基于单片机USB主机的数据传输方式的研究与设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 10 4 1.06MB 59 页 15积分

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摘要

现在计算机的功能越来越丰富，它的外设也越来越多，以此功能各异的外设

接口出现在计算机上，如：并行接口、鼠标接口、键盘接口、网络接口等。如此

多的外围设备出现直接导致了计算机所能提供的资源相对匮乏，导致 I/O 的冲突。

为了解决传统总线的不足，微软、康柏、DEC、IBM 等公司在 1995 年共同推出了

一种新型的串行通信标准—通用串行总线（Universial Serial Bus，简称 USB）。从

UBS 最初版本的推出，到 USB 协议规范 2.0 版本，USB 一直在不断自我提升、完

善，并最终走向成熟。随着 USB 优点的完美体现，人们对 USB 的期望越来越高，

希望 USB 能应用在各个计算机领域中。

PC 机在 USB 的拓扑结构中位于核心地位，每一次 USB 数据传输都是由 PC

机发起和控制，所有的 USB 外设都只能和 PC 机建立通信，任何两个外设之间无

法直接通信。对于非 PC 应用，正是 USB 应用的空白。如何把 USB 应用到非 PC

下，实现单片机 USB 主机的数据存储和传输，这将成为 USB 领域新的研究焦点和

方向。本论文对单片机 USB 主机的数据传输进行了研究，直接利用 MCU+USB 主

控芯片，以应用最为广泛的 U盘为 USB 设备，完成对 USB 主机控制芯片的驱动，

把数据按照 USB 协议打包，实现对 Mass Storage 类USB 设备的访问，完成对 U

盘文件的创建、读写等操作。本文重点进行以下工作：1.研究 USB 协议和

Mass+Storage 类协议。2.研究 Fat 文件系统。3.选用一款单片机作为中央处理芯片，

选用一款 USB 主机控制芯片，完成 USB 主机控制器的软硬件的设计。

本文对 USB 技术在单片机系统中的应用方法进行研究，为日后 USB 在非 PC

下应用奠定基础，具有十分深远的意义。

关键词：USB 主机，SL811HST 主控芯片，微处理器，海量存储

ABSTRACT

Now the functions of computer are more and more rich,its peripherals are also too

much,in this case the different functions of peripherals interfaces appear in the

computer,such as:parallel interface 、mouse interface 、keyboard interface 、network

interface and so on.So many peripherals has led to resources shortage which computer

can provide and I/O conflict.In order to solve the shortcoming of the traditional

bus,Compag 、Microsoft 、IBM 、NEC and other companies promoted a new serial

communication standard-universal serial bus(Universal Serial Bus,referred to as USB)in

1995.From USB appeared to protocol specification 2.0,USB are has been

self-improvement and upgrade ,at last trend to mature.As the perfect embodiment of the

advantages of USB,it is increasingly high expectations.People hoped that the USB can

be applied in all the computer field.

The kernel of USB topology is PC, any time USB data transfer by PC to initiate

and control,all the USB device only can establish communication with PC.Any two

USB devices can not communicate directly with each other.For non-PC application, it is

a blank in USB application.How to apply USB to non-PC,realize data store and data

transmission of MCU+USB host has become the new research focus and direction of

USB field.In the article,by researching data transmission of USB host,directly use

MCU+USB control chip,the most widely used flash as USB device,complete the drive

of USB host controller chip.And according to USB protocol,access to USB Mass

Storage class devices,accomplish file operation such as creation,reading,writing.

In the article,the details are discussed as below: 1.Research USB protocol and

Mass Storage class protocol. 2.Research fat file system. 3.Choose a MCU as a central

processing chip,choose a USB host controller chip,complete software and hardware

design of USB host controller.

This article research the application method of MCU system based on USB

technology,laying the foundations for USB on non-PC applications in the future.It has

far-reaching significance.

Key word：USB Host，SL811HST Host Controller Chip，MCU

Mass Storage

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

1.1 课题研究背景和意义.........................................................................................1

1.2 国内外研究现状.................................................................................................1

1.3 课题主要研究内容.............................................................................................2

1.4 课题的组织结构.................................................................................................3

第二章 USB 开发基础 ....................................................................................................4

2.1 USB 概述 .............................................................................................................4

2.1.1 USB 的产生 ...............................................................................................4

2.1.2 USB 总线特点 ...........................................................................................4

2.1.3 USB 的拓扑结构 .......................................................................................5

2.1.4 USB 的开发流程 .......................................................................................6

2.2 USB 的编码方式 .................................................................................................7

2.3 USB 电源管理 .....................................................................................................7

2.4 USB 的设备配置 .................................................................................................7

2.4.1 设备描述符...............................................................................................8

2.4.2 配置描述符...............................................................................................8

2.4.3 字符串描述符...........................................................................................9

2.4.4 接口描述符...............................................................................................9

2.4.5 端点描述符.............................................................................................10

2.4.6 设备限定描述符.....................................................................................10

2.4.7 其他速率配置描述符.............................................................................11

2.5 USB 数据通信结构 ........................................................................................... 11

2.5.1 USB 数据通信概述 ................................................................................. 11

2.5.2 域.............................................................................................................12

2.5.3 包.............................................................................................................14

2.6 USB 的数据传输 ...............................................................................................15

2.6.1 USB 数据传输流程 .................................................................................15

2.6.2 USB 事务处理 .........................................................................................16

2.6.3 USB 数据传输类型 .................................................................................17

2.7 USB 设备请求 ...................................................................................................18

2.8 USB 设备的枚举 ...............................................................................................18

2.9 本章总结...........................................................................................................19

第三章 Mass Storage 协议和 Fat 文件系统 ...............................................................20

3.1 USB Mass Storage 类协议................................................................................ 20

3.2 Bulk-Only 传输协议 ......................................................................................... 21

3.3 Fat 文件系统 ..................................................................................................... 21

3.4 本章总结...........................................................................................................23

第四章单片机 USB 主机的硬件设计 .........................................................................24

4.1 硬件设计框图...................................................................................................24

4.2 微处理器模块设计...........................................................................................24

4.2.1 STC89C516RD+单片机概述 ..................................................................24

4.2.2 STC89C516RD+单片机电路设计 ..........................................................25

4.3 SL811HST 模块设计 ........................................................................................ 26

4.3.1 SL811HST 功能模块和特点 .................................................................. 26

4.3.2 SLH811HST 引脚介绍 ........................................................................... 27

4.3.3 SL811HST 相关寄存器 .......................................................................... 27

4.3.4 SL811HST 电路设计 .............................................................................. 28

4.4 扩展外部存储器设计.......................................................................................29

4.5 串口通信模块设计...........................................................................................29

4.6 按键和 LED 设计.............................................................................................30

4.7 本章总结...........................................................................................................31

第五章单片机 USB 主机的软件设计 .........................................................................32

5.1 开发工具...........................................................................................................32

5.2 主程序设计.......................................................................................................32

5.3 SL811HST 程序设计 ........................................................................................ 34

5.3.1 SL811HST 初始化 .................................................................................. 34

5.3.2 单片机与 SL811HST 通信程序设计 .................................................... 35

5.4 USB 事务处理 ...................................................................................................36

5.5 设备枚举程序设计...........................................................................................39

5.6 Mass Storage 协议程序设计.............................................................................40

5.6.1 单批量 Bulk-Only 传输协议 .................................................................. 41

5.6.2 UFI 命令规范.......................................................................................... 42

5.7 文件系统程序设计...........................................................................................43

5.7 用户程序...........................................................................................................46

5.8 本章总结............................................................................................................47

第六章系统测试 .......................................................................................................... 48

6.1 固件下载............................................................................................................48

6.2 系统测试............................................................................................................48

6.3 本章总结............................................................................................................52

第七章总结和展望...................................................................................................... 53

7.1 总结....................................................................................................................53

7.2 展望....................................................................................................................53

参考文献 .........................................................................................................................54

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 56

致谢 .................................................................................................................................57

第一章绪论

1.1 课题研究背景和意义

随着计算机技术的不断进步，计算机的功能越来越强大，人们对计算机的使用

也越来越多，娱乐、购物、工作等等。正因为计算机的功能越来越丰富，所以它

的外备就越来越多，以此相应功能各异的外设接口出现在了计算机上，如：并行

接口、鼠标接口、键盘接口、音频输入输出接口、网络接口等。如此多的外围设

备出现直接导致了计算机所能提供的资源相对匮乏，导致 I/O 的冲突[1]。所以，为

了解决传统总线的不足，微软、康柏、DEC、IBM 等公司在 1995 年共同推出了一

种新型的串行通信标准—通用串行总线（Universial Serial Bus，简称 USB）。从

UBS 最初版本的推出，到 USB 协议规范 2.0 版本，USB 一直在不断自我提升、完

善，并最终走向成熟。无论从普通消费者还是到计算机工程师，都已经完全认可

了USB。PC 机对于 USB 的硬件和软件支持也十分完备，现在开发一个 USB 外设

产品，所投入的成本和时间大大降低。但是随着 USB 优点的完美展现，人们对 USB

的使用期望越来越高，希望 USB 能够应用在计算机的各个领域中，特别是在移动

数据领域中[2]。

对于在非 PC 下的应用，正是 USB 应用的空白。在 USB 的拓扑结构中，主机

处于中心地位，它控制数据的每次传输，USB 设备都需要通过主机才能进行数据

间的通信，USB 设备和设备之间是不能通信的。但是现在大部分的主机都是 PC，

USB 设备只能与 PC 进行通信，这样就导致现在的设备都依赖于 PC [2]。如果能够

在脱离 PC 的条件下，尤其是把 USB 的优点发挥在自动化仪表方面，通过 USB 接

口，把数据很方便的从设备中读取出来，这样就会使自动化仪器仪表产生质的飞

跃，设计并研发出很多具有市场前景的智能仪器。因此现在 USB 的热点就是把 USB

接口应用在非 PC 机下。假如可以根据需求把主动 USB 接口稍加改动，它就可以

被应用到很多领域，更加方便和丰富人们的生活：例如 MP3 之间传递歌曲、电视

读取 U盘看电影，PDA 与USB 记忆棒传递数据、打印机直接打印数码相机中的照

片，自动化仪表读取数据等。

因此，对于以上的分析可见，USB 技术在嵌入式系统中的应用具有十分重大

的意义，为日后 USB 在非 PC 下的应用奠定了基础。

1.2 国内外研究现状

老式计算机接口只有串口、并口、PS/2 接口等，每个外设要与计算机连接只能

基于单片机 USB 主机的数据传输方式的研究与设计

使用这些接口。但是这些接口有很多缺陷，如：这些老式接口规范不统一，基本

上都是专用的；老式接口体积比较大，占据了机箱和主板的很大面积等，这样就

降低了计算机的利用率。1994 年以 Intel 公司牵头，康柏、微软、IBM、NEC 等世

界上著名的计算机和通信公司设立了 USB 论坛，并且在 1995 年首次发布了 USB

规范。1997 年开始有完全符合 USB 规范的外设出现。随后一年微软公司发布

Windows98 操作系统，在该操作系统中首次加入 USB 接口模块。

USB 接口模块的

出现使 USB 设备逐渐增多，USB 接口逐渐进入了使用阶段。

在USB2.0 协议发布前，USB 设备都使用 USB1.1 协议。USB1.1 协议的传输

速率只有 12 Mbps ，这样的传输速率不能够满足人们的需求，因此康柏、微软、

惠普、NEC 等公司联合制定了 USB2.0 协议，它的传输速度能达到惊人的 480Mbps，

这个速度满足了大多数计算机外围设备的要求，使 USB 接口的应用拓展到了更广

泛的领域。

近年来， USB 研究者们正忙于完善一个称之为“USB-OTG ” 的规范，

“USB-OTG”规范是用来完成外设与外设之间直接通信，以为支持 USB2.0 的设

备在非 PC 下达到相互连接和交换数据的目的。

现在电子产品的发展速度相当快，功能日新月异。如果将 USB 接口应用于电

子产业，将是 USB 接口的很好前景。国内公司现在都在积极开发具有 USB 主机接

口的嵌入式产品，国外公司已经领先发展，开发出了具有一定功能的嵌入 USB 接

口的嵌入式产品[3]。

现在 USB 主机控制器技术还没有达到成熟，还需要主控制器生产厂家继续设

计出更好的主机控制芯片，软件工程师开发出更好、更有效率的软体。

1.3 课题主要研究内容

在单片机系统中开发 USB 接口跟在 PC 机下开发是不一样的。USB 技术一开

始是基于 PC 机发展起来的，在 PC 机中都嵌入了 USB 主机控制器，而且主机控制

器的驱动程序都已经开发完备，开发人员不需要关心硬件方面。而在单片机系统

中开发 USB，首先必须要考虑 USB 主机控制器的硬件和软件设计的实现。本课题

采用单片机+USB 主机控制芯片方案，单片机作为 USB 主机完成对 USB 主机控制

芯片的驱动，然后按照 USB 协议把数据打包，实现对海量存储 USB 设备的访问，

完成对 U盘文件的创建、读写等基本操作。

在单片机系统中本课题主要研究的内容有：

(1)研究 USB 协议和 Mass+Storage 类协议。包括 USB 的一些特性和通信协议，

着重介绍和控制传输批量传输的传输流程。

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摘要：

摘要现在计算机的功能越来越丰富，它的外设也越来越多，以此功能各异的外设接口出现在计算机上，如：并行接口、鼠标接口、键盘接口、网络接口等。如此多的外围设备出现直接导致了计算机所能提供的资源相对匮乏，导致I/O的冲突。为了解决传统总线的不足，微软、康柏、DEC、IBM等公司在1995年共同推出了一种新型的串行通信标准—通用串行总线（UniversialSerialBus，简称USB）。从UBS最初版本的推出，到USB协议规范2.0版本，USB一直在不断自我提升、完善，并最终走向成熟。随着USB优点的完美体现，人们对USB的期望越来越高，希望USB能应用在各个计算机领域中。PC机在USB的拓扑结构中...

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