基于USB控制器和FLASH存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

自從USB規(guī)范發(fā)布以來(lái)，短短的幾年中得到了極大的發(fā)展，基于USB接口的大容量存儲(chǔ)設(shè)備（USB Mass Storage）應(yīng)運(yùn)而生。這類設(shè)備主要有：USB移動(dòng)硬盤、USB外置光驅(qū)、USB外置軟驅(qū)、USB閃存盤等。但是目前國(guó)內(nèi)介紹這一方面開(kāi)發(fā)的文章并不多。結(jié)合作者實(shí)踐，本文將以Philips公司的USB控制器PDIUSBD12和Sumsung公司的閃存（Flash）K9F5608U0A為例，介紹開(kāi)發(fā)大容量存儲(chǔ)設(shè)備的方法。

1、USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備類

USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備類規(guī)范包括四個(gè)獨(dú)立的子類規(guī)范，即：①USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt （CBI） Transport;②USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport;③USB Mass Storage Class ATA Command Block; ④USB Mass Storage Class UFI Command Specification。前兩個(gè)子規(guī)范定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB上的傳輸方法。Bulk-Only傳輸規(guī)范僅僅使用Bulk端點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)，CBI傳輸規(guī)范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)傳送。后兩個(gè)子規(guī)范定義了對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的操作命令。UFI命令規(guī)范是針對(duì)USB移動(dòng)存儲(chǔ)而制定的，實(shí)際上UFI命令格式是基于SFF-8070i和SCSI-2規(guī)范，總共定義了19個(gè)12字節(jié)長(zhǎng)度的操作命令。

批量單獨(dú)傳輸在大部分的通信中使用批量傳輸，只有在批量端點(diǎn)上清除一個(gè)Stall狀況，以及傳送類別特定請(qǐng)求（class-specific request）時(shí)才使用控制傳輸。需要注意的是，批量單獨(dú)傳輸還支持兩個(gè)特定的請(qǐng)求是：

◆ Bulk Only Mass Storage Reset——重置設(shè)備;

◆ Get Max Lun——取得設(shè)備支持的邏輯單元數(shù)目。

大容量存儲(chǔ)類支持的設(shè)備都有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，控制與讀取不同設(shè)備需要使用不同的命令區(qū)塊群。表1列出大部分常用命令區(qū)塊群命令的結(jié)構(gòu)。

表1 大部分常用的命令結(jié)構(gòu)

2、器件簡(jiǎn)介

2.1 USB控制器PDIUSBD12

PDIUSBD12是一個(gè)全速芯片，支持一個(gè)控制端點(diǎn)，以及四個(gè)額外的端點(diǎn)地址，一個(gè)端點(diǎn)的地址可以存儲(chǔ)到128個(gè)字節(jié)，而雙緩沖區(qū)可以存到256個(gè)字節(jié)。該芯片完全由軟件控制，在外圍設(shè)備的CPU送來(lái)一個(gè)命令來(lái)仿真連接總線之前，芯片都是維持與主機(jī)分離的狀態(tài)。這樣才能保證在開(kāi)機(jī)后搜尋設(shè)備前，芯片有時(shí)間來(lái)初始化。另外，PDIUSBD12有一個(gè)狀態(tài)輸出可以連接到液晶顯示器上，在建立USB連接時(shí)亮燈，而數(shù)據(jù)傳輸時(shí)閃爍。PDIUSBD12引腳圖和邏輯框圖分別如圖1、2所示。

圖1 PDIUSBD12引腳圖

圖2 PDIUSBD12邏輯框圖

2.2 K9F5608U0A

K9F5608U0A是三星公司生產(chǎn)的K9XXXXXU0A系列閃存中的一種，32MB容量，讀寫(xiě)速度快，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)以及高達(dá)10萬(wàn)次的擦除寫(xiě)入壽命等優(yōu)點(diǎn)。該芯片具有一個(gè)八位的I/O端口。在為低電平時(shí)，把置低，地址、命令和數(shù)據(jù)都可通過(guò)該端口寫(xiě)入。數(shù)據(jù)在的上升沿被鎖存，CLE和ALE分別用來(lái)控制對(duì)命令和地址的鎖存。同時(shí)K9F5608U0A具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)功能，能夠最大限度地保護(hù)用戶數(shù)據(jù)。其內(nèi)部框圖和引腳圖分別如圖3、4所示。

圖3 K9F5608U0A內(nèi)部框圖

圖4 K9F5608U0A引腳圖

各引腳功能如下：

I/O0 ~ I/O7——數(shù)據(jù)輸入/輸出;

CLE——命令鎖存使能;

ALE——地址鎖存使能;

——片選信號(hào);

——寫(xiě)使能;

——寫(xiě)保護(hù);

GND——地輸入使能額外位;

R/B——準(zhǔn)備好/忙;

VCC——電源;

VSS——地;

NC——懸空。

3、硬件電路設(shè)計(jì)

USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備通常使用一個(gè)USB接口引擎和MCU（微控制器）一起處理主機(jī)發(fā)送的命令，以及對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行操作。圖5顯示了一個(gè)USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備通常采用的硬件結(jié)構(gòu)。ROM和RAM分別用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序， USB微控制器通過(guò)通用I/O線與閃存設(shè)備連接。微控制器除了實(shí)現(xiàn)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)/命令傳輸外，還需要根據(jù)主機(jī)的命令對(duì)閃存器件進(jìn)行讀/寫(xiě)/格式化，實(shí)現(xiàn)邏輯扇區(qū)與物理扇區(qū)之間的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)錯(cuò)誤校正等操作。

圖5 USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)例簡(jiǎn)圖如圖6所示。MCU采用內(nèi)含ROM和RAM的微控制器8051，8051通過(guò)數(shù)據(jù)總線和控制總線與兩個(gè)外設(shè)進(jìn)行通信。PDIUSBD12通過(guò)8051和K9F5608U0A進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此處采用PDIUSBD12的并行傳輸方式。

圖6 USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)實(shí)例簡(jiǎn)圖

4、軟件編寫(xiě)

USB微控制器除了傳輸處理及UFI命令處理等工作外，還需要處理如存儲(chǔ)介質(zhì)的尋址/格式化/數(shù)據(jù)校驗(yàn)等操作。本例中所需要的基本操作包括：

① 提供USB枚舉信息;

② USB傳輸管理;

③ 根據(jù)主機(jī)的UFI命令，進(jìn)行相應(yīng)的處理;

④ 提供閃盤基本信息，如扇區(qū)大小、簇大小、閃盤容量等;

⑤ 邏輯簇（logical cluster）到物理塊（physical block）的轉(zhuǎn)換;

⑥ 物理塊的讀/寫(xiě)/更新，其中許多的軟件功能是與閃存的操作相關(guān)的。

本例中用到的傳輸協(xié)議為USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport和USB Mass Storage Class UFI Command Specification?？偝绦蛄鞒虉D如圖7所示。

圖7 程序流程圖

5、結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)例，給出了一種開(kāi)發(fā)USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的方法。由于USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備具有使用方便、容量大、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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