2024年3月23日发(作者：)

USB Host介绍与使用

USB Host介绍与使用

一 几个名词的含义

USB device: 从硬件角度看就是一个带有usb client控制器的设备；从软件角度看，就是一个挂在

usb总线上的一个普通意义上的设备，只不过它们的驱动是基于host驱动之上的。

USB host:USB主设备，可以从另外一个USB device中取得数据，包括USB host控制器和USB

host协议。与USB device或USB slave相对应。

USB client:从硬件角度看就是指USB client 控制器，从软件角度看，就是指USB client协议，与

USB host协议相对应。

USB OTG:On The Go，正在进行中的意思，也就是可以直接传输，就是可以从一个机器直接传到另一

个机器中。

USB HUB：USB扩展/集线器，一种可以将一个USB接口扩展为多个（通常为4个），并可以使这些

接口同时使用的装置。

二 USB HOST技术简介

USB的通信可以用下图表示。下图中，左半部分为USB主机端，可以看出，USB主机端由两部分构

成，即软件体和硬件体。实际上是三个软件组件组成了USB HOST解决方案，即USB客户驱动程序、USB

驱动程序和USB主机控制器驱动程序。应用程序的事务处理是由USB客户驱动程序（设备驱动程序）启动

时，客户驱动程序把USB设备当作一个可以被访问的端点集合，它可以被控制并与它的功能单元进行通

信。USB系统软件包括USB驱动程序和USB主控制器驱动程序，USB驱动程序负责配置管理、用户管

理、总线管理和数据传输管理；以及数据的位编码、封包、循环校验、发送、错误处理等。

1 / 5

USB Host介绍与使用

三 USB host实现

简单实现：MCU+USB控制器(若MCU中已经包含USB OTG则无需控制器，比如LPC2478，内部包

含USB OTG)。

例如下图是由微控制器MSP430F149和USB控制器ISP1161实现USB HOST的电路。

ISP1161是Philips设计的USB主机/设备控制器。内部有1个USB主机控制器和1个设备控制器，

符合USB2.0协议，支持全速和低速传输。主机和设备控制器共享相同的接口总线，带有2个USB下行端

口和1个USB上行端口。图中使用接口1作为HOST下行端口。每个下行端口有各自的过流检测电路，图

2 / 5

USB Host介绍与使用

中使用PHP109检测端口供电电流，高于500mA停止对总线供电。

3.1 枚举

从USB设备插入接口开始到客户驱动程序能够使用该设备要经过一段识别过程，叫做USB主机对设

备的枚举。枚举过程是任何USB设备使用前必经的过程。USB主机端需要知道这是一个低速设备还是全速

设备，需要知道这个设备具有的能力，以便载入相应的设备驱动程序。过程如下：首先，捕捉设备的插

入。USB设备是即插即用设备，系统在设备插入的瞬间要捕捉到这一信息，ISP1161是通过内部的Hub完

成这一任务的。Hub端口的两根信号线（D+和D-）的每一根都有一个子15kΩ的下拉电阻，而一个设备

在D+（全速设备）或D-（低速设备）上有一个1.5kΩ的上拉电阻。当设备插入到一个端口时，设备的上

位电阻信号为高。Hub以此检测到一个设备已连接上了，并报告给主机控制器，然后，在与处理器的接口

上产生中断。主机知道后，通过读取Hub相关寄存器来了解诸如设备速度等更多信息。而后，Hub重新设

置该设备。当主机知道有一新设备时，主机给Hub相关寄存器写命令，让Hub来重新设置端口。Hub使

设备的USB数据线处在重启状态（D+和D-均为逻辑低）至少10ms，当Hub释放了重启状态，设备就处

在默认状态了（D+和D-均为逻辑低）至少10ms，当Hub释放了重启状态，设备就处在默认状态了（设

备的USB寄存器已经处在它们的默认状态）。此时，设备已准备发通过Endpoint 0的默认流程来响应控制

流程。最后，主机通过控制传输通道完成设备的枚举。主机端先送一个Get_Descriptor(获取描述符)请求

来知道默认流程最大包的大小，主机发送请求给设备地址0，端点0。然后通过发送一个Set_Address(设

定地址)请求来分配一个单独的地址给设备。设备读取这个请求，返回一个确认且保存新的地址。知道设备

的能力主机给新地址发送一个Get_Descriptor请求来读取这个设备完整的描述符，包括Endpoint 0最大

包的大小，设备支持的配置号，以及该设备的其它信息，主机将这些信息用于往后的通信中。而后发出

（Set_configuration）设定配置请求，以该配置号配置设备。设备就完全正确处于可操作状态。主机此时

就可以加载相应的客户驱动程序，对设备进行操作了。

3.2 单片机对存储设备的读写

枚举完成后即可进行主从设备之间的读写操作（即数据在存储设备和主机之间的传输）。对USB存储

设备的读写需要对存储体的格式有一定了解。当前USB存储体多数为FAT16和FAT32格式，还有极少数

3 / 5

USB Host介绍与使用

的使用FAT12格式。FAT16多见于优盘，而FAT32多见于移动硬盘。这里简价介绍优盘普遍采用的一种文

件格式：FAT16。对于只有一个分区FAT16格式的优盘，它的结构依次是主引导区（BOOT SECTOR）、隐

藏扇区、逻辑盘引导区（BOOT SECTOR）、FAT区、根目录区、数据区。

主引导区由MBR（Master Boot Record）,DPT(Disk Partition Table)和Boot Record ID三部组成。

MBR又称作主引导记录区，存放系统主引导程序；DPT即主分区表，记录了磁盘的基本分区信息；Boot R

ecord ID为引导区标志。逻辑分区的Boot SECTOR由已跳转指令、硬盘分区类型的文本字符名、分区参

数块、扩展的分区参数块和启动指令块组成。FAT（ Table,文件分配表）、记录簇的使用情况。根据目录区

中存放目录项，每个目录项为32个字节，记录一个文件或目录的信息（长文件名例外）。数据区记录了文

件和目录数据区，位于目录项所占的最后一个扇区之后，最真正存放文件数据或是子目录的位置。

文件的读写实际上是USB BULK-ONLY Protocol(USB批量传输协议)和文件系统协议的具体实现，下

面以文件系统为FAT16的设备为例，讲述如何读取一个位于根目录下名为“”的文件和在该目录

下写入一个名为“”的文件。

读取和写入数据之前，需要了解的该存储设备的全部信息。包括扇区大小，FAT表长度，簇的大小等。

该部分信息可以通过读取主引导区和逻辑引导区获得。

读取文件的时候，大致按如下顺序，读根目录→读FAT1→读数据区，具体步骤如下。首先找到文件名

4 / 5

USB Host介绍与使用

所在的位置，根目录下的文件和目录均在根目录区，每一个目录或文件项占用32个字节，每次读取一个扇

区，比较数据，没有则继续读下一个扇区，直到找到该文件。在这32个字节中，第26～27字节表征了文

件开始簇号，28～31字节表征了文件大小。根据开始簇号，搜索FAT区，找到文件簇链，依次读取对应

簇，即可完整的得到文件数据。

写“”稍有不同，大致可以按这样的顺序号，写FAT1→写FAT2→写根目录区→写数据区。具

体来说，先读取FAT区，搜索可用簇，标记为文件开始簇号，继续搜索，找到下一可用簇，并在上一可用

簇标示（00 00）处写入该簇号，依次下去，直至写完簇链，并将最后一个簇标志为文件的结束簇。这里需

要注意的是：FAT区有两份，是同样的内容，写完了FAT1，将FAT2相应位置写入同样的数据。下一步就

是写文件名，在根目标区搜索可用的根目录项，将文件名、时间、起始扇区、文件大小等写入该目录项。

这时优盘上已经有了一个名为“”的文件，但是文件的内部还未写入，下一步根据文件开始簇号，

将文件的内容写入簇链中对应的簇。至此，整个文件的写入就大功告成。

5 / 5