摘要 簡要介紹USB（通用串行總線）大容量存儲設(shè)備類,給出USB控制PDIUSBD12和閃存K9F5608U0A的原理框圖,并以這兩個芯片為例設(shè)計出存儲設(shè)備的電路圖,最后列出程序流程圖。

關(guān)鍵詞 USB PDIUSBD12 K9F5608U0A 移動閃存

引言

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

1  USB大容量存儲設(shè)備類

　　USB大容量存儲設(shè)備類規(guī)范包括四個獨立的子類規(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三種類型的端點進行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)傳送。后兩個子規(guī)范定義了對存儲介質(zhì)的操作命令。UFI命令規(guī)范是針對USB移動存儲而制定的,實際上UFI命令格式是基于SFF-8070i和SCSI-2規(guī)范,總共定義了19個12字節(jié)長度的操作命令。

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

　　◆ 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  器件簡介

2.1  USB控制器PDIUSBD12

　　PDIUSBD12是一個全速芯片,支持一個控制端點,以及四個額外的端點地址,一個端點的地址可以存儲到128個字節(jié),而雙緩沖區(qū)可以存到256個字節(jié)。該芯片完全由軟件控制,在外圍設(shè)備的CPU送來一個命令來仿真連接總線之前,芯片都是維持與主機分離的狀態(tài)。這樣才能保證在開機后搜尋設(shè)備前,芯片有時間來初始化。另外,PDIUSBD12有一個狀態(tài)輸出可以連接到液晶顯示器上,在建立USB連接時亮燈,而數(shù)據(jù)傳輸時閃爍。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,讀寫速度快,數(shù)據(jù)保存時間長以及高達10萬次的擦除寫入壽命等優(yōu)點。該芯片具有一個八位的I/O端口。在為低電平時,把置低,地址、命令和數(shù)據(jù)都可通過該端口寫入。數(shù)據(jù)在的上升沿被鎖存,CLE和ALE分別用來控制對命令和地址的鎖存。同時K9F5608U0A具有較強的糾錯功能,能夠最大限度地保護用戶數(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;
　　——寫使能;
　　——寫保護;
　　GND——地輸入使能額外位;
　　R/B——準備好/忙;
　　VCC——電源;
　　VSS——地;
　　NC——懸空。

3  硬件電路設(shè)計

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

圖5  USB大容量存儲設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　實例簡圖如圖6所示。MCU采用內(nèi)含ROM和RAM的微控制器8051,8051通過數(shù)據(jù)總線和控制總線與兩個外設(shè)進行通信。PDIUSBD12通過8051和K9F5608U0A進行數(shù)據(jù)傳輸,此處采用PDIUSBD12的并行傳輸方式。

圖6  USB大容量存儲設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)實例簡圖

4  軟件編寫

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

　�、�  提供USB枚舉信息;
　　②  USB傳輸管理;
　�、�  根據(jù)主機的UFI命令,進行相應(yīng)的處理;
　�、�  提供閃盤基本信息,如扇區(qū)大小、簇大小、閃盤容量等;
　�、�  邏輯簇(logical cluster)到物理塊(physical block)的轉(zhuǎn)換;
　�、�  物理塊的讀/寫/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。源代碼見本刊網(wǎng)站www.dpj.com.cn。

圖7  程序流程圖

5  結(jié)論

　　本文結(jié)合實例,給出了一種開發(fā)USB移動存儲設(shè)備的方法。由于USB移動存儲設(shè)備具有使用方便、容量大、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點,因而具有廣闊的市場前景。

參考文獻

1  Sumsung Electronics. K9F5608U0A-YCB0 32M x 8 Bit NAND Flash Memory. 2000
2  USB Specification Revision 1.1. 1998
3  Universal Serial BusMass Storage Class Specification Overview Revision 1.1. 2000
4  PDIUSBD12用戶手冊. 2001

林茂六  博士生導(dǎo)師,研究方向為現(xiàn)代信號處理技術(shù)及應(yīng)用、大信號網(wǎng)絡(luò)分析。
許洪光  副教授,研究方向為高速AD及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字電路板故障診斷。
董鮮宏  碩士研究生,主要研究方向為高速USB數(shù)據(jù)傳輸、語音信號處理。