術(shù)簡介
USB的通信可以用圖1表示。圖1中，左半部分為USB主機端，可以看出，USB主機端由兩部分構(gòu)成，即軟件體和硬件體。實際上是三個軟件組件組成了USB HOST解決方案，即USB客戶驅(qū)動程序、USB驅(qū)動程序和USB主機控制器驅(qū)動程序。應用程序的事務(wù)處理是由USB客戶驅(qū)動程序（設(shè)備驅(qū)動程序）啟動時，客戶驅(qū)動程序把USB設(shè)備當作一個可以被訪問的端點集合，它可以被控制并與它的功能單元進行通信。USB系統(tǒng)軟件包括USB驅(qū)動程序和USB主控制器驅(qū)動程序，USB驅(qū)動程序負責配置管理、用戶管理、總線管理和數(shù)據(jù)傳輸管理；以及數(shù)據(jù)的位編碼、封包、循環(huán)校驗、發(fā)送、錯誤處理等。
2 基于ISP1161控制器USB HOST的實現(xiàn)原理
USB控制器大致分為三類：第一類是支持1.0協(xié)議的，這類已經(jīng)很少見了；第二類是支持1.1協(xié)議的控制器；第三類是支持2.0協(xié)議的控制器。根據(jù)不同場合，后兩種應用比較廣泛,2.0接口主要用在計算機上，依靠操作系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。支持1.1協(xié)議的芯片除了用于計算機上，還有少數(shù)是為嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USB HOST而設(shè)計的。如Cypress的SL811、Philips的ISP1160、ISP1161等。
USB主機端的硬件部分是由處理器、USB-HOST控制器和根集線器組成，圖2是由微控制器MSP430F149和USB控制器ISP1161實現(xiàn)USB HOST的電路原理。圖2分為4個部分：微處理器、USB控制器、電源管理模塊和USB接口電路。從概念上還應有一個USB根集線器（USB Hub），實際根集線器被集成在USB HOST控制器中。
ISP1161是Philips設(shè)計的USB主機/設(shè)備控制器。內(nèi)部有1個USB主機控制器和1個設(shè)備控制器，符合USB2.0協(xié)議，支持全速和低速傳輸。主機和設(shè)備控制器共享相同的接口總線，帶有2個USB下行端口和1個USB上行端口。圖2中使用接口1作為HOST下行端口。每個下行端口有各自的過流檢測電路，圖2中使用PHP109檢測端口供電電流，
高于500mA將停止對總線供電。
MSP430和ISP1161的數(shù)據(jù)傳輸可以通過PIO（程控輸入輸出）方式或DMA（直接存儲器訪問）方式進行傳輸，在ISP1161進入工作狀態(tài)前，要進行一系列初始化，包括檢測器、復位控制器、初始化硬件配置、設(shè)置中斷、設(shè)置Buffer(緩沖區(qū))大小等。使ISP1161的主機控制器處于工作狀態(tài)，真正用于發(fā)送到總線的數(shù)據(jù)被放置于ISP1161內(nèi)部的緩沖區(qū)內(nèi)。
這時值得一提的是“傳輸描述符”這個概念，它是ISP1161工作的核心概念。在緩沖區(qū)內(nèi)放置的數(shù)據(jù)是以傳輸描述符為單位，傳輸描述符作用是描述了本次傳輸需要完成的任務(wù)。描述符分為描述符頭和描述符負載數(shù)據(jù)。描述符頭表征了這個描述符的傳輸類型、封包最大寬度、傳輸速度、傳輸對象、傳輸端點、負載數(shù)據(jù)的長度等。傳輸描述符的另一個作用體現(xiàn)在傳輸后。每次傳輸執(zhí)行完畢后，傳輸描述符的內(nèi)容會有相應的改變，體現(xiàn)在傳輸描述符頭中，表征了本次傳輸?shù)慕Y(jié)果，包括傳輸了多少字節(jié)，傳輸中發(fā)生了什么錯誤等。
3 USB主機端對設(shè)備的枚舉
從USB設(shè)備插入接口開始到客戶驅(qū)動程序能夠使用該設(shè)備還有一段路徑，這一段就被稱作為設(shè)備的識別過程，又成為枚舉過程。枚舉過程是任何USB設(shè)備使用前必經(jīng)的過程。USB主機端需要知道這是一個低速設(shè)備還是全速設(shè)備，需要知道這個設(shè)備具有的能力，以便載入相應的設(shè)備驅(qū)動程序，下面具體介紹一下實現(xiàn)步驟。
首先，捕捉設(shè)備的插入。USB設(shè)備是即插即用設(shè)備，系統(tǒng)在設(shè)備插入的瞬間要捕捉到這一信息，ISP1161是通過內(nèi)部的Hub完成這一任務(wù)的。Hub端口的兩根信號線（D+和D-）的每一根都有一個子15kΩ的下拉電阻，而一個設(shè)備在D+（全速設(shè)備）或D-（低速設(shè)備）上有一個1.5kΩ的上拉電阻。當設(shè)備插入到一個端口時，設(shè)備的上位電阻信號為高。Hub以此檢測到一個設(shè)備已連接上了，并報告給主機控制器，然后，在與處理器的接口上產(chǎn)生中斷。主機知道后，通過讀取Hub相關(guān)寄存器來了解諸如設(shè)備速度等更多信息。
而后，Hub重新設(shè)置該設(shè)備。當主機知道有一新設(shè)備時，主機給Hub相關(guān)寄存器寫命令，讓Hub來重新設(shè)置端口。Hub使設(shè)備的USB數(shù)據(jù)線處在重啟狀態(tài)（D+和D-均為邏輯低）至少10ms，當Hub釋放了重啟狀態(tài)，設(shè)備就處在默認狀態(tài)了（D+和D-均為邏輯低）至少10ms，當Hub釋放了重啟狀態(tài)，設(shè)備就處在默認狀態(tài)了（設(shè)備的USB寄存器已經(jīng)處在它們的默認狀態(tài)）。此時，設(shè)備已準備發(fā)通過Endpoint 0的默認流程來響應控制流程。
圖2
4 數(shù)據(jù)在存儲設(shè)備和主機之間的傳輸
下面將以嵌入式系統(tǒng)讀寫優(yōu)盤為例介紹USB HOST的應用。首先將介紹一下數(shù)據(jù)在存儲設(shè)備和主機之間的傳輸。
除了上面提到的控制（control）傳輸外，還有三種傳輸方式：同步（isochronous）傳輸、中斷（interrupt）傳輸、批量（bulk）傳輸，主機將根據(jù)設(shè)備的特點決定采用什么傳輸方式。USB存儲設(shè)備和USB主機之間的傳輸方式是批量傳輸。為了能夠更詳細的說明問題，先簡要說明一下BULK-ONLY傳輸協(xié)議。
USB存儲設(shè)備使用的傳輸方式都是批量傳輸方式，一則它不受時間限制；二則能保證數(shù)據(jù)的完整性。在這種傳輸方式下，有三種類型的數(shù)據(jù)在USB和設(shè)備之間傳送，CBW、CSW和普通數(shù)據(jù)。圖3描述了主機端數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞颍珻BW（命令塊封包）是從USB主機發(fā)送到設(shè)備的命令，USB主機發(fā)送到設(shè)備的命令，USB設(shè)備需要將命令從CBW中提取出來，執(zhí)行相應的操作。完成以后，向HOST端發(fā)出回答，即當前命令執(zhí)行狀態(tài)的CSW（命令狀態(tài)封包）。主機根據(jù)CSW來決定是否繼續(xù)發(fā)送下一個CBW或是數(shù)據(jù)。
從圖3中可以看到數(shù)據(jù)段被一分之二，一個是數(shù)據(jù)出，這表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備；另一個為數(shù)據(jù)入，表示主機從設(shè)備處得到數(shù)據(jù)。典型誚就是讀取存儲設(shè)備數(shù)據(jù)和寫入設(shè)備數(shù)據(jù)。下面介紹一下該過程如何在基于ISP1161的嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)。
主機發(fā)送CBW，這個CBW本身作為傳輸描述符的負載數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備。CBW的封包也包括兩個部分，封包頭和命令塊。封包頭表征了數(shù)據(jù)傳輸方向傳輸?shù)倪壿媶卧兔顗K長度；命令塊是真正需要實現(xiàn)的命令。根據(jù)設(shè)備的不同，命令塊使用的命令簇也不一樣，基本上分為兩類，一類是UFI指令集，另一種采用SCSI指令集。
普通數(shù)據(jù)階段，數(shù)據(jù)將占據(jù)整個傳輸描述的負載數(shù)據(jù)長度，需要送出的數(shù)據(jù)在發(fā)送前要裝入緩沖區(qū)。讀入時，數(shù)據(jù)在傳輸描述符執(zhí)行完會自動放入負載數(shù)據(jù)部分。
CSW階段反映該命令的完成情況，包括CSW標志、還需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度、正確返回標志等。
5 單片機對存儲設(shè)備的讀寫
對USB存儲設(shè)備的讀寫需要對存儲體的格式有一定了解。當前USB存儲體多數(shù)為FAT16和FAT32格式，還有極少數(shù)的使用FAT12格式。FAT16多見于優(yōu)盤，而FAT32多見于移動硬盤。這里簡價介紹優(yōu)盤普遍采用的一種文件格式：FAT16。對于只有一個分區(qū)FAT16格式的優(yōu)盤，它的結(jié)構(gòu)依次是主引導區(qū)（BOOT SECTOR）、隱藏扇區(qū)、邏輯盤引導區(qū)（BOOT SECTOR）、FAT區(qū)、根目錄區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)。
主引導區(qū)由MBR（Master Boot Record）,DPT(Disk Partition Table)和Boot Record ID三部組成。MBR又稱作主引導記錄區(qū)，存放系統(tǒng)主引導程序；DPT即主分區(qū)表，記錄了磁盤的基本分區(qū)信息；Boot Record ID為引導區(qū)標志。邏輯分區(qū)的Boot SECTOR由已跳轉(zhuǎn)指令、硬盤分區(qū)類型的文本字符名、分區(qū)參數(shù)塊、擴展的分區(qū)參數(shù)塊和啟動指令塊組成。FAT（File Allocation Table,文件分配表）、記錄簇的使用情況。根據(jù)目錄區(qū)中存放目錄項，每個目錄項為32個字節(jié)，記錄一個文件或目錄的信息（長文件名例外）。數(shù)據(jù)區(qū)記錄了文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)，位于目錄項所占的最后一個扇區(qū)之后，最真正存放文件數(shù)據(jù)或是子目錄的位置。
文件的讀寫實際上是USB BULK-ONLY Protocol(USB批量傳輸協(xié)議)和文件系統(tǒng)協(xié)議的具體實現(xiàn)，下面以文件系統(tǒng)為FAT16的設(shè)備為例，講述如何讀取一個位于根目錄下名為“read.txt”的文件和在該目錄下寫入一個名為“write.txt”的文件。
讀取和寫入數(shù)據(jù)之前，需要了解的該存儲設(shè)備的全部信息。包括扇區(qū)大小，F(xiàn)AT表長度，簇的大小等。該部分信息可以通過讀取主引導區(qū)和邏輯引導區(qū)獲得。
讀取文件的時候，大致按如下順序，讀根目錄→讀FAT1→讀數(shù)據(jù)區(qū)，具體步驟如下。首先找到文件名所在的位置，根目錄下的文件和目錄均在根目錄區(qū)，每一個目錄或文件項占用32個字節(jié)，每次讀取一個扇區(qū)，比較數(shù)據(jù)，沒有則繼續(xù)讀下一個扇區(qū)，直到找到該文件。在這32個字節(jié)中，第26～27字節(jié)表征了文件開始簇號，28～31字節(jié)表征了文件大小。根據(jù)開始簇號，搜索FAT區(qū)，找到文件簇鏈，依次讀取對應簇，即可完整的得到文件數(shù)據(jù)。
寫“write.txt”稍有不同，大致可以按這樣的順序號，寫FAT1→寫FAT2→寫根目錄區(qū)→寫數(shù)據(jù)區(qū)。具體來說，先讀取FAT區(qū)，搜索可用簇，標記為文件開始簇號，繼續(xù)搜索，找到下一可用簇，并在上一可用簇標示（00 00）處寫入該簇號，依次下去，直至寫完簇鏈，并將最后一個簇標志為文件的結(jié)束簇。這里需要注意的是：FAT區(qū)有兩份，是同樣的內(nèi)容，寫完了FAT1，將FAT2相應位置寫入同樣的數(shù)據(jù)。下一步就是寫文件名，在根目標區(qū)搜索可用的根目錄項，將文件名、時間、起始扇區(qū)、文件大小等寫入該目錄項。這時優(yōu)盤上已經(jīng)有了一個名為“write.txt”的文件，但是文件的內(nèi)部還未寫入，下一步根據(jù)文件開始簇號，將文件的內(nèi)容寫入簇鏈中對應的簇。至此，整個文件的寫入就大功告成。
6 小結(jié)
一個USB HOST要完成的功能因為需求不同，所使用的協(xié)議也不盡相同，有的采用中斷傳輸，有的采用同步傳輸。USB主機技術(shù)在單片機上的應用主要是針對某一種USB設(shè)備或幾種設(shè)備，因而單片機上可以只固化某幾種協(xié)議。該技術(shù)的應用可以使得小型儀器上輕松接入USB外設(shè)、擴展系統(tǒng)的功能、提高儀器的使用靈活性。USB主機技術(shù)在單片機上的應用會有更廣泛更美好的前景。
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