摘要：通過研究和設(shè)計(jì)嵌入式USBçš„host（主機(jÄ«)），闡述了其工作機(jÄ«)制和實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，并給出了在軟硬件平臺(tái)上的具體實(shí)現(xiàn)。首先，在三星的ARM7處理器S3C44B0X上移植了實(shí)時(shí)操作系統(tÇ’ng)（RTOS）——µC/OS-II，然后結(jié)合具體的醫(yÄ«)療設(shè)備的實(shí)際需要，利用SL811HS芯片實(shí)現(xiàn)了USB主機(jÄ«)功能，并在此基礎(chÇ”)上開發(fā)了USB接口的EPSON打印機(jÄ«)、海量存儲(chÇ”)類設(shè)備（U盤，移動(dòng)硬盤）的嵌入式驅(qÅ«)å‹•(dòng)程序。 é—œ(guān)鍵詞：通用串行總線（USB） SL811HS µC/OS-II 海量存儲(chÇ”) 打印語言 1 引 言 通常情況下，打印機(jÄ«)、海量存儲(chÇ”)等設(shè)備是由普通PCæ©Ÿ(jÄ«)來驅(qÅ«)å‹•(dòng)的，由于大量的測(cè)控、醫(yÄ«)療等系統(tÇ’ng)需要存儲(chÇ”)、打印數(shù)æ“š(jù)，因此開發(fā)這類設(shè)備的嵌入式驅(qÅ«)å‹•(dòng)是非常有實(shí)用價(jià)值的。目前，各種嵌入式設(shè)備基本上是通過軟盤存儲(chÇ”)，并口打印的，而它們的存儲(chÇ”)容量、數(shù)æ“š(jù)傳輸速度已大大落后當(dāng)前各類嵌入式系統(tÇ’ng)的需求。因此，開發(fā)基于USB接口的嵌入式海量存儲(chÇ”)設(shè)備和打印機(jÄ«)é©…(qÅ«)å‹•(dòng)已成當(dāng)å‹™(wù)之急。 USB（Universal Serial Bus）是最近幾年逐步在PCé ˜(lǐng)域廣為應(yÄ«ng)用的新型串行接口技術(shù)，它通用性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸方式多樣、成本低、易于擴(kuò)展和使用，這些優(yōu)點(diÇŽn)使它受到許多硬件廠商的青睞，各種類型的USB設(shè)備產(chÇŽn)品大量涌入市場(chÇŽng)。USB通訊必須是主機(jÄ«)和外設(shè)通訊，每次通訊都是由主機(jÄ«)發(fā)起，外設(shè)只是被動(dòng)地執(zhí)行主機(jÄ«)發(fā)過來的命令。而市場(chÇŽng)上所買到和使用的USB 移動(dòng)設(shè)å‚™, 都是USB 的外設(shè)（device） , 如USB 的移動(dòng)硬盤、USB接口的數(shù)碼相機(jÄ«)、打印機(jÄ«)等。這些設(shè)備通常只能通過PC 來進(jìn)行相互的文件和數(shù)æ“š(jù)交換，沒有了PC æ©Ÿ(jÄ«), 這些設(shè)備就無法進(jìn)行數(shù)æ“š(jù)交換。而實(shí)際上并非每個(gè)地方都擁有PCæ©Ÿ(jÄ«)或者適合使用PCæ©Ÿ(jÄ«)，因此業(yè)界和用戶需求USB主機(jÄ«)的嵌入式化。也就是開發(fā)和設(shè)計(jì)嵌入式的USB主機(jÄ«)。 根據(jù)具體醫(yÄ«)療儀器（酶標(biāo)儀）的實(shí)際需要，我們?cè)谌堑腁RM7處理器S3C44B0X上移植了實(shí)時(shí)操作系統(tÇ’ng)（RTOS）——µC/OS-II，并編寫了基于USB主控制器芯片SL811的底層驅(qÅ«)å‹•(dòng)。為了能將酶標(biāo)儀所檢測(cè)的數(shù)æ“š(jù)保存到外設(shè)（如U盤、移動(dòng)硬盤）中，研究了對(duì)應(yÄ«ng)的文件系統(tÇ’ng)å’ŒUFI傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FAT文件系統(tÇ’ng)的海量存儲(chÇ”)設(shè)備的讀寫。同時(shí)，為了打印霉標(biāo)儀的檢測(cè)結(jié)果，研究了EPSON打印機(jÄ«)çš„ESC/P打印語言，實(shí)現(xiàn)了EPSON C63系列、C65系列、ME1打印機(jÄ«)基于USB通訊的嵌入式打印機(jÄ«)é©…(qÅ«)å‹•(dòng)。 2 嵌入式USB主機(jÄ«)的硬件設(shè)計(jì) 酶標(biāo)儀的硬件平臺(tái)核心為三星公司的S3C44B0X（主頻最高可達(dá)66MHz），它集成了ARM7TDMI核，LCD控制器，是一款適用于中端應(yÄ«ng)用的微控制器。系統(tÇ’ng)æ“´(kuò)展包括：存儲(chÇ”)器（8MB SRAM、2MB NOR Flash）、USB主從機(jÄ«)（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(shè)備。提供USB主機(jÄ«)的硬件接口及總線管理的物理機(jÄ«)制。帶有在片的SIEå’ŒUSB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(jÄ«)系統(tÇ’ng)所需要的功能, 即由主機(jÄ«)接口芯片來完成總線底層物理數(shù)æ“š(jù)包的發(fā)送、接收, 并能檢測(cè)總線狀態(tài)， 發(fā)出中斷請(qǐng)求。所以， 選擇SL811HS 作為本系統(tÇ’ng)çš„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)æ“š(jù)和地址的復(fù)用線，并通過A0來區(qÅ«)分，當(dāng)A0為“0”的時(shí)候，D0-D7上傳輸?shù)氖瞧频刂罚环粗?dāng)A0為“1”的時(shí)候，D0-D7作為數(shù)æ“š(jù)線用。 3 嵌入式USB主機(jÄ«)的軟件設(shè)計(jì) 3.1 嵌入式USB主機(jÄ«)的軟件總體框架 系統(tÇ’ng)的軟件平臺(tái)核心為µC/OS-II，它是一個(gè)源碼公開的、占先式多任務(wù)管理的實(shí)時(shí)操作系統(tÇ’ng)å…§(nèi)核，其性能完全可與許多商業(yè)產(chÇŽn)品競(jìng)爭(zhÄ“ng)，已在相當(dāng)多的系統(tÇ’ng)中得到成功應(yÄ«ng)用，是一個(gè)經(jÄ«ng)實(shí)踐證明穩(wÄ›n)定可靠的內(nèi)核，且其核心代碼短小精悍，簡(jiÇŽn)單易學(xué)。 USB主機(jÄ«)為USB系統(tÇ’ng)提供的功能有：（1）檢測(cè)USB 外設(shè)的接入和移出；（2）管理主機(jÄ«)和外設(shè)之間進(jìn)行的USB 標(biāo)準(zhÇ”n)流量控制；（3）枚舉外設(shè)；（4）管理主機(jÄ«)和外設(shè)之間的數(shù)æ“š(jù)流；（5）搜集系統(tÇ’ng)狀態(tài)和性能的統(tÇ’ng)計(jì)信息；（6）主機(jÄ«)與外設(shè)之間的電氣接口，包括供電。 USB協(xié)議規(guÄ«)定了人機(jÄ«)接口設(shè)å‚™HID類、MassStorage 類、音頻類和打印類等一系列的設(shè)備類型, 用于支持不同的設(shè)備。根據(jù)實(shí)際需要，我們開發(fā)了USB接口的海量存儲(chÇ”)類設(shè)備和基于ESC/P打印語言的EPSON打印機(jÄ«)嵌入式驅(qÅ«)å‹•(dòng)程序。具體驅(qÅ«)å‹•(dòng)程序棧如圖2所示。該系統(tÇ’ng)支持熱插拔，可以知道識(shí)別插上是哪種設(shè)備，并調(diào)用對(duì)應(yÄ«ng)çš„é©…(qÅ«)å‹•(dòng)。 3.2 USB Mass Storage 類協(xié)議框架的實(shí)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)æ“š(jù)傳輸?shù)摹SB定義了兩種海量存儲(chÇ”)傳輸協(xié)議，它們分別是Buck-only Transportå’ŒControl/Bulk/Interrupt（CBI）Transport。由于目前市場(chÇŽng)上所出現(xiàn)的海量存儲(chÇ”)設(shè)備基本上都采用前者傳輸協(xié)議，即讀寫數(shù)æ“š(jù)都是通過塊傳輸來實(shí)現(xiàn)通訊。在命令包CBW（Command Block Wrapper）中包含了標(biāo)志信息，數(shù)æ“š(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(dòng)存儲(chÇ”)設(shè)備都采用FAT文件系統(tÇ’ng)來管理文件。整個(gè)文件系統(tÇ’ng)通過Mass Storage çš„UFI 命令與外設(shè)的磁盤建立聯(lián)系。FAT文件系統(tÇ’ng)將海量存儲(chÇ”)設(shè)備上的數(shù)æ“š(jù)大致分成5個(gè)部分：MBR區(qÅ«)（主引導(dÇŽo)區(qÅ«)）、DBR區(qÅ«)（系統(tÇ’ng)引導(dÇŽo)區(qÅ«)）、FAT區(qÅ«)（文件分配表）、FDT區(qÅ«)（文件目錄表）和DATA區(qÅ«)（數(shù)æ“š(jù)區(qÅ«)）。當(dāng)有USB接口的海量存儲(chÇ”)設(shè)備插上后，系統(tÇ’ng)讀取MBR區(qÅ«)å’ŒDBR區(qÅ«)來獲得每扇區(qÅ«)字節(jié)數(shù)，每簇扇區(qÅ«)數(shù)，F(xiàn)AT表個(gè)數(shù)等文件系統(tÇ’ng)基本信息。獲取這些基本信息后從海量存儲(chÇ”)設(shè)備讀取一個(gè)文件的流程如圖3示。因?qÅ«)懳募妥x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(jÄ«)é©…(qÅ«)å‹•(dòng)設(shè)計(jì) EPSON公司的打印機(jÄ«)基本上都是基于ESC/ P打印控制語言的，不同系列的打印機(jÄ«)的控制語言沒有太大的差別。因此，我們開發(fā)çš„é©…(qÅ«)å‹•(dòng)程序具有比較強(qiáng)的通用性，針對(duì)EPSONçš„C63系列打印機(jÄ«)開發(fā)çš„é©…(qÅ«)å‹•(dòng)完全適用C65系列和ME1打印機(jÄ«)。 各種型號(hào)打印機(jÄ«)的編程手冊(cè)可以到EPSON的開發(fā)網(wÇŽng)站上下載。編程手冊(cè)對(duì)各種控制命令作了詳細(xì)介紹，如初始化打印機(jÄ«)（ESC @）、選擇圖形方式（ ESC（C nL nH m ）、設(shè)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(jÄ«)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?dāng)?shù)字、符合的時(shí)候向打印機(jÄ«)發(fā)對(duì)應(yÄ«ng)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(dāng)需要打印表格、圖片和漢字的時(shí)候時(shí)往往會(huì)用到這種方式。在此，列出幾個(gè)é—œ(guān)鍵API函數(shù)并予已說明： print_image_init （ void ）：因?yàn)榇蛴C(jÄ«)初始化后默認(rèn)為打印文本模式，所以要打印光柵圖形必須進(jìn)行相關(guān)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(jÄ«)發(fā)打印圖片命令。其中，第一和第二個(gè)輸入?yún)?shù)是打印圖形的橫縱坐標(biāo)，第三和第四個(gè)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(jÄ«)一次最多可打16行，而EPSON M1一次只能打15行），第五個(gè)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(jÄ«)發(fā)打印的數(shù)æ“š(jù)就可以實(shí)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(jiÇŽn)單，在此就不作說明。 3.4 USB協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 這是整個(gè)USB 體系軟件的根基, 它負(fù)責(zé)主機(jÄ«)和設(shè)備之間數(shù)æ“š(jù)傳輸。其代碼都包含在文件sl811host.c中，可供上層驅(qÅ«)å‹•(dòng)調(diào)用的API函數(shù)主要有： EnumUsbDev（）：該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)枚舉設(shè)備的功能。當(dāng)有USB設(shè)備插上時(shí)，系統(tÇ’ng)通過調(diào)用到該函數(shù)得到設(shè)備的標(biāo)準(zhÇ”n)描述符（接口、配置、端點(diÇŽn)）并識(shí)別是海量存儲(chÇ”)設(shè)備還是打印機(jÄ«)。設(shè)置地址（SetAdress），設(shè)置配置描述符（SetDecriptor），設(shè)置配置值（SetConfiguration），設(shè)置接口（SetInterface）也在該函數(shù)里實(shí)現(xiàn)。 BuckSend（）：該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)主機(jÄ«)上的數(shù)æ“š(jù)通過塊傳輸方式發(fā)送到設(shè)備上； BuckReceive（）：塊傳輸接受函數(shù)ï¼› BuckSend（）和BuckReceive（）兩個(gè)函數(shù)是最調(diào)度最平凡的兩個(gè)函數(shù)，因?yàn)é–·?duì)海量存儲(chÇ”)設(shè)備的讀寫，對(duì)打印機(jÄ«)發(fā)送控制命令、打印數(shù)æ“š(jù)都是通過塊傳輸通訊的，也就是通過調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。 處理器讀寫SL811HS單個(gè)寄存器或數(shù)æ“š(jù)存儲(chÇ”)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(gè)函數(shù)是ARM處理器和SL811芯片進(jìn)行數(shù)æ“š(jù)交互的基石，所有控制寄存器和數(shù)æ“š(jù)存儲(chÇ”)器的讀寫都可以通過以上兩個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要連續(xù)讀寫SL811中的儲(chÇ”)存器時(shí)可以采用以下方式來實(shí)現(xiàn)，可以加快讀寫速度。 void SL811BufWrite（BYTE addr, BYTE ＊s, BYTE c） ï½›SL811H_ADDR = addr; while （c——） SL811H_DATA = ＊s++;｝ 4 結(jié) è«– 在基于實(shí)時(shí)å…§(nèi)æ ¸µC/OS-IIå’Œ32位RISC架構(gòu)ARM7 Core的系統(tÇ’ng)板上，我們實(shí)現(xiàn)了嵌入式USB主機(jÄ«)設(shè)計(jì)和開發(fā)，為酶標(biāo)儀這一特定醫(yÄ«)療設(shè)備提供了讀寫海量存儲(chÇ”)設(shè)備和打印的功能。經(jÄ«ng)測(cè)試，本系統(tÇ’ng)讀海量存儲(chÇ”)設(shè)備數(shù)æ“š(jù)的速度可達(dá)750kB/s，寫數(shù)æ“š(jù)的速度最高可達(dá)450kB/s；打印功能也完全滿足系統(tÇ’ng)要求，性能穩(wÄ›n)定可靠，使用方便，是一種可行、實(shí)用的方案。