摘要：通過研究和設計嵌入式USB的host（主機），闡述了其工作機制和實現(xiàn)架構，并給出了在軟硬件平臺上的具體實現(xiàn)。首先，在三星的ARM7處理器S3C44B0X上移植了實時操作系統(tǒng)（RTOS）——µC/OS-II，然后結合具體的醫(yī)療設備的實際需要，利用SL811HS芯片實現(xiàn)了USB主機功能，并在此基礎上開發(fā)了USB接口的EPSON打印機、海量存儲類設備（U盤，移動硬盤）的嵌入式驅動程序。 關鍵詞：通用串行總線（USB） SL811HS µC/OS-II 海量存儲 打印語言 1 引 言 通常情況下，打印機、海量存儲等設備是由普通PC機來驅動的，由于大量的測控、醫(yī)療等系統(tǒng)需要存儲、打印數(shù)據(jù)，因此開發(fā)這類設備的嵌入式驅動是非常有實用價值的。目前，各種嵌入式設備基本上是通過軟盤存儲，并口打印的，而它們的存儲容量、數(shù)據(jù)傳輸速度已大大落后當前各類嵌入式系統(tǒng)的需求。因此，開發(fā)基于USB接口的嵌入式海量存儲設備和打印機驅動已成當務之急。 USB（Universal Serial Bus）是最近幾年逐步在PC領域廣為應用的新型串行接口技術，它通用性好、實時性強、傳輸方式多樣、成本低、易于擴展和使用，這些優(yōu)點使它受到許多硬件廠商的青睞，各種類型的USB設備產(chǎn)品大量涌入市場。USB通訊必須是主機和外設通訊，每次通訊都是由主機發(fā)起，外設只是被動地執(zhí)行主機發(fā)過來的命令。而市場上所買到和使用的USB 移動設備, 都是USB 的外設（device） , 如USB 的移動硬盤、USB接口的數(shù)碼相機、打印機等。這些設備通常只能通過PC 來進行相互的文件和數(shù)據(jù)交換，沒有了PC 機, 這些設備就無法進行數(shù)據(jù)交換。而實際上并非每個地方都擁有PC機或者適合使用PC機，因此業(yè)界和用戶需求USB主機的嵌入式化。也就是開發(fā)和設計嵌入式的USB主機。 根據(jù)具體醫(yī)療儀器（酶標儀）的實際需要，我們在三星的ARM7處理器S3C44B0X上移植了實時操作系統(tǒng)（RTOS）——µC/OS-II，并編寫了基于USB主控制器芯片SL811的底層驅動。為了能將酶標儀所檢測的數(shù)據(jù)保存到外設（如U盤、移動硬盤）中，研究了對應的文件系統(tǒng)和UFI傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了對FAT文件系統(tǒng)的海量存儲設備的讀寫。同時，為了打印霉標儀的檢測結果，研究了EPSON打印機的ESC/P打印語言，實現(xiàn)了EPSON C63系列、C65系列、ME1打印機基于USB通訊的嵌入式打印機驅動。 2 嵌入式USB主機的硬件設計 酶標儀的硬件平臺核心為三星公司的S3C44B0X（主頻最高可達66MHz），它集成了ARM7TDMI核，LCD控制器，是一款適用于中端應用的微控制器。系統(tǒng)擴展包括：存儲器（8MB SRAM、2MB NOR Flash）、USB主從機（SL811HS）和按鍵等硬件資源。其中USB部分硬件連接如圖1所示。 SL811HS是Cypress公司推出的一款嵌入式USB Host／S1ave芯片。支持USB1.1的全速和低速設備。提供USB主機的硬件接口及總線管理的物理機制。帶有在片的SIE和USB發(fā)送器以及在片的根集線器Hub。因此, 滿足了嵌入式USB 主機系統(tǒng)所需要的功能, 即由主機接口芯片來完成總線底層物理數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收, 并能檢測總線狀態(tài)， 發(fā)出中斷請求。所以， 選擇SL811HS 作為本系統(tǒng)的USB接口芯片是合適的。 如圖2所示，ARM通過Cs3片選SL811HS來確定SL811HS的基地址。D0-D7為數(shù)據(jù)和地址的復用線，并通過A0來區(qū)分，當A0為“0”的時候，D0-D7上傳輸?shù)氖瞧频刂?；反之，當A0為“1”的時候，D0-D7作為數(shù)據(jù)線用。 3 嵌入式USB主機的軟件設計 3.1 嵌入式USB主機的軟件總體框架 系統(tǒng)的軟件平臺核心為µC/OS-II，它是一個源碼公開的、占先式多任務管理的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，其性能完全可與許多商業(yè)產(chǎn)品競爭，已在相當多的系統(tǒng)中得到成功應用，是一個經(jīng)實踐證明穩(wěn)定可靠的內(nèi)核，且其核心代碼短小精悍，簡單易學。 USB主機為USB系統(tǒng)提供的功能有：（1）檢測USB 外設的接入和移出；（2）管理主機和外設之間進行的USB 標準流量控制；（3）枚舉外設；（4）管理主機和外設之間的數(shù)據(jù)流；（5）搜集系統(tǒng)狀態(tài)和性能的統(tǒng)計信息；（6）主機與外設之間的電氣接口，包括供電。 USB協(xié)議規(guī)定了人機接口設備HID類、MassStorage 類、音頻類和打印類等一系列的設備類型, 用于支持不同的設備。根據(jù)實際需要，我們開發(fā)了USB接口的海量存儲類設備和基于ESC/P打印語言的EPSON打印機嵌入式驅動程序。具體驅動程序棧如圖2所示。該系統(tǒng)支持熱插拔，可以知道識別插上是哪種設備，并調(diào)用對應的驅動。 3.2 USB Mass Storage 類協(xié)議框架的實現(xiàn) USB Mass Storage 類是USB 協(xié)議所定義的用來磁盤管理及大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹SB定義了兩種海量存儲傳輸協(xié)議，它們分別是Buck-only Transport和Control/Bulk/Interrupt（CBI）Transport。由于目前市場上所出現(xiàn)的海量存儲設備基本上都采用前者傳輸協(xié)議，即讀寫數(shù)據(jù)都是通過塊傳輸來實現(xiàn)通訊。在命令包CBW（Command Block Wrapper）中包含了標志信息，數(shù)據(jù)長度以及UFI命令等信息。其中UFI命令含有格式化磁盤、讀磁盤、寫磁盤和讀磁盤容量等一系列磁盤管理命令。 大部分移動存儲設備都采用FAT文件系統(tǒng)來管理文件。整個文件系統(tǒng)通過Mass Storage 的UFI 命令與外設的磁盤建立聯(lián)系。FAT文件系統(tǒng)將海量存儲設備上的數(shù)據(jù)大致分成5個部分：MBR區(qū)（主引導區(qū)）、DBR區(qū)（系統(tǒng)引導區(qū)）、FAT區(qū)（文件分配表）、FDT區(qū)（文件目錄表）和DATA區(qū)（數(shù)據(jù)區(qū)）。當有USB接口的海量存儲設備插上后，系統(tǒng)讀取MBR區(qū)和DBR區(qū)來獲得每扇區(qū)字節(jié)數(shù)，每簇扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT表個數(shù)等文件系統(tǒng)基本信息。獲取這些基本信息后從海量存儲設備讀取一個文件的流程如圖3示。因寫文件和讀文件的流程沒有很大的差別，在此就不累述了。 3.3 基于ESC/ P打印控制語言的打印機驅動設計 EPSON公司的打印機基本上都是基于ESC/ P打印控制語言的，不同系列的打印機的控制語言沒有太大的差別。因此，我們開發(fā)的驅動程序具有比較強的通用性，針對EPSON的C63系列打印機開發(fā)的驅動完全適用C65系列和ME1打印機。 各種型號打印機的編程手冊可以到EPSON的開發(fā)網(wǎng)站上下載。編程手冊對各種控制命令作了詳細介紹，如初始化打印機（ESC @）、選擇圖形方式（ ESC（C nL nH m ）、設置單元大小（ESC （U nL nH m）、打印光柵圖像命令（ESC . c v h m N1 Nh d1 ⋯dk）等。 EPSON打印機提供兩種打印方式，一種是用來打印文本文件，用該方式打印英文字母、阿拉伯數(shù)字、符合的時候向打印機發(fā)對應的控制命令后，只要直接發(fā)打印內(nèi)容的ASCII碼即可。另一種方式是用來打印光柵圖形，當需要打印表格、圖片和漢字的時候時往往會用到這種方式。在此，列出幾個關鍵API函數(shù)并予已說明： print_image_init （ void ）：因為打印機初始化后默認為打印文本模式，所以要打印光柵圖形必須進行相關的初始化。 print_image_command（unsigned int horiz_position,unsigned int verti_position, unsigned char rows, unsigned int columns, char color）：調(diào)用該函數(shù)之前必須事先至少調(diào)用過一次print_image_init（），它的功能是向打印機發(fā)打印圖片命令。其中，第一和第二個輸入?yún)?shù)是打印圖形的橫縱坐標，第三和第四個輸入?yún)?shù)分別是打印圖形的行數(shù)和列數(shù)（特別值得注意的是，C63系列和C65系列打印機一次最多可打16行，而EPSON M1一次只能打15行），第五個輸入?yún)?shù)color是選擇打印顏色。在調(diào)用該函數(shù)后，直接向打印機發(fā)打印的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)打印圖片功能了。 由于打印文本模式和打印圖形的操作基本相同，而且更簡單，在此就不作說明。 3.4 USB協(xié)議的實現(xiàn) 這是整個USB 體系軟件的根基, 它負責主機和設備之間數(shù)據(jù)傳輸。其代碼都包含在文件sl811host.c中，可供上層驅動調(diào)用的API函數(shù)主要有： EnumUsbDev（）：該函數(shù)主要實現(xiàn)枚舉設備的功能。當有USB設備插上時，系統(tǒng)通過調(diào)用到該函數(shù)得到設備的標準描述符（接口、配置、端點）并識別是海量存儲設備還是打印機。設置地址（SetAdress），設置配置描述符（SetDecriptor），設置配置值（SetConfiguration），設置接口（SetInterface）也在該函數(shù)里實現(xiàn)。 BuckSend（）：該函數(shù)主要實現(xiàn)主機上的數(shù)據(jù)通過塊傳輸方式發(fā)送到設備上； BuckReceive（）：塊傳輸接受函數(shù)； BuckSend（）和BuckReceive（）兩個函數(shù)是最調(diào)度最平凡的兩個函數(shù)，因為對海量存儲設備的讀寫，對打印機發(fā)送控制命令、打印數(shù)據(jù)都是通過塊傳輸通訊的，也就是通過調(diào)用這兩個函數(shù)來實現(xiàn)的。 處理器讀寫SL811HS單個寄存器或數(shù)據(jù)存儲器的函數(shù)如下： void SL811Write（char a, char d）｛SL811_ADDR = a; SL811_DATA = d;｝ char SL811Read（char a）｛SL811_ADDR = a; return （SL811_DATA）; ｝ 這兩個函數(shù)是ARM處理器和SL811芯片進行數(shù)據(jù)交互的基石，所有控制寄存器和數(shù)據(jù)存儲器的讀寫都可以通過以上兩個函數(shù)來實現(xiàn)。當需要連續(xù)讀寫SL811中的儲存器時可以采用以下方式來實現(xiàn)，可以加快讀寫速度。 void SL811BufWrite（BYTE addr, BYTE ＊s, BYTE c） ｛SL811H_ADDR = addr; while （c——） SL811H_DATA = ＊s++;｝ 4 結 論 在基于實時內(nèi)核µC/OS-II和32位RISC架構ARM7 Core的系統(tǒng)板上，我們實現(xiàn)了嵌入式USB主機設計和開發(fā)，為酶標儀這一特定醫(yī)療設備提供了讀寫海量存儲設備和打印的功能。經(jīng)測試，本系統(tǒng)讀海量存儲設備數(shù)據(jù)的速度可達750kB/s，寫數(shù)據(jù)的速度最高可達450kB/s；打印功能也完全滿足系統(tǒng)要求，性能穩(wěn)定可靠，使用方便，是一種可行、實用的方案。