基于USB设备技术的移动硬盘设计.docx
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基于USB设备技术的移动硬盘设计
目录
目录……………………………………………………………………………………………..1.
设计总说明……………………………………………………………………………………..2.
INTRODUCTION………………………………………………………………………………3.
1绪论………………………..…………………………………………….……………….…4.
1.1简介……………………………………………………………………………………...4.
1.1.1移动硬盘的分类………………………………..………………………………..…4.
1.1.2移动硬盘的特点…………………………………..…………………………….…4.
1.1.2.1容量大………………………………………………………………………..4
1.1.2.2传输速率……………………………………………………………………..5
1.1.2.3使用方便……………………………………………………………………..5
1.1.2.4可靠性………………………………………………………………………..5
1.2发展……………………………………………………………………………………...5.
1.3趋势…………………………………………………………………………………..….5.
2USB技术…………………………………….………..………………………………….…7
2.1总线拓扑结构…………………………………………………………………………....7
2.2USB的物理层………………………………………….…………………………….......7.
2.3USB设备…………………………………………….……………………………….…..8
2.4Hub………………………………………………………………………………….…….8.
2.5USB主机…………………………………….…………………………………………...9
2.6USB通信原理…………………………………….……………………………………...9
2.6.1通信结构……………………………..…………………………………………....9.
2.6.2传输原理………………………………………………..…………………….…..10
2.6.3传输类型………………………………………..………………………………...11
3IDE接口………………………….…………..…………………………………………….13
3.1IDE的发展……………………………………………………………………………....13
3.2IDE引脚………………………………………………………………………………....13
3.2.1IDE引脚外观……………………………………………………………………..13
3.2.2引脚说明…………………………………………………..……………………...13
3.3数据传输模式……………………………………………………………………….…..15
4硬件连接…………………………………………………...…………………………….…16
4.1CY7C68300A芯片………………………………………………………….…………...16
4.1.1内部结构……………………………………………………………………….…16
4.1.2引脚……………………………………………..…………………………….…..17
4.2AT24C02芯片…………………………………………………………………………....21
4.3ATA-100……………………………………………………………………………….….21
4.4LM117……………………………………………………………………………….…...22
4.5电路原理图………………………………………………………………………….…..22
4.6PCB印制版图……………………………………………………………………….…...25
5总结…………………………………...………………………………………………….…26
鸣谢………………………………………………………………………………………….….27
参考文献…………………………………………………………………………………….….27
设计总说明
USB作为一种新型的接口技术，以其简单易用，速度快等特点而受青睐，尤其是基于USB接口的移动存储设备。
本文详细的介绍了设计USB接口的移动硬盘的过程。
本文共5章，分4部分。
第一部分是第1章绪论，主要介绍了移动硬盘的发展、特点和趋势，也借此说明本设计的实际意义。
第二部分是第2，3章的理论基础部分，主要介绍了USB拓扑结构，USB设备、主机、集线器，数据传输原理和传输类型，IDE数据传输模式。
第三部分是硬件连接，主要是电路原理图，还介绍了主要芯片的情况。
第4部分是第5章总结，总结本文的内容及自己的心得体会。
在实现电路中核心芯片是CY7C68300A，这是CYPRESS公司2004年7月公布的一款高端芯片，本电路设计了USB2.0高速传输的移动硬盘。
关键词：
USB；IDE；CY7C68300A
INTRODUCTION
USBtookonekindofnewconnectiontechnology,byitssimpleiseasytouse,thespeedisquickandsoonthecharacteristicreceivesfavours,inparticularbasedonUSBconnectionmigrationstoragedevice。
ThethisarticledetailedintroductionhasdesignedtheUSBconnectionthemotionharddiskprocess。
Thethisarticlealtogether5chapters,divide4parts.Thefirstpartisthe1stchapterofintroduction,mainlyintroducedmovestheharddiskthedevelopment,thecharacteristicandthetendency,alsoborrowsthistosaythemingdynastyprintedbooksdesignthepracticalsignificance.Thesecondpartis2nd,3chapterofrationalesarepartial,mainlyintroducedtheUSBtopology,theUSBequipment,themainengine,theconcentrator,thedatatransmissionprincipleandthetransmissiontype,theIDEdatatransmissionpattern。
Thethirdpartisthehardwareconnection,mainlyistheelectriccircuitschematicdiagram,butalsobriefedthemainchipsituation。
The4thpartisthe5thchapterofsummary,summarizesthisarticlecontentandownattainmentexperience.InrealizesintheelectriccircuitthecorechipisCY7C68300A,thisisasectionhighendchipwhichCYPRESSCorporationinJuly,2004announces,thiscircuitdesignUSB2.0highspeedtransmissionmotionharddisk.
KeywordS:
USB;IDE;CY7C68300A
基于USB设备技术的移动硬盘设计
电子信息工程，2002181420，刘瑜
指导老师：
王震宇
1绪论
当今社会已经进入数字时代，随着PC及其软件的日益升级、更新，特别是多媒体及网络技术正在以突破“摩尔”定律的气势突飞猛进的时候，人们开始将技术革命的矛头指向了传统的PC存储设备——软盘。
从当年IBMPC诞生之初到今天的网络时代，二十几年间PC历经了无数次技术变革，其中处理器、硬盘、内存等主要配件的技术参数皆成倍翻新，惟有软盘依旧保持着1.44M容量的本色。
但是现在，越来越庞大的多媒体文件和各种新兴的复合型文件正日益普及，已经成为日常电脑以及网络应用中最基本的文件形式，这使得传统的1.44M软盘逐渐力不从心。
因此，我们面临着另一个严峻的挑战——如何将大容量的文件或数据进行更加方便、快速且安全地存储及交流。
于是，一种新型的移动存储设备——移动硬盘诞生了，随之而来的就是一场便携存储技术的革命。
1.1简介
移动硬盘是以硬盘为存储介质，强调便携性的存储产品。
目前市场上绝大多数的移动硬盘都是以标准硬盘为基础的，而只有很少部分的是以微型硬盘（1.8英寸硬盘等），但价格因素决定着主流移动硬盘还是以标准笔记本硬盘为基础。
因为采用硬盘为存储介质，因此移动硬盘在数据的读写模式与标准IDE硬盘是相同的。
移动硬盘多采用USB、IEEE1394等传输速度较快的接口，可以较高的速度与系统进行数据传输。
1.1.1移动硬盘的分类
移动硬盘按不同的连接方式分为两大类。
（1）机架内置式移动硬盘。
这种硬盘内置于机箱的5英寸机架上，运转电力由机箱电源提供。
硬盘安放在一个可抽取的硬盘盒中，可抽出并随意移动。
此类硬盘盒一般内置普通硬盘，连接方式也与普通硬盘无异，因此对系统没有特殊要求，传输速度在所有移动存储方案中是最快的。
（2）外置式移动硬盘。
这种硬盘外置于机箱之外，由外接DC电源供电，通过USB或IEEE1394火线接口与计算机连接。
1.1.2移动硬盘的特点
1.1.2.1容量大
移动硬盘可以提供相当大的存储容量，是种较具性价比的移动存储产品。
目前市场中的移动硬盘能提供10GB、20GB、40GB等容量，一定程度上满足了用户的需求。
1.1.2.2传输速率
移动硬盘大多采用USB、IEEE1394接口，能提供较高的数据传输速度。
USB接口的最高传输速度可达12MB/S。
1.1.2.3使用方便
现在的PC基本都配备了USB功能，主板通常可以提供2～8个USB口，一些显示器也会提供了USB转接器，USB接口已成为个人电脑中的必备接口。
USB设备在大多数版本的WINDOWS操作系统中，都可以不需要安装驱动程序，具有真正的“即插即用”特性，使用起来灵活方便。
1.1.2.4可靠性
USB硬盘一般采用了IBM的玻璃盘片和巨阻磁头，并且在盘体上精密设计了专有的防震、防静电保护膜，使USB高端应用性能和抗震性能得以加强，从根本上提高了抗震能力、防尘能力和传输速度，更不用担心锐物、灰尘、高温或磁场等对USB硬盘造成伤害。
1.2发展
目前市场上流行的移动硬盘采用的都是现有固定硬盘的最新技术，主要由驱动器和盘片两部分组成，每一个盘片相当于一个硬盘，可以连续更换盘片，以达到无限存储的目的。
它们的设计原理是将固定硬盘的磁头在增加了防尘、抗震、更加精确稳定等技术后，集成在更为轻巧、便携并且能够自由移动的驱动器中，将固定硬盘的盘芯通过精密技术加工后统一集成在盘片中。
当把盘片放入驱动器时，就成为一个高可靠性的硬盘。
由于采用传统的硬盘技术，其盘片转速和数据传输速率要远远高于上述任何一款大容量软盘，盘片的使用寿命也更久。
移动硬盘是重要的移动存储设备，它具有大容量，插拔简便，安全性可靠性强，读写速度较其他移动存储设备快的特点。
随着各种产品的逐渐上市，价格也逐渐走低，移动硬盘越来越多的被人们所熟知，并且由于使用、携带方便的特点，被越来越多的人所接受。
据了解，移动硬盘在国内的兴起始于2000年，随着移动存储技术的深入发展，移动硬盘的品牌逐渐增多，像爱国者、朗科、纽曼、联想、城市骆驼、百事灵、清华同方等。
这些产品不仅性能出色，外观越来越轻薄时尚，而且价格也越来越便宜。
1.3趋势
（1）体积最小化，容量最大化
“体积最小化，容量最大化”可以说暗示着整个移动存储设备的发展趋势：
便于携带，超大空间。
IBM在1999年发布了容量为340MB的首个1英寸微型硬盘，到2000年容量增加到1GB，到目前为止，产品化的1英寸微型硬盘已经可以提供超过4GB的存储空间，而其盘体仅有5分钱人民币硬币大小，足以在各种小巧玲珑的消费电子产品上安家落户。
与此同时，目前已经基本成为移动硬盘标准配置的2.5英寸笔记本硬盘的最大容量也达到了80GB，几乎等同于目前主流台式机硬盘的容量。
（2）提速——数据的存取速度
移动硬盘的接口标准从USB1.1提升到USB2.0，是移动硬盘发展历程中的一个重要里程碑。
目前市场上越来越多的移动存储产品都开始支持USB2.0接口，USB2.0接口，数据传输速率能够达到480Mbps，大幅度提高了数据的传输速度。
（3）整合性多功能
由于激烈的竞争，许多移动存储的厂商开始思考整合性多功能的发展趋势。
移动存储产品并不一定要以单一产品形态而存在这一理念开始被接受。
许多功能概念正在附加到移动存储产品上，移动硬盘也不例外。
例如将MP3、录音等功能与存储功能整合在一起，满足消费者对数码技术产品的多种需求。
（4）安全存储
虽然与闪存相比，移动硬盘在防震，安全等性能上暂时处于劣势，但移动硬盘厂商们对于防震，抗摔等安全技术上的探索从来没有停止过。
同时，在市场上，也有越来越多的产品在往硬件加密方向上发展。
（5）时尚外观
移动硬盘的外观除了体积上越来越小，轻巧可爱以外，其材质的性能，手感，装饰，色彩，产品的外型，同样成为消费者们苛求的条件。
2USB技术
USB的全称是UniversalSerialBus，译为通用串行总线。
USB是一种外设总线，所不同的是，它由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC及NorthernTelecom等几家计算机和通信公司联合制定的，并成为了行业标准。
USB支持热插拔，即插即用的优点，所以USB接口已经成为移动硬盘的最主要的接口方式。
USB有两个规范，即USB1.1和USB2.0。
USB的概念可以分为两种。
一种是作为独特的计算机接口，USB具有其特有的从主机到底层设备的硬件支持及硬件制造规范；另一种是作为数据传输系统，USB需要构建自己的通信协议来描述主机系统和USB外围设备间的数据传输。
2.1总线拓扑结构[1][2]
USB总线的物理连接是一种分层的菊花链结构，集线器（hub）是每个星形结构的中心，PC机就是主机和根。
Hub用户可以将外设或附加的Hub与之相连这些附加的，Hub可以连接另外的外设以及下层，HubUSB支持最多5个Hub层以及127个外设。
图2.1描述了USB的物理拓扑结构从中可以看出每一段的连接都是点对点的。
图2-1USB的总线拓扑示意图
2.2USB的物理层[3]
USB的物理接口包括电气特性和机械特性
USB通过一个四线电缆来传输信号与电源如图2-2所示
其中D+和D-是一对差模的信号线，而VBus和GND则提供了5V的电源，它可以给一些设备（包括Hub）供电，当然要有一定的条件限制。
USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线而且最长不能超过5m，而在低速模式时中可以使用不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不能超过3m。
这主要是由于信号衰减的限制，为了提供信号电压保证以及与终端负载相匹配，在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载，这种终端负载也保证了能够检测外设与端口的连接或分离并且可以区分高速与低速设备。
所有的设备都有上行的接口，上行和下行的接口是不能互换的，这保证了不会有非法的连接出现。
插头与插座有两个系列分别为A和B系列，A用于基本固定的外围设备而系列B用于经常拔插的设备，这两个系列是不能互换的。
2.3USB设备
USB设备包括Hub和功能设备，而功能设备又可以细分为定位设备字符设备等等。
端点：
每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合主机只能通过端点与设备进行通讯以使用设备的功能，每个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区。
端点必须在设备配置后才能生效（端点0除外）。
管道：
一个USB管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接，它代表了一种在两者之间移动数据的能力，一旦设备被配置管道就存在了。
USB设备在可以使用之前必须对设备进行配置，一旦设备连接到某一个USB的节点上，USB就会产生一系列的操作来完成对设备的配置，这种操作被称为总线枚举过程。
（1）设备所连接的Hub检测出端口上有设备连接通过状态变化管道向主机报告。
（2）主机通过询问Hub以获取确切的信息。
（3）主机这时知道设备连接到哪个端口上，于是向这个端口发出复位命令。
（4）Hub发出的复位信号结束后，端口被打开，Hub向设备提供100mA的电源，这时设备上电所有的寄存器复位并且以缺省地址0以及端点0响应命令。
（5）主机通过缺省地址与端点0进行通讯，赋予设备一个独一的地址并且读取设备的配置信息。
（6）最后主机对设备进行配置，该设备就可以使用了。
2.4Hub
Hub在USB结构中是一个关键。
它提供了附加的USB节点，这些节点被称为端口。
Hub可以检测出每一个下行端口的状态并且可以给下端的设备提供电源。
每个USB集线器将一个连接点转化为多个连接点。
USB集线器作为一类特殊的USB设备，连接到USB系统中，一个USB系统支持一个或多个USB集线器的连接。
每个USB集线器都包含上游端口（UpstreamPort）和下游端口（DownstreamPort），上游端口是面向HOST方向进行连接的，而下游端口是面向USB设备进行连接的。
下游端口允许连接另外的集线器或功能部件USB集线器可检测每个下游端口的设备的连接或断开，并为下游端口的USB设备提供电源，每个下游端口都具有独立的能力，不论高速（仅仅USB2.0集线器才支持高速设备连接）.全速或低速USB设备均可连接。
USB集线器可将低速，全速和高速端口的信号分开，并做相应的处理。
2.5USB主机
USB主机是USB通信模式的核心，是整个USB系统的管理者，负责控制和调度连接到主机USB端口的全部设备的活动。
在任何USB系统中只有一个USB主机。
USB主机包括：
客户软件、USB系统软件和USB主机控制器3个层次。
客户软件负责提供用户界面；USB系统软件包括驱动程序和USB主控制器驱动程序，分别用来驱动面向客户的主机界面和主机控制器；主机控制器是USB总线在主计算机系统上的接口，通过硬件、固件和软件来共同实现用于支持主机与设备之间的交互。
2.6USB通信原理
USB协议所说的通信指的就是USB设备和USB主机之间的通信。
物理上，总线上的设备通过一条物理连线和主机通信，所有的设备共享这条物理链路。
逻辑上，主机给每个设备提供了一条逻辑的连接，每个设备都有这样一条点对点的连接。
为了细化USB的通信机制，USB协议的开发者采用了分层的概念，每一层传输的数据结构对其他逻辑层是透明的。
本节包括USB通信结构、传输原理、传输类型三部分。
2.6.1通信结构
为了更好的理解USB协议，将USB通信逻辑上分成了三层：
信号层、协议层和数据传输层。
信号层用来实现在USB设备和主机的物理连接之间传输位信息流的信息。
协议层用来实现在USB设备和USB主机端的协议软件之间传输包字节流的信息，它们在信号层被编码成NRZI位信息后传送出去。
数据传输层用来实现在USB主机端的客户端驱动程序和设备端的功能接口之间传输有一定意义的信息，这些信息在协议层被打包成包格式。
协议逻辑上将设备分成了三层实体：
总线接口、端点和功能接口。
2.6.2传输原理
数据传输是USB传输的最高层，它用来传输主机和设备之间完整意义的数据。
在主机和设备的数据传输过程中，它们之间的关系是不对等的，某个时刻只有被主机指定的设备中的指定端点能和主机进行通信，其他的端点和设备都要求等待。
数据传输发生在端点和主机之间建立起来的逻辑通道中，它对每个端点都是惟一的。
每个端点的数据传输不受其他端点的任何干扰。
多个端点和管道可以组成一组，称为接口，完成特定的功能，其作用相当于过去的设备。
和接口对应，主机的软件实体称为客户端驱动程序，其功能相当于过去的设备驱动程序。
在数据传输过程中，首先由客户端驱动程序发起一个输入输出请求（IRO），将它提交给USB协议软件。
协议软件将此请求划分成一个或多个数据传输，每个数据传输又分成多个事务处理。
当此请求所包含的所有数据传输都完成时，USB协议软件会通知客户端驱动程序请求结束。
2.6.3传输类型[4]
在USB规范中定义了四种数据传输方式：
控制传输方式、批量传输方式、中断传输方式和同步传输方式。
（1）控制传输
属于双向传输，数据量通常较小，它把非周期性的由主机软件发起的请求可靠地传送给USB设备，主要用来进行查询、配置和给设备发送通用的USB命令。
控制传输恒定占用总线10%的带宽，每个控制数据包最大为64字节，带有CRC校验的功能。
（2）批量传输
可以是单向或者双向的，特别适合非周期性大数据包的可靠传输，典型的应用是用来传输可以利用任何带宽的数据，而且当这些数据没有可用带宽时可以容忍等待。
它对准确性要求较高，最大数据包为64字节，通常应用于绘图仪、打印机和可移动存储器中。
图2-5批量传输的流程
（3）中断传输
主要用于定时查询设备是否有中断数据要传送，只传送或接收少量数据，而且并不经常传输；但它们通常有一个确定的服务周期，查询间隔在设备描述符中预先定义，对于低速设备，查询间隔为10ms~255ms。
中断传输要求通道的最大服务周期能够得到保证，同时由错误引起的重发在下一服务周期进行。
中断传输特别适合小规模数据、低速、低延迟的应用场合，常用于鼠标、键盘这类低速设备。
图2-6中断传输的流程
（4）同步传输
用于主机和设备之间周期性的、连续的通信，一般用于传送与时间相关的信息。
同步传输的最大数据包可以为1024字节，它对实时性的要求超过对准确性的要求，适合数据采集和音频、视频传输的应用场合，如USB摄像头、VoIP电话终端等。
3IDE接口
IDE是英文IntegratedDriveElectronics的缩写，翻译成中文叫做“集成驱动器电子”，它的本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器。
通常我们所说的IDE指的是硬盘等设备的一种接口技术。
IDE接口也叫ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口，现在PC（个人电脑）机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的，只需用一根40线电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。
把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易。
3.1IDE的发展
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