在單片機(jī)上實現(xiàn)USB移動存儲第1章 主要硬件芯片介紹1.1系統(tǒng)總體設(shè)計 USB主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計是一個軟、硬件結(jié)合的整體，宏觀上主要包括三個層次的設(shè)計：USB總線物理層接口設(shè)計、USB核心系統(tǒng)設(shè)計和USB客戶系統(tǒng)設(shè)計?？偩€接口主要處理主機(jī)與設(shè)備之間的電氣及協(xié)議層的互連，是信息包進(jìn)出的物理橋梁；USB核心系統(tǒng)主要管理和協(xié)調(diào)主機(jī)與從機(jī)間的邏輯數(shù)據(jù)傳輸，解析雙方聯(lián)系的握手協(xié)議，是驗證信息包的邏輯關(guān)卡；客戶系統(tǒng)是最終用戶直接和USB設(shè)備功能交互的邏輯平臺，不同的USB設(shè)備歸屬于不同的類，是利用相關(guān)的類協(xié)議來實現(xiàn)的，所以客戶系統(tǒng)驅(qū)動程序具有多變性，需要為專門的類定制專門的驅(qū)動程序。在單片機(jī)上實現(xiàn)USB移動存儲功能，具體包括USB主機(jī)接口的硬件設(shè)計和整機(jī)USB驅(qū)動固件的設(shè)計。其中驅(qū)動固件的設(shè)計具體又包含幾個協(xié)議的實現(xiàn)：USB1.1控制傳輸協(xié)議、USB BULK傳輸協(xié)議、USB海量存儲類協(xié)議、UFI磁盤操作命令和FAT文件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)等。1.2硬件設(shè)計1.2.1USB主控制器 USB主控制器主要是完成底層物理接口設(shè)計，是USB系統(tǒng)架構(gòu)的必要部分，是USB數(shù)據(jù)包進(jìn)出的必經(jīng)通道。本系統(tǒng)采用的USB主機(jī)芯片是Cypress公司的SL811HS。Cypress公司是最早從事USB芯片開發(fā)的公司之一，其EZ-USB系列芯片在業(yè)界有非常好的口碑。SL811HS是當(dāng)經(jīng)第一個支持USB 主從機(jī)的接口芯片，性能穩(wěn)定，資料全面。（1） 芯片特性 SL811HS是自動兼容USB全速或者低速的嵌入式USB主從機(jī)的接口芯片，它支持微處理器、微控制器或者DSP的USB接口設(shè)計，同時也可以直接連到ISA、PCMICA等其它總線8，芯片使用標(biāo)準(zhǔn)的USB1.1協(xié)議。SL811HS通過內(nèi)部集成的全/低速傳輸引擎產(chǎn)生USB串行接口功能，在全速時帶寬為12Mbps，低速時為1.5Mbps。芯片支持8位并行數(shù)據(jù)端口或者I/O口的設(shè)計，同時也支持DMA，自動中斷檢測連接口，可以非常容易地在MCS-51系列微處理器、摩托羅拉微控制器或者其它控制芯片上完成設(shè)計。總的來說具有如下特性：1. 可在軟件控制下，單一地實現(xiàn)主機(jī)或者從機(jī)功能，28腳PLCC，48腳TQFP封裝。 2. 低速1.5Mbps，高速12Mbps，主從模式下都一樣。 3. 自動檢測連接設(shè)備是否為高速或者低速。 4. 支持8位雙向并口傳輸，或者I/O口，DMA傳輸。 5. 片上集成SIE和USB傳輸器。 6. 片上集成了一個USB根集線器。 7. 256字節(jié)內(nèi)部SRAM,支持乒乓傳輸。 8. 工作頻率在12M或者48M，3.3伏供電，最高5伏耐壓接口。 9. 支持總線掛起、喚醒和掉電模式。 10. 自動產(chǎn)生SOF和循環(huán)冗余校驗，自動地址增長模式，保存讀寫周期。 SL811HS內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)見圖1.1（2）相關(guān)寄存器介紹 USB系統(tǒng)驅(qū)動的編程，實質(zhì)上就是對SL811HS的寄存器和一些緩存區(qū)的讀寫，SL811HS內(nèi)部一共有256個字節(jié)的緩存，高端240個字節(jié)作為通用內(nèi)存，可以隨意訪問，低端16個字節(jié)是特殊功能寄存器，USB的一些規(guī)范就融合在里面。SL811HS有A、B兩套并行的寄存器，功能和使用完全一樣，見表1.1。（3）接口電路 SL811HS既可以作為嵌入式的主機(jī)又可以作為設(shè)備，靈活性非常大。它可以直接連到處理器或者按內(nèi)存映射的方式接到ARM處理器上。硬件設(shè)計時候主要注意幾個關(guān)鍵引腳的處理：1. nCS：低電平有效，使能SL811HS接口和讀寫寄存器與內(nèi)存。必須使nCS在一個傳輸周期中至少要保持65納秒以上才能進(jìn)行有效的通信。 2. nWR：低電平有效，要使數(shù)據(jù)有效nWR也至少需要持續(xù)65個納秒以上。一但nWR 為低時，總線上的信息至少要保持5個納秒。 3. nRD：低電平有效，讀取數(shù)據(jù)之前，必須先寫入地址，nRD的最小周期是65個納秒。一但nRD為低時，總線上的信息至少要保持5個納秒。 4. A0：低電平時代表地址，高電平時代表數(shù)據(jù)。A0至少要保持10個納秒以上才能保證數(shù)據(jù)正確寫入。 5. INTRQ：高電平有效，當(dāng)傳輸事務(wù)完成，或者有外部設(shè)備接入時，就會觸發(fā)中斷。通過寫入中斷寄存器可以清除中斷。 6. nRest:低電平有效，SL811HS上電后需要復(fù)位。 常見8位嵌入式處理器和SL811HS的連接見圖1.2。SL811HS讀時序見圖1.3，寫時序見圖1.4。1.2.2 微處理器 本設(shè)計的主要目的是在普通單片機(jī)下能夠使用USB移動存儲，同時通過該系統(tǒng)的串口能夠完成讓外部的嵌入式設(shè)備也能使用USB移動存儲。主機(jī)處理器芯片選用兼容MCS-51指令的AT89C52，并外擴(kuò)一個32K的RAM。系統(tǒng)的功能設(shè)計見圖1.5。 AT89C52控制器主要是通過SL811HS對USB移動存儲進(jìn)行操作，外部控制按鈕（小鍵盤）輸入不同的值可以實現(xiàn)不同的功能，比如寫文件、讀文件、建立目錄或刪除文件等。RS232接口，主要是留給外部系統(tǒng)使用，其它的嵌入式系統(tǒng)只要接上該系統(tǒng)的串口，按照一定的命令格式就可以通過串口使用USB移動存儲。根據(jù)SL811HS容錯報告所知，SL811HS的內(nèi)部鎖相環(huán)非常敏感，易受高頻噪聲干擾，從而導(dǎo)致時鐘抖動，進(jìn)而會使SOF不準(zhǔn)確（標(biāo)準(zhǔn)周期為1毫秒）。解決這個問題有兩種措施：1. 盡量使用有源的48M晶體 2. 備選方案是使用無源48M晶振，同時在SL811HS的VDD腳加上適當(dāng)?shù)臑V波電容，并注意PCB的布線。1.3固件程序設(shè)計 USB主機(jī)系統(tǒng)固件的編寫比較繁瑣，主要涉及到USB控制傳輸、USB批量傳輸、海量存儲類協(xié)議、UFI磁盤操作命令和FAT文件系統(tǒng)的編寫，全部都是最底層的程序操作，沒有現(xiàn)成的類庫支持，故程序整體框架的搭建和具體協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織是非常關(guān)鍵的?；谝陨弦蛩?，構(gòu)建了系統(tǒng)的總體邏輯設(shè)計，見圖1.6。 這些協(xié)議或者命令層層相扣，每一層開發(fā)的優(yōu)劣不僅直接影響功能的實現(xiàn)，更會直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速度。該系統(tǒng)設(shè)計的主要難點在于軟件程序的編寫，由于牽涉的協(xié)議多，在編寫程序時要重視模塊化的思想，每一個具體的協(xié)議盡量都編寫在一個源文件里，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常量、變量最好定義在每個模塊的頭文件中。在調(diào)試USB 底層的控制傳輸時，可以充分利用Bus Hound工具抓取USB移動存儲剛插入計算機(jī)時與計算機(jī)通信的數(shù)據(jù)來分析、對比和參考開發(fā)，加深對USB整個底層信息交互的理解。1.3.1 USB總線枚舉協(xié)議的實現(xiàn) 任何USB設(shè)備連上USB主機(jī)后，都必須經(jīng)過USB主機(jī)的枚舉配置后才能正確使用。USB總線枚舉的步驟和方法，對于所有USB設(shè)備來說都是一樣的，必須遵守標(biāo)準(zhǔn)的USB協(xié)議過程，通過控制傳輸?shù)摹耙粏栆淮稹眮韺崿F(xiàn)主機(jī)和從機(jī)必要的幾個數(shù)據(jù)交流：獲取設(shè)備描述符、分配設(shè)備地址和配置設(shè)備?？刂苽鬏?shù)暮诵氖荢ETUP包，其結(jié)構(gòu)見表1.2。 1. bmRequestType:共一個字節(jié)，每一位代表一定的意義。第7位D7代表數(shù)據(jù)傳輸方向：D7=“0”，代表主機(jī)到設(shè)備（OUT），D7=“1”，代表設(shè)備到主機(jī)（IN）；D6和D5表示命令類型：D6D5=“00”表示標(biāo)準(zhǔn)請求，D6D5=“01”表示類請求，D6D5=“10”表示用戶定義的請求，D6D5=“11”保留值；D4-D0表示命令的接受者類型：D4D3D2D1D0=“00000”表示接受者為設(shè)備，D4D3D2D1D0=“00001”表示接受者為接口，D4D3D2D1D0=“00011”表示為其它接受者，D4D3D2D1D0 的其它值保留。 2. bRequest:請求命令代碼，在標(biāo)準(zhǔn)的請求命令中USB為每一個命令編了一個代號，見表3.3。 3. wValue:共2個字節(jié)，用戶自定義。 4. wIndex:共2個字節(jié)，用戶自定義。 總線枚舉的所有命令都是通過SETUP包發(fā)送出去的，在SL811HS中就是通過啟動DATA0把命令包發(fā)送出去。如果命令要求有數(shù)據(jù)傳輸，那么SETUP包后接著還有IN包或者OUT包可選數(shù)據(jù)發(fā)送，此時由于前面SETUP包已經(jīng)啟動了DATA0，這里就必須開啟DATA1，如果數(shù)據(jù)大于端點的最大數(shù)據(jù)載荷，那么就用DATA1/DATA0的方式交替來發(fā)送。主機(jī)和設(shè)備在接收到USB包時，首先就要根據(jù)包標(biāo)識域（PID）進(jìn)行解碼，進(jìn)而區(qū)分出是什么包。USB控制傳輸主要是SETUP包，同時還有相應(yīng)的IN包或OUT包；在控制傳輸完成之后接著是批量傳輸（BULK），這就是純粹的IN包或OUT包的傳輸了。這些包在主機(jī)固件里具體如何區(qū)分、實現(xiàn)呢？根據(jù)表2.1可以知道檢驗PID的值可以區(qū)分出SETUP、IN和OUT包。那么IN和OUT包到底是控制傳輸中的呢？還是批量傳輸中的呢？此時要明白，控制傳輸是所有USB主機(jī)或者設(shè)備開發(fā)中的必要傳輸，并且只能由默認(rèn)端點0來完成，所以可以在固件中判斷當(dāng)前信息交互的端點號就可以區(qū)分出IN和OUT包到底歸屬于哪一種傳輸。如果是批量傳輸中的IN包或者OUT包，那么可以直接啟動DATA0/DATA1來發(fā)送數(shù)據(jù)。USB枚舉程序底層數(shù)據(jù)包傳輸設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1.7。 形象點講USB主機(jī)枚舉的過程就是：首先獲取設(shè)備屬性，設(shè)備會返回18個數(shù)值（值中對固件有用的是最大包端點長度），然后為設(shè)備分配一個操作地址，地址范圍可以根據(jù)實際情況而定，并且配置設(shè)備，最后列舉設(shè)備端點，獲取設(shè)備的每一個端點號（地址）。枚舉的實質(zhì)目的就是想獲取設(shè)備的端點地址，靠它來完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)。獲取設(shè)備屬性、分配地址等枚舉請求命令都有標(biāo)準(zhǔn)說明（見表1.3）。 SL811HS 芯片必須初始化、復(fù)位后才能對設(shè)備進(jìn)行枚舉操作，實踐表明對SL811HS寄存器初始化的順序和延遲時間非常關(guān)鍵，會影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度。經(jīng)測試比較好的初始代碼如下：void S811Init(void) SL811Write(cDATASet,0xe0); /設(shè)定SOF計數(shù)器低8位 SL811Write(cSOFcnt,0xae); /設(shè)定主機(jī)工作模式 SL811Write(CtrlReg,0x5); /開SOF Delay(150); /延時 SL811Write(EP0Counter,0); SL811Write(IntEna,0x20); / 寫中斷寄存器 SL811Write(IntStatus,INT_CLEAR); /清楚中斷1.3.2 USB批量傳輸和海量存儲類協(xié)議的實現(xiàn) USB主機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)目的是使用USB移動存儲，涉及到大量文件數(shù)據(jù)的傳輸，所以應(yīng)該選擇USB批量傳輸（BULK）。批量傳輸用BULK端點進(jìn)行命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)的傳輸4，其流程結(jié)構(gòu)見圖1.8。CBW是命令塊封裝包，CSW是命令狀態(tài)封狀包，都是一系列包的集合。（1）CBWCBW的長度為31字節(jié)，包含了海量存儲類協(xié)議的磁盤操作命令，其結(jié)構(gòu)見圖1.9。dCBWSignature:是CBW的標(biāo)志，固定值為0x43425355，所有CBW的值在USB總線上傳輸?shù)臅r候都是按照LSB順發(fā)送的，即最先發(fā)送低位，然后發(fā)送高位。1. dCBWTag:由主機(jī)產(chǎn)生的并發(fā)送給設(shè)備，設(shè)備會將此值填入CSW的dCSWTag，以此返回給主機(jī)。 2. dCBWDataTransferLength:主機(jī)希望在批量端點上傳輸數(shù)據(jù)的大小。 3. bmCBWFlag:一個字節(jié)的位圖，D7=“0”時表示主機(jī)輸出數(shù)據(jù)，反之主機(jī)接受數(shù)據(jù)，D6沒有用到，D5-D0保留位。 4. bCBWLUN:接受命令的設(shè)備邏輯單元號。 5. bCBWCBLength:表示了CBWCB的長度，也就是磁盤操作命令的長度。 6. CBWCB:填入磁盤操作命令。 CBW是以二進(jìn)制位發(fā)送的，每個包必須是精確的31個字節(jié)，不滿足的要補(bǔ)0。(2) CSWCSW的長度為13字節(jié)，其結(jié)構(gòu)見圖1.10。1. dCSWSignature:是CSW的標(biāo)志，固定值為0x53425355，CSW的值也都是按LSB順序發(fā)送。 2. dCSWTag:命令狀態(tài)標(biāo)簽，該值與CBW中的dCBWTag值相同。 3. dCSWDataResidue:該字段表示dCBWDataTransferLength字段中主機(jī)希望的數(shù)據(jù)長度與實際發(fā)送的數(shù)據(jù)長度之間的差額。 4. bCSWStatus:表示命令執(zhí)行情況，見表1.4 （3）UFI UFI是Mass Storage 類的子類，支持海量存儲類的USB主機(jī)應(yīng)該實現(xiàn)這些子類命令。UFI子類命令是基于SFF-8070I和SCSI-2的，每個命令塊的長度均為12字節(jié)，UFI的各種命令及操作碼如表3.5。對USB移動存儲的所有操作都是經(jīng)過這些命令來完成的，UFI命令封裝于CBW中的CBWCB塊中,靠CBW傳輸出去,命令結(jié)果的狀態(tài)保存于CSW中,通過讀CSW相關(guān)結(jié)構(gòu)中的數(shù)值,就可以了解命令的最終執(zhí)行情況。UFI命令是標(biāo)準(zhǔn)的12字節(jié),命令結(jié)構(gòu)見圖1.11。 其中操作碼與表1.5中每一種命令相對應(yīng)。Lgical Unit Number（LUN），每一個設(shè)備上可能有很多個邏輯單元共享著該設(shè)備功能特性，設(shè)備上的邏輯單元都被連續(xù)從0X0-0XFF 進(jìn)行編號；Logical Block Address (LBA)， LBA的值從邏輯塊0連續(xù)遞增到最后一個邏輯塊，系統(tǒng)中LBA代表的就是移動存儲介質(zhì)的絕對扇區(qū)。注意LUN和LBA的字節(jié)發(fā)送順序都是MSB，在8位單片機(jī)里保持正常順序即可，CBW結(jié)構(gòu)定義如下：typedef struct _COMMAND_BLOCK_WRAPPER DWORD dCBW_Signature; DWORD dCBW_Tag; DWORD