sl811hst重要的基于DSP的嵌入式USB主机系统设计

2010年6月

山东科学SHANDONG SCIENCE Vol．23No．3Jun．2010

收稿日期：2010-

04-09基金项目：山东省重大科技专项（2007ZHZX10503）

作者简介：侯冬冬（1977－），男，硕士，助理研究员，主要从事嵌入式系统开发。E-

mail ：houdd2005@yahoo．com．cn 文章编号：1002-4026（2010）03-0071-03基于DSP 的嵌入式USB 主机系统设计

侯冬冬，李明强，于良杰，庄汝科，王知学

（山东省科学院自动化研究所，山东省汽车电子技术重点实验室，山东济南250014）

摘要：提出了一种在无操作系统的小型智能设备中实现USB 主机功能的方法，所设计的嵌入式USB 主机系

统，可以应用在实时数据采集、电话录音、监视录像等大容量数据移动存储的场合。

关键词：USB 主机；DSP ；海量存储

中图分类号：TP334．7文献标识码：B

USB 与其它通信接口比较，最大特点是易于使用，其理论传输速率远高于一般的串行总线接口［1］。从

普通计算机用户、计算机工程师，到硬件芯片生产厂商，都已经完全认可了USB 接口。厂商对于USB 的硬件和软件支持也越来越完善，现在开发一个USB 外设产品，所需要投入的成本和时间大大降低。但是，随着USB 应用领域的逐渐扩大，人们希望USB 能应用在各种非计算机领域中，尤其是在移动通讯、嵌入式系统领域，希望能通过PDA （Personal Digital Assistant ，个人数字助理）等移动设备来直接和USB 外设通信。然而，非PC 领域的应用，正是USB 的一个致命弱点。这是由USB 总线的拓扑结构决定的，见图1。

图1USB 总线的拓扑结构从USB 的拓扑结构可以看出：USB 通信中居于核心地位的是USB Host

（USB 主机），任何一次USB 的数据传输都必须由USB 主机来发起和控制，

所有的USB 外设都只能与USB 主机建立连接，任何两个外设之间或是两

个主机之间是无法直接通信的［2］，而目前大量的扮演USB 主机角色的是计

算机。因此，如何将USB 应用到嵌入式领域、如何实现USB 点对点（Peer to

Peer ）的通讯，开始成为当今研究的热点。

1嵌入式USB 主机系统硬件设计

USB 协议非常复杂，微处理器又是整个系统的核心，执行的功能非常多，而当USB 设备端电源变化时，系统也需要很强的稳定性。因此最好选

一款处理能力相当强的处理器，16位CPU 性能优于8位，而32位的微处理器当然更好，但价格也较昂贵。

因此，我们认为16位的处理器是比较好的选择。我们选用的就是Motorola 公司的16位微处理器DSP56F807（160引脚），它具有60K 的Flash 程序存储空间，这正好符合USB 功能复杂、代码多这一特点，再

就是片内资源丰富（2路SCI 、1路SPI 、8路12位精度的A /D ，32个GPIO 引脚等等），支持在线编程、调试，通

过Motorola 的开发环境和串口可以监测程序运行情况，调试非常方便［3］。

对于USB Host 芯片，可以选择的余地并不多。现在比较常用的只有两种：Cypress 公司SL811HS /SL811HST 和沁恒公司的CH375。在这两者当中，SL811HST 是应用最早最多的。这两种芯片的功能是完全一样的，都实现了USB 主控制器的硬件接口。DSP56F807与SL811HST 芯片的简化接口电路如图2所示。

山东科学2010

年

图2DSP56F807与SL811HST 芯片的简化接口电路

2嵌入式USB 主机系统软件设计

传统意义的USB 开发，仅仅是对其外设的开发，

PC 机的USB 底层驱动程序和USB 主控制器驱动程序都是由Windows 等操作系统提供，

有关这些驱动程序的细节都被集成在Windows 操作系统中。由于Windows 源码不公开，这些细节资料就无从得到。所以，要设计USB 主机，就必须自己设计USB 主机驱动程序

。

图3PC 中USB 主机与设备的结构体系模型2．1

基于PC 的USB 主机系统分析PC 上完整的USB 系统结构如图3所

示。

从图3中可以看出，

USB 系统的软硬件资源可分为3个层次，即功能层、设备层

和接口层。

接口层就是具体的物理层，主要实现

物理信号和数据包的交互，也就是主机端

的USB 主控制器和设备端的USB 总线接

口之间实际数据流的传输。设备层主要提

供USB 基本的协议栈，执行通用的USB 的各种操作和请求命令，从逻辑上讲，就是USB 系统软件与USB 逻辑设备之间的数据交换。最后，功能层提供每个USB 设备所需的特定的功能，主机端的这个功能由用户软件和设备类驱动程序提供，而设备端是由设备的功能单元来实现。

2．2嵌入式USB 主机系统软件设计

嵌入式USB 主机系统软件结构体系如图4所示。从图中可以看出：这里的USB 主控制器就是USB Host 芯片，应用程序是基于微处理器DSP 的。由于在不同的场合，采用的微处理器是不同的。从理论上说，任何一种CPU 都可以成为USB 主机系统的核心。因此，为了使设计出的USB 主机系统具有通用性，整个系统的软件设计就不再依赖于任何操作系统。通过微处理器的中断来调度程序的风格完全可以满足USB 主机系

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第3期侯冬冬，等：基于DSP 的嵌入式USB 主机系统设计图4嵌入式USB 主机系统软件结构

统的要求，且不依赖于任何操作系统，可移植性好。

（1）USB 主机通过简单的数据线上的电平变化来检测USB 设备的接入或移出，

如果是设备接入，则主机给设备供电→主机复位设备→设备通过缺省地址0与主机

通讯→主机给设备分配地址→主机请求设备的一系列功能和设备描述符→主机得到

设备描述符并进行分析→主机根据分析结果对设备进行配置。因此，通过顺序的编

程和中断的调度，利用汇编和C 语言完全可以实现主机系统标准的USB 活动。这是

USB 主机软件的第一部分，主要实现读取USB 设备的信息，并对USB 设备进行配置，

从而判断是哪一类USB 设备，并确定下一步应加载哪一类设备类程序。

（2）实现设备类的协议软件。USB 协议规定了人机接口设备类（HID ）、大容量存

储设备类（Mass Storage ）和音频类等一系列的设备类型，

用于支持不同类型的USB 设备。由于PC 拥有足够的RAM 和大容量的磁盘存储空间，因此，可以支持几乎所有的USB 设备类，而我们设计的USB 主机系统是基于微处理器的，限于系统的性能、要求及成本，只需要支持一种或很少的几种设备类就可以了。USB 的每种设备类都有其专门的协议，在此就不一一介绍。

（3）用户软件。我们应该根据用户不同的需求编制不同的数据处理软件。如果USB 主机系统需要支持USB 移动存储设备，也就是USB Mass Storage 设备类，由于这个设备类要求支持FAT 文件系统，要以文件的形式管理和存储数据。因此，作为用户，除了要设计自己的数据处理程序以外，还要建立一个完整的文件系统。3应用前景

根据以上方法所设计的嵌入式USB 主机系统，完全可以实现数码相机与USB 接口的打印机直接连接，也可以应用在实时数据采集、电话录音、监视录像等大容量数据移动存储的场合。另外，软件经过很少的修

改就可应用到ucos-II 、eCos 等嵌入式系统平台中，实现USB 主机和设备的通信。因此，基于DSP 的嵌入式

USB 主机系统有着很好的市场前景。

参考文献：

［1］韩喜春．计算机总线技术应用实例［

M ］．北京：化学工业出版社，2010．［2］胡晓军．USB 接口开发技术［

M ］．西安：西安电子科技大学工业出版社，2005．［3］邵贝贝．Motorola DSP 型16位单片机原理与实践［M ］．北京：航天航空大学工业出版社，2003．37