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1 綜述 移動(dòng)數(shù)據(jù)交換和存儲(chǔ)，是近年來(lái)IT行業(yè)的熱點(diǎn)。如今，各式各樣的移動(dòng)存儲(chǔ)有如雨后春筍般出現(xiàn)。從最早的存儲(chǔ)量為幾K、能存儲(chǔ)用戶個(gè)人信息的USB小鑰匙，到容量可與PC硬盤(pán)媲美的USB活動(dòng)硬盤(pán)，再到以Flash作為存儲(chǔ)介質(zhì)的真正能夠“移動(dòng)”起來(lái)的USB閃盤(pán)和優(yōu)盤(pán)，直到今天大量的PC外設(shè)和多媒體家電中大量使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器……可見(jiàn)，數(shù)據(jù)交換的可移動(dòng)性和便捷性是整個(gè)數(shù)字化時(shí)代大廈的根基。移動(dòng)數(shù)據(jù)交換刺激了IT業(yè)的發(fā)展，便利了人們的生活。 與此同時(shí)，我們還應(yīng)注意到這樣一個(gè)問(wèn)題：移動(dòng)數(shù)據(jù)交換業(yè)，是伴隨著通用串行總線（Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱(chēng)為USB）的成熟而興起的。USB既是數(shù)據(jù)交換的媒介，又是其核心。可以這樣說(shuō)，沒(méi)有USB，就不會(huì)有移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如此迅猛地發(fā)展。 2 為什么要開(kāi)發(fā)嵌入式的USB主機(jī)？ 從USB問(wèn)世，到協(xié)議規(guī)范2.0版本，USB在不斷自我完善，并走向成熟。從普通計(jì)算機(jī)用戶，計(jì)算機(jī)工程師，到硬件芯片生產(chǎn)廠商，都已經(jīng)完全認(rèn)可了USB。廠商對(duì)于USB的硬件和軟件支持的也越來(lái)越完備，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)一 個(gè)USB外設(shè)產(chǎn)品，所需要投入的成本和時(shí)間大大降低了，幾年前是沒(méi)有辦法做到這一點(diǎn)的。但是，隨著USB應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸擴(kuò)大，人們對(duì)于USB的期望也越來(lái)越高，希望USB能應(yīng)用在各種計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，尤其是在移動(dòng)數(shù)據(jù)領(lǐng)域中，希望能通過(guò)PDA等移動(dòng)設(shè)備直接和USB外設(shè)通信，使得USB能應(yīng)用在沒(méi)有PC的領(lǐng)域中。 非PC應(yīng)用領(lǐng)域？ 這正是USB一個(gè)致命的弱點(diǎn)。USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中居于核心地位的是Host（也稱(chēng)為主機(jī)），任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機(jī)來(lái)發(fā)起和控制，所有的USB外設(shè)都只能和主機(jī)建立連接，任何兩個(gè)外設(shè)之間或是兩個(gè)主機(jī)之間無(wú)法直接通信。而目前，大量的扮演主機(jī)角色的是個(gè)人電腦PC。因此，我們目前所買(mǎi)到和使用的USB移動(dòng)設(shè)備，都是USB的外設(shè)（device），比如USB的移動(dòng)硬盤(pán)、比如USB接口的數(shù)碼相機(jī)等等。所有這些設(shè)備都只能在PC上使用，只能通過(guò)PC來(lái)進(jìn)行相互的文件和數(shù)據(jù)交換。沒(méi)有了PC，這些設(shè)備就“失靈”了（指數(shù)據(jù)交換的功能）。 因此，“如何將USB應(yīng)用到嵌入式領(lǐng)域？如何實(shí)現(xiàn)USB點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信？”等問(wèn)題，開(kāi)始進(jìn)入了USB開(kāi)發(fā)者的討論議程。正是在這種新的需求之下，USB 主機(jī)的嵌入式應(yīng)用成了USB領(lǐng)域新的興奮點(diǎn)。 正是在這種背景下，業(yè)界和用戶的需求呼喚USB主機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式化，也就是開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)嵌入式的USB主機(jī)。 3 嵌入式USB主機(jī)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換中的應(yīng)用 我們來(lái)看一幅圖，如圖1所示，這里有3個(gè)我們?nèi)粘Ｉ钪锌赡芘龅降膱?chǎng)景： ● 朋友的移動(dòng)硬盤(pán)上有一些好聽(tīng)得MP3歌曲，我想直接通過(guò)我的MP3播放器拷貝過(guò)來(lái)； ● 想換掉手機(jī)，買(mǎi)個(gè)PDA，手機(jī)里的電話本想直接復(fù)制到PDA中； ● 出門(mén)在外，用數(shù)碼相機(jī)照了很多漂亮的風(fēng)景，想在身邊的打印機(jī)上直接打印出來(lái)； …… 這樣的場(chǎng)景我們可能早已夢(mèng)想著能夠?qū)崿F(xiàn)。圖中的每一個(gè)設(shè)備都是一個(gè)USB的外設(shè)，現(xiàn)在的技術(shù)條件下，我們只能通過(guò)PC作為數(shù)碼文件的“交換器”。比如第3中場(chǎng)景，我們首先是把數(shù)碼相機(jī)連接到PC上，并且安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和用戶界面，把數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)盤(pán)上的內(nèi)容復(fù)制到PC硬盤(pán)上。然后，把USB打印機(jī)連接到PC。最后，再把照片打印出來(lái)。整個(gè)過(guò)程，很是復(fù)雜，更是不方便。 因此，有了嵌入式的USB主機(jī)，那么圖1所示的場(chǎng)景將不再是夢(mèng)想！這里，需要做的就是在MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)里嵌入U(xiǎn)SB主機(jī)模塊，使其由傳統(tǒng)的USB外設(shè)成為USB主機(jī)，這樣，這些嵌入式的主機(jī)就可以直接和移動(dòng)硬盤(pán)、打印機(jī)等USB的外設(shè)連接，實(shí)現(xiàn)特定的功能。那么，而當(dāng)我們需要再次把數(shù)碼相機(jī)等連接到PC上時(shí)，就需要讓其恢復(fù)USB外設(shè)的功能。 可以預(yù)見(jiàn)，嵌入式USB 主機(jī)最大的市場(chǎng)和增長(zhǎng)點(diǎn)在于移動(dòng)家電，比如PDA與USB記憶棒傳遞數(shù)據(jù)、MP3之間傳遞歌曲、數(shù)碼相機(jī)連接打印機(jī)。因此，具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景和市場(chǎng)前景。 4 以嵌入式USB主機(jī)作為核心的USB On-The-Go USB On-The-Go，顧名思義，是USB應(yīng)用在便攜式移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域中，因此，我們姑且將其翻譯為“便攜式USB”（或者“移動(dòng)USB”），簡(jiǎn)記成USB OTG。符合USB OTG的設(shè)備完全拋開(kāi)了PC，既可以作為Host，也可以作為外設(shè)，而與另一個(gè)OTG設(shè)備直接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Pear to Pear）通信。因此，這類(lèi)OTG設(shè)備也被稱(chēng)為是雙角色設(shè)備（Dual-Role Device，簡(jiǎn)稱(chēng)為DRD），并能夠根據(jù)接入設(shè)備的特性和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的情況，自動(dòng)切換為Host或是外設(shè)。 可見(jiàn)，USB OTG正是符合了圖1所示的場(chǎng)景需求。 我們注意到，USB OTG雖然是具備了更強(qiáng)大的功能，但是其核心仍然是嵌入式USB主機(jī)，只不過(guò)需要加入一個(gè)能夠自動(dòng)切換角色的功能。而這個(gè)新功能的實(shí)現(xiàn)，就要借助于USB OTG接口芯片的物理層來(lái)實(shí)現(xiàn)。而且，在很多場(chǎng)合下，不需要實(shí)現(xiàn)USB外設(shè)的功能，只需要實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能。比如一個(gè)工業(yè)數(shù)據(jù)采集的領(lǐng)域中，我們需要使用USB優(yōu)盤(pán)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的載體，那么就要在項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式的USB主機(jī)來(lái)采集數(shù)據(jù)，并且把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到優(yōu)盤(pán)中。這里，這個(gè)USB主機(jī)就不必實(shí)現(xiàn)外設(shè)的功能，因?yàn)槠涓静挥眠B接到PC。而且，很多USB方案的提供商，在設(shè)計(jì)USB OTG時(shí)，就是設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式的USB主機(jī)，然后通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)角色切換的功能。 可以說(shuō)，嵌入式USB主機(jī)，是整個(gè)USB系統(tǒng)發(fā)展的未來(lái)和趨勢(shì)。 5 設(shè)計(jì)嵌入式USB主機(jī) 傳統(tǒng)意義的USB開(kāi)發(fā)，僅僅是對(duì)USB外設(shè)的開(kāi)發(fā)，USB底層驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序都由Windows等操作系統(tǒng)提供，有關(guān)這些驅(qū)動(dòng)程序的細(xì)節(jié)過(guò)程都蒙著一層神秘的面紗。所以，要設(shè)計(jì)USB 主機(jī)，就須設(shè)計(jì)這兩部分驅(qū)動(dòng)程序，Windows源碼不公開(kāi)，這些細(xì)節(jié)資料就無(wú)從得到。 因此，設(shè)計(jì)就要遵循USB主機(jī)的協(xié)議規(guī)范。可以閱覽參考文獻(xiàn)。具體的設(shè)計(jì)就要包括固件Firmware和硬件兩大部分。 硬件上首先要選擇USB主機(jī)的接口芯片。現(xiàn)在比較成熟的有Cypress公司的SL811HS和Philips公司的ISP1161。并且選用一款合適的MCU和MPU來(lái)控制。那么這款MCU的選用需要比較講究。因?yàn)椋麄�(gè)USB協(xié)議框架是非常復(fù)雜的。那么這就需要MCU具有足夠的RAM，用以處理大量的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、大量的變量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。一般8KB的RAM是最最基本的要求，而且越大越好，當(dāng)然，小到2K，也可以實(shí)現(xiàn)基本功能，但是已經(jīng)非常捉襟見(jiàn)肘了。其次系統(tǒng)要有大量的程序存儲(chǔ)區(qū)，一般Flash的需求大概在10~60KB左右。之所以有如此大的范圍，這是因?yàn)閁SB定義很多的類(lèi)，用以支持不同類(lèi)型的USB外設(shè)。每一類(lèi)就有其不同的驅(qū)動(dòng)程序，因此，設(shè)計(jì)的嵌入式USB主機(jī)支持的類(lèi)越多，那么需要的程序空間就越大。有個(gè)例子就是，要實(shí)現(xiàn)Mass Storage類(lèi)就需要10K所有的Flash空間。 固件方面，就是要實(shí)現(xiàn)完整的USB主機(jī)協(xié)議類(lèi)，包括設(shè)備的上電檢測(cè)、設(shè)備重起、分配地址、讀取設(shè)備的各種描述符等基本的操作，更重要的是要實(shí)現(xiàn)每一類(lèi)USB設(shè)備的協(xié)議棧。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，每一類(lèi)設(shè)備的協(xié)議棧，就是一個(gè)特定的驅(qū)動(dòng)程序，傳統(tǒng)的做法，我們是在PC上使用WDM來(lái)編制驅(qū)動(dòng)程序。這里，在我們的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境里，我們就要像開(kāi)發(fā)嵌入式的軟件一樣，可以用C語(yǔ)言、可以用匯編語(yǔ)言等來(lái)實(shí)現(xiàn)。限于篇幅所限，這里，無(wú)法進(jìn)一步展開(kāi)。筆者將在以后進(jìn)一步展開(kāi)討論。 筆者目前就已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一款USB主機(jī)的演示系統(tǒng)，選用的USB主機(jī)接口芯片是Cypress公司的SL811HS，MCU選用的是Motorola公司的16位單片機(jī)MC68HC912D60A。整個(gè)USB主機(jī)系統(tǒng)支持的是USB的Mass Storage類(lèi)，也就是海量存儲(chǔ)類(lèi)，這一類(lèi)是USB專(zhuān)門(mén)為支持磁盤(pán)存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)的。因此，現(xiàn)在的結(jié)果是，這個(gè)嵌入式的USB主機(jī)能夠具有同裝有Windows 2000操作系統(tǒng)的PC一樣的功能，能夠直接對(duì)USB的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行讀取，能夠自動(dòng)識(shí)別設(shè)備并把設(shè)備配置為標(biāo)準(zhǔn)的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，因此能夠直接進(jìn)行文件的讀取、格式化等一系列操作。為了通用，選用了朗科公司的USB優(yōu)盤(pán)作為外設(shè)。目前整個(gè)系統(tǒng)可以直接對(duì)優(yōu)盤(pán)進(jìn)行操作，讀取優(yōu)盤(pán)中的文件、寫(xiě)文件到優(yōu)盤(pán)中，等等。 6 嵌入式USB主機(jī)的其他應(yīng)用前景分析 1. 以嵌入式USB主機(jī)做為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以應(yīng)用在大量工業(yè)和民用領(lǐng)域中，比如城市輕軌鐵路的數(shù)據(jù)采集黑匣子中。中國(guó)幅員遼闊，鐵路線縱橫馳騁，如果每輛機(jī)車(chē)上都安裝一套這樣的“黑匣子”系統(tǒng)，那么需求量將是非常大的，同時(shí)將帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景。 2. 嵌入式USB 主機(jī)作為USB的延伸，國(guó)外處于剛剛起步的階段，僅有不多的半導(dǎo)體公司提供接口芯片，還沒(méi)有完整的嵌入式USB 主機(jī)產(chǎn)品上市。廠家和USB論壇所能提供的Demo也限于依靠嵌入式操作系統(tǒng)WinCE和Linux等。國(guó)內(nèi)的研究也剛開(kāi)始起步。因此，項(xiàng)目研究具有一定的領(lǐng)先和前瞻性。 3. 在開(kāi)發(fā)USB 主機(jī)，編寫(xiě)底層驅(qū)動(dòng)程序的同時(shí)，注意整個(gè)系統(tǒng)的可移植性，使得有關(guān)USB通信的各個(gè)任務(wù)模塊化，盡量編寫(xiě)API。這樣，就可以在不同的操作系統(tǒng)、不同的主控制器CPU上盡量方便的實(shí)現(xiàn)USB 主機(jī)的功能。這就可以為日后嵌入式USB 主機(jī)的產(chǎn)品化和進(jìn)一步研究打好基礎(chǔ)。這個(gè)工作有待進(jìn)一步完善。 |
