在USB的拓撲機構中居于核心地位的是主機(Host)，任何一次USB的數據傳輸都必須由主機來發起和控制，所有USB設備都只能和主機建立連接，任何兩個外設之間或是兩個主機之間無法直接通信。而目前，大量扮演主機角色的是個人電腦PC。目前所買到和使用的USB設備基本都是只具備USB設備的功能而不具備主機功能，比如USB接口的移動硬盤、數碼相機、打印機等。所有這些設備都只能在USB Host上使用，也就是通常只能通過PC來進行相互的文件和數據交換。沒有了PC主機，這些設備是不能互聯的。
1 USB系統模型和拓撲結構
最簡單的USB系統模型組成是以USB主機為核心，以外圍的USB設備為特定功能的設備模塊。即USB提供的是主機和設備中間的一種數據通信服務。此外，為了構建更復雜的USB系統，還需要加上USB集線器(Hub)。
USB主機包括PC或嵌入式系統兩種類型，每一次USB數據通信都必須是由USB主機來發起的(遠程喚醒模式除外)，主機管理著每個USB設備。即使新興的USB On-The-Go設備，其核心部分仍然是嵌入了USB主機的功能。本方案主要是基于嵌入式USB主機的USB系統模型。
USB的拓撲體系由3種元素組成：主機、Hub和設備，通過Hub的級聯，構成了層次化的星形結構。USB的拓撲結構如圖1所示。
2 硬件設計
2．1 電源電路
電源電路的組成如下：
系統采用雙電壓給電方式；觸發器采用3．3 V給電；1284收發器采用5 V和3．3 V的雙電壓給電方式。在交流適配器中將干擾過濾后，提供5 V直流電壓。3．3 V直流電壓由固定輸出電源模塊來提供。電源系統結構如圖2所示。
2．2 USB接口電路
為了給USB總線安全的提供電源，采用電源管理芯片，利用MCU來管理USB總線的電源。系統reset時，為了使與其連接的USB設備不進行誤操作，關閉USB電源；總線電路異常而導致過流(over current)時，系統自動關閉電源并通知MCU。并且還采用壓敏電阻(vatistor)來防止靜電(ESD)；采用共模軛流線圈(Common Mode Choke Coil)來減少對總線差模數據的干擾。USB Host接口部分的電路如圖3所示。
2．3 MCU程序下載電路
由RS232端口來下載MCU程序，對應的電路圖如圖4所示。
DR9插座和MAX232置于單獨的下載板上，利用8PIN插座和主板(SPP／USB轉換主板)來連接。異步串行接口下載程序時，各管腳設置如下所示：
P60=‘L’，P61=‘L’；
MD0，MD1，MD2=‘HHL’。
2．4 Reset電路
在MB90F337內部有上電復位(power on reset)功能，在外部reset電路發生外部reset請求。外部reset電路的初步想法如圖5所示。使用的復位芯片(reset chip)是PST9231。reset時間利用外部電容，設置為40～50 ms之間。
3 USB Host庫設計
MiniHost部分負責USB Host部分的操作，它將完成如下功能：初始化MiniHost部分電路；支持USB 2．0高速和低速設備；注冊回調函數；設備的枚舉，包括BUS Reset、SETADDRESS請求以及設定控制端點的最大包的大小：SETUP請求操作；Bulk傳輸請求操作。
3．1 Time Module部分
設置一個PWCTimer，使其再0.1ms中斷一次，在這個中斷處理程序中對記錄時間的全局變量加1，也就是說系統中時間的單位是0.1ms。如果記錄時間的全局變量溢出，則將這個變量的值設置為0。
初始化定時器代碼如下：
3．2 MiniHost部分
MiniHost Module主流程圖如圖6所示。
當一個新的傳輸請求開始處理時，將會執行如圖7所示流程。
1)發送SETUP階段請求；
2)發送塊請求(BULK Request)；
當一個傳輸請求在一個階段處理不完時，將會執行圖8所示流程。比如控制傳輸(Control Transfer)需要3個階段。
3)控制傳輸(Control Transfer)結束，向EndPoint結構體中寫入傳送完成的結果，并根據傳輸的類型做相應處理。
4)塊傳輸(BULK Transfer)結束，向EndPoint結構體中寫入傳送完成的結果，并向并口上發送ACK BUSY信號。
4 并口到USB接口打印轉換器實現
4．1 打印轉換器功能描述
利用上述系統，設計一個能夠把并口轉換為USB接口的打印轉換器，這個轉換器只是把從并口收到的數據轉發到USB接口上，然后根據USB接口規范，把數據重新包裝后發送給USB打印機，轉換器中并不需要對并口的數據內容進行解釋，只是轉發。
4．2 并口打印機數據傳輸過程
并口打印機采用IEEE1284標準進行通訊。IEEE1284標準為PC和外設之間的通訊定義了雙向通訊協議，通過該協議PC和外設之間的雙向數據傳輸率可以比以前提高20到50倍，同時該協議保持了軟件的向下兼容性。IEEE1284標準一共定義了5種數據傳輸模式，即正向傳輸模式(兼容模式)，兩種反向傳輸模式(半字節模式和字節模式)，兩種雙向傳輸模式(EPP模式一高速增強并行端口和ECP模式-擴展并行端口)。
打印電纜我們采用D25接口，并行口一般有25個引腳，其中包括8位數據線，5位打印機狀態線，4位控制線。
4．3 USB接口打印機數據傳輸過程
打印設備它們能夠把頁面描述語言(PDL)轉換為人們能夠讀懂的打印頁面。因此需要制定打印機如何來接收這些PDL格式的數據，如何能夠返回打印機的狀態信息。常規的并口打印機用一個雙向打印端口來只認識這些語言。USB用一個Bulk OUT端點來發送這些數據到打印機，并用一個Bulk IN端點來發送狀態信息或其他數據。對于現已存在的方式來說，能夠在主機中通過Bulk IN端點使用查詢機制來檢索并口的狀態信息。一些PDL允許打印機返回大量的數據，諸如一些字體定義等信息。如果打印機實現了這個功能，它將使用用于傳送回狀態信息的Bulk IN端點來傳送回這些數據。
4．4 功能設計
1)并口部分功能
①為了方便處理打印并口只支持IEEE 1284-1994 SPP模式。
②打印數據只支持單方向(數據：PC→轉換器)。
③BUSY和ACK的信號時序類型為A-B(Ack-in-Busy)。
2)USB打印機接口功能
①支持USB Ver2．0 Full Speed。
②符合Universal Serial Bus Specification 2．0。
③符合Universal Serial Bus Device Class Definition for Printing Devices規范。
④控制傳送的數據最大值為64字節。
⑤批量(Bulk)傳送的數據最大值為64字節。
⑥不處理USB Hub。
3)內部功能
①定期取得打印機的狀態(以1秒為單位)，反映到并口信號線中(利用USB控制傳送的GET_PORT_STATUS)。
②并口的收信緩沖存儲為64字節，接收到64字節后由USB接口傳送給打印機。
③并口的收信處理中設置了超時(1秒)，一旦超時發生，接收到的數據由USB接口傳送給打印機。
4．5 并口模塊
負責和并口相關的工作。從并口讀取數據放入數據緩沖區。設置和讀取并口狀態和控制端口。通過讀取時間，來生成并口的時序。使用中斷(Interrupt)對并口的InputPrime信號進行相應的處理。使用中斷(Interrupt)對并口的nStrobe信號進行相應的處理。
4．6 主模塊(Main Module)
主模塊負責初始化整個系統，包括Parallel Module，MiniHost Module以及整個系統的變量。編寫一個回調函數，此函數在設備狀態(連接或斷開)改變時調用。在檢測到設備連接后，調用MiniHost Module枚舉功能，枚舉打印機，并把打印機設置為某種模式。檢查是否要發送的控制或批量傳送。如果要，則把它們發送出去。
5 結束語
本論文設計了一種嵌入式USB主機系統，并完成了該系統的硬件和固件的實現和調試。為了驗證系統，實現了打印機IEEE 1284中的SPP模式協議到USB打印設備類協議轉換器。在硬件設計中，系統采用富士通90330系列MCU中的MB90F337完成中央控制器和USB Host控制器，電路設計簡潔。文章為其他嵌入式USB Host設備的開發提供了設計參考。