基于USB海量存儲設(shè)備實現(xiàn)FLASH數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)的設(shè)計

技術(shù)發(fā)展到今天的信息時代，數(shù)據(jù)的存儲和傳輸在嵌入式系統(tǒng)有了越來越重要的地位。而USB是目前設(shè)計成熟、應(yīng)用廣泛且使用極為簡捷的技術(shù)，USB傳輸是一種高效方便的數(shù)據(jù)傳輸方式?；谏鲜鲈颍疚闹攸c論述基于USB的海量存儲（USB Mass Storage）設(shè)備功能在ARM嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計和應(yīng)用。使用該設(shè)備功能，上位機可以像讀寫普通U盤一樣對于系統(tǒng)采集并存儲在FLASH中的數(shù)據(jù)進行讀寫。

1、 硬件方案

1.1 器件簡介

S3C44B0X是SAMSUNG公司出品的基于ARM7TDMI內(nèi)核的RISC型微處理器，8 kB指令和數(shù)據(jù)共享的緩存，主頻可達66 MHz，可以運行16位的Thumb指令和32位的ARM指令，且接口豐富，具有通用性。

K9F2808U0C是SAMSUNG公司生產(chǎn)的一款Nand型閃存芯片，容量為16 MB，讀寫速度快，數(shù)據(jù)保存時間長，可擦寫10萬次，在嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是負責(zé)數(shù)據(jù)存儲。

PDIUSBDl2是PHILIPS公司生產(chǎn)的帶有并行總線和局部DMA傳輸能力的全速USB接口芯片，符合USB1.1版規(guī)范，可以與任何外部MCU／MPU實現(xiàn)并行接口，傳輸速度可達2 MB／s。該USB芯片有1個控制端點和2個普通端點。

1.2 硬件連接圖

硬件連接如圖1所示。在該系統(tǒng)中，F(xiàn)LASH芯片K9F2808U0C負責(zé)嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲；處理器S3C44B0X執(zhí)行底層固件代碼；USB接口芯片PDIUS-BDl2負責(zé)設(shè)備與上位機的通訊。這樣系統(tǒng)采集并存儲在閃存芯片中的數(shù)據(jù)便可以通過USB接口傳輸?shù)缴衔粰C。

2、 軟件實現(xiàn)

要實現(xiàn)實驗系統(tǒng)與上位機的USB通訊，首先要正確設(shè)計PDIUSBD12的底層固件程序。而要實現(xiàn)系統(tǒng)的海量存儲設(shè)備功能，還要有FLASH的讀寫操作代碼和實現(xiàn)海量存儲設(shè)備類規(guī)范的代碼。下面從這3個方面來分析。軟件開發(fā)環(huán)境為ARM公司的ADS1.2，USB監(jiān)控和測試軟件為BUS Hound。

2.1 PDIUSBD12固件編程

PDIUSBDl2固件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向如圖2所示。結(jié)構(gòu)圖中的硬件提取層是固件中的最底層代碼，負責(zé)對處理器與PDIUSBDl2相連接的I／O口進行操作，以通知PDI-USBD12接下來處理器將對其進行命令操作或是數(shù)據(jù)操作。而命令接口層是基于硬件提取層的一套對PDIUS-BDl2進行操作的子程序，可以方便上層程序的編寫。

當(dāng)PDIUSBD12向處理器發(fā)出中斷請求時，處理器讀取中斷寄存器，根據(jù)中斷源調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)處理程序，中斷服務(wù)處理程序設(shè)置相應(yīng)的事件標(biāo)志，如果有數(shù)據(jù)傳輸并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。根據(jù)USB協(xié)議［4］，控制端點0用來負責(zé)設(shè)備的枚舉，如獲取設(shè)備各種描述符、設(shè)置地址、獲取海量存儲設(shè)備的邏輯單元數(shù)目和復(fù)位設(shè)備等操作。這些操作是通過中斷和主循環(huán)共同完成的。這里端點1未用到，可以忽略其中斷。端點2是主端點，用作Bulk-Only傳輸。在端點2的中斷處理程序中實現(xiàn)Bulk-Only傳輸及命令解析和執(zhí)行。

其中，中斷服務(wù)處理程序與主循環(huán)通過一個名為ControlData的結(jié)構(gòu)體變量進行通訊。主循環(huán)初始化I／O口、事件標(biāo)志bUSBFlags、建立包數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、定時器和中斷，重新連接USB總線后進入一個無限循環(huán)，當(dāng)該循環(huán)輪詢到某事件標(biāo)志被置位時便進行相應(yīng)的處理。特別是在設(shè)備枚舉中當(dāng)建立標(biāo)志被置位時，根據(jù)設(shè)備請求的類型域ControlData，DeviceRequest，bmRequestType來確定是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求、廠商設(shè)備請求還是類型設(shè)備請求，再根據(jù)請求類型進行相應(yīng)的調(diào)用。

2.2 K9F2808U0C讀寫操作

K9F2808U0C共有1 024塊，每塊32頁，每頁528 B，其中512 B用于存放數(shù)據(jù)，另外16 B用于存放信息，如塊的好壞標(biāo)記、塊邏輯地址和ECC校驗和等。FLASH讀寫有其自身的特點，讀寫都以頁為單位，可以隨機讀，但無法隨機寫，寫操作前必須把寫單元所在的塊擦除。因此，對于該閃存的讀操作可以采取直接讀取來處理；而對于寫操作，則通過設(shè)置塊 緩沖來解決，以減輕系統(tǒng)的任務(wù)和對FLASH的擦除次數(shù)。寫操作的基本思想是：設(shè)置一個塊緩沖區(qū)，待寫數(shù)據(jù)先寫入緩沖區(qū)對應(yīng)的頁地址，當(dāng)緩沖區(qū)中待寫數(shù)據(jù)的頁地址到達31或者頁地址未滿31但傳輸已經(jīng)結(jié)束時，先將目標(biāo)塊中待寫頁以外的有關(guān)數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)對應(yīng)的頁地址，然后擦除整塊，最后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到該塊。寫操作流程如圖3所示。

2.3 海量存儲規(guī)范實現(xiàn)

海量存儲設(shè)備必須符合海量存儲設(shè)備類規(guī)范，該規(guī)范包括4個獨立的子類規(guī)范，本設(shè)計中用到其中的2個子類規(guī)范：一是USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport規(guī)范［5］；二是USB Mass Storage Class UFI Command規(guī)范。前者定義了數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸規(guī)范僅僅使用Bulk端點傳送數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)。后者定義了對存儲介質(zhì)的操作命令，UFI命令規(guī)范基于SCSI-2和SFF-8070i命令集。這里根據(jù)SCSI-2規(guī)范［6］針對該類設(shè)備的操作命令規(guī)范，總共編寫了9個命令執(zhí)行函數(shù)，見下文。

海量存儲規(guī)范的實現(xiàn)有2個地方要注意：一是設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符和端點描述符要正確設(shè)置，主機是通過控制端點（端點0）獲取這一些描述符的；二是BULK端點（端點2）的中斷處理，其中的BULK OUT中斷處理較BULK IN復(fù)雜，由于篇幅所限，下面只討論BULK OUT的中斷處理。

BULK OUT的中斷處理要對主機發(fā)送的CBW（Com-mand Block Wrapper）和數(shù)據(jù)進行解析和處理。偽代碼結(jié)構(gòu)如下：

其中pSCSI是傳遞給讀寫函數(shù)的有關(guān)讀寫地址和數(shù)據(jù)傳輸長度等參數(shù)的結(jié)構(gòu)體。數(shù)據(jù)的處理在讀寫函數(shù)中進行。Write（ ）函數(shù)的流程如圖3。讀函數(shù)以頁為單位，一次可以讀取連續(xù)的若干頁，在此不再列出其流程圖。其他函數(shù)可根據(jù)SCSI-2命令規(guī)范來編寫。

3、結(jié) 語

經(jīng)測試，通過USB總線主機能夠穩(wěn)定的讀寫設(shè)備中的FLASH，讀數(shù)據(jù)的速度可達600 kB／s，寫數(shù)據(jù)的速度可達400 kB／s。該設(shè)備功能使用方便，性能穩(wěn)定，已在具體項目中有實際應(yīng)用，根據(jù)硬件情況稍做修改便可以應(yīng)用到其他嵌入式系統(tǒng)中。

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