基于μC／OS-Ⅱ的嵌入式USB控制软件的实现

摘要：在此以杭州中天32位RISC CPU CK510为内核的HMl521_B芯片上，基于μC／OS-Ⅱ操作系统，实现对USB设备的读写控制。系统采用嵌入式USB主机控制软件的分层结构，着重阐述FAT32文件系统、USB设备枚举和BULK-ONLY传输的具体实现过程。为了节省硬件资源，放弃了USB协议中的繁文缛节，抓住协议核心，设计了精简高效的驱动程序。考虑到各种U盘的不同特性，增强了驱动兼容性方面的设计。整个阶段都由逻辑分析仪给出实测数据抓包截图。
关键词：嵌入式USB控制；FAT32文件系统；USB设备枚举；Bulk-only传输

0 引言
2010年USB 3．0的正式推出象征USB传输极速时代的到来，但是嵌入式领域由于考虑成本等各方面因素很多仍采用USB 1．1协议。同时USB协议的主体框架并没有改变，因此研究USB 1．1协议在嵌入式系统上的实现对于USB 3．0协议的应用也是很好的铺垫。本文在以杭州中天32位RISC CPU CK510为内核的摩托罗拉HM1521_B芯片上，基于μC／OS-Ⅱ操作系统，实现对USB设备的读写控制。由于HM1521_B芯片只支持USB 1．1协议，所以本文实现的只是USB 1．1协议。USB是一种主从结构：主机Host和从机Device。所有的数据传输都由Host主动发起，而Device只是被动的负责应答。在USB OTG中，一个设备可以在Device和Host之间切换，用以实现设备与设备之间的连接，大大增加了USB的使用范围。但USBOTG依然没有脱离主从关系，设备之间必然有一个作为Host，另一个作为Device。标准的USB使用4根线，分别是5 V电源、差分数据线负(D-)、差分数据线正(D+)、地(GND)。USB的低速和全速模式采用电压传输，高速模式则采用电流传输。

1 USB控制软件的分层结构
按照USB协议规范，USB运行首先是USB Host通过D+数据线上的电平变化检测USB Device的插入和拔出，Host和Device依据协议规定的顺序执行一系列信息交换，这称为枚举部分，也是所有USB主机都必须支持的功能。Host根据获得的Device信息判断该Device属于哪一类USB设备，并确定下一步选用哪个特定的程序加以支持。
USB协议规定了HID(人机接口设备)类、Mass Storage(大容量存储设备，如U盘)类、音频类等各种设备类型。在嵌入式系统中，由于受系统性能和存储空间的限制，一般只能支持某几个类型。本文只支持Mass Storage类。

图1是本文实现的USB Host控制软件的分层结构：应用层调用FAT32文件系统层的函数；文件系统层通过MassStorage UFI命令与存储设备建立联系，实现U盘上文件的建立和读写等一系列操作；最底层的是Mass Storage驱动模块，实现对U盘数据的读写功能。其主要函数包括：

本文软件用C语言编程，并依赖μC／OS-Ⅱ操作系统提供的中断函数来调度各个函数的运行。