在单片机上实现USB移动存储.docx
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在单片机上实现USB移动存储
在单片机上实现USB移动存储
第1章主要硬件芯片介绍
1.1系统总体设计
USB主机系统设计是一个软、硬件结合的整体，宏观上主要包括三个层次的设计：
USB总线物理层接口设计、USB核心系统设计和USB客户系统设计。
总线接口主要处理主机与设备之间的电气及协议层的互连，是信息包进出的物理桥梁；USB核心系统主要管理和协调主机与从机间的逻辑数据传输，解析双方联系的握手协议，是验证信息包的逻辑关卡；客户系统是最终用户直接和USB设备功能交互的逻辑平台，不同的USB设备归属于不同的类，是利用相关的类协议来实现的，所以客户系统驱动程序具有多变性，需要为专门的类定制专门的驱动程序。
在单片机上实现USB移动存储功能，具体包括USB主机接口的硬件设计和整机USB驱动固件的设计。
其中驱动固件的设计具体又包含几个协议的实现：
USB1.1控制传输协议、USBBULK传输协议、USB海量存储类协议、UFI磁盘操作命令和FAT文件系统标准等。
1.2硬件设计
1.2.1USB主控制器
USB主控制器主要是完成底层物理接口设计，是USB系统架构的必要部分，是USB数据包进出的必经通道。
本系统采用的USB主机芯片是Cypress公司的SL811HS。
Cypress公司是最早从事USB芯片开发的公司之一，其EZ-USB系列芯片在业界有非常好的口碑。
SL811HS是当经第一个支持USB主从机的接口芯片，性能稳定，资料全面。
（1）芯片特性
SL811HS是自动兼容USB全速或者低速的嵌入式USB主从机的接口芯片，它支持微处理器、微控制器或者DSP的USB接口设计，同时也可以直接连到ISA、PCMICA等其它总线[8]，芯片使用标准的USB1.1协议。
SL811HS通过内部集成的全/低速传输引擎产生USB串行接口功能，在全速时带宽为12Mbps，低速时为1.5Mbps。
芯片支持8位并行数据端口或者I/O口的设计，同时也支持DMA，自动中断检测连接口，可以非常容易地在MCS-51系列微处理器、摩托罗拉微控制器或者其它控制芯片上完成设计。
总的来说具有如下特性：
1.可在软件控制下，单一地实现主机或者从机功能，28脚PLCC，48脚TQFP封装。
2.低速1.5Mbps，高速12Mbps，主从模式下都一样。
3.自动检测连接设备是否为高速或者低速。
4.支持8位双向并口传输，或者I/O口，DMA传输。
5.片上集成SIE和USB传输器。
6.片上集成了一个USB根集线器。
7.256字节内部SRAM,支持乒乓传输。
8.工作频率在12M或者48M，3.3伏供电，最高5伏耐压接口。
9.支持总线挂起、唤醒和掉电模式。
10.自动产生SOF和循环冗余校验，自动地址增长模式，保存读写周期。
SL811HS内部电路结构见图1.1
（2）相关寄存器介绍
USB系统驱动的编程，实质上就是对SL811HS的寄存器和一些缓存区的读写，SL811HS内部一共有256个字节的缓存，高端240个字节作为通用内存，可以随意访问，低端16个字节是特殊功能寄存器，USB的一些规范就融合在里面。
SL811HS有A、B两套并行的寄存器，功能和使用完全一样，见表1.1。
（3）接口电路
SL811HS既可以作为嵌入式的主机又可以作为设备，灵活性非常大。
它可以直接连到处理器或者按内存映射的方式接到ARM处理器上。
硬件设计时候主要注意几个关键引脚的处理：
1.nCS：
低电平有效，使能SL811HS接口和读写寄存器与内存。
必须使nCS在一个传输周期中至少要保持65纳秒以上才能进行有效的通信。
2.nWR：
低电平有效，要使数据有效nWR也至少需要持续65个纳秒以上。
一但nWR 为低时，总线上的信息至少要保持5个纳秒。
3.nRD：
低电平有效，读取数据之前，必须先写入地址，nRD的最小周期是65个纳秒。
一但nRD为低时，总线上的信息至少要保持5个纳秒。
4.A0：
低电平时代表地址，高电平时代表数据。
A0至少要保持10个纳秒以上才能保证数据正确写入。
5.INTRQ：
高电平有效，当传输事务完成，或者有外部设备接入时，就会触发中断。
通过写入中断寄存器可以清除中断。
6.nRest:
低电平有效，SL811HS上电后需要复位。
常见8位嵌入式处理器和SL811HS的连接见图1.2。
SL811HS读时序见图1.3，写时序见图1.4。
1.2.2微处理器
本设计的主要目的是在普通单片机下能够使用USB移动存储，同时通过该系统的串口能够完成让外部的嵌入式设备也能使用USB移动存储。
主机处理器芯片选用兼容MCS-51指令的AT89C52，并外扩一个32K的RAM。
系统的功能设计见图1.5。
AT89C52控制器主要是通过SL811HS对USB移动存储进行操作，外部控制按钮（小键盘）输入不同的值可以实现不同的功能，比如写文件、读文件、建立目录或删除文件等。
RS232接口，主要是留给外部系统使用，其它的嵌入式系统只要接上该系统的串口，按照一定的命令格式就可以通过串口使用USB移动存储。
根据SL811HS容错报告所知，SL811HS的内部锁相环非常敏感，易受高频噪声干扰，从而导致时钟抖动，进而会使SOF不准确（标准周期为1毫秒）。
解决这个问题有两种措施：
1.尽量使用有源的48M晶体
2.备选方案是使用无源48M晶振，同时在SL811HS的VDD脚加上适当的滤波电容，并注意PCB的布线。
1.3固件程序设计
USB主机系统固件的编写比较繁琐，主要涉及到USB控制传输、USB批量传输、海量存储类协议、UFI磁盘操作命令和FAT文件系统的编写，全部都是最底层的程序操作，没有现成的类库支持，故程序整体框架的搭建和具体协议的数据结构的组织是非常关键的。
基于以上因素，构建了系统的总体逻辑设计，见图1.6。
这些协议或者命令层层相扣，每一层开发的优劣不仅直接影响功能的实现，更会直接影响数据传输的稳定性和速度。
该系统设计的主要难点在于软件程序的编写，由于牵涉的协议多，在编写程序时要重视模块化的思想，每一个具体的协议尽量都编写在一个源文件里，数据结构和常量、变量最好定义在每个模块的头文件中。
在调试USB底层的控制传输时，可以充分利用BusHound工具抓取USB移动存储刚插入计算机时与计算机通信的数据来分析、对比和参考开发，加深对USB整个底层信息交互的理解。
1.3.1USB总线枚举协议的实现
任何USB设备连上USB主机后，都必须经过USB主机的枚举配置后才能正确使用。
USB总线枚举的步骤和方法，对于所有USB设备来说都是一样的，必须遵守标准的USB协议过程，通过控制传输的“一问一答”来实现主机和从机必要的几个数据交流：
获取设备描述符、分配设备地址和配置设备。
控制传输的核心是SETUP包，其结构见表1.2。
1.bmRequestType:
共一个字节，每一位代表一定的意义。
第7位D7代表数据传输方向：
D7=“0”，代表主机到设备（OUT），D7=“1”，代表设备到主机（IN）；D6和D5表示命令类型：
D6D5=“00”表示标准请求，D6D5=“01”表示类请求，D6D5=“10”表示用户定义的请求，D6D5=“11”保留值；D4-D0表示命令的接受者类型：
D4D3D2D1D0=“00000”表示接受者为设备，D4D3D2D1D0=“00001”表示接受者为接口，D4D3D2D1D0=“00011”表示为其它接受者，D4D3D2D1D0的其它值保留。
2.bRequest:
请求命令代码，在标准的请求命令中USB为每一个命令编了一个代号，见表3.3。
3.wValue:
共2个字节，用户自定义。
4.wIndex:
共2个字节，用户自定义。
总线枚举的所有命令都是通过SETUP包发送出去的，在SL811HS中就是通过启动DATA0把命令包发送出去。
如果命令要求有数据传输，那么SETUP包后接着还有IN包或者OUT包可选数据发送，此时由于前面SETUP包已经启动了DATA0，这里就必须开启DATA1，如果数据大于端点的最大数据载荷，那么就用DATA1/DATA0的方式交替来发送。
主机和设备在接收到USB包时，首先就要根据包标识域（PID）进行解码，进而区分出是什么包。
USB控制传输主要是SETUP包，同时还有相应的IN包或OUT包；在控制传输完成之后接着是批量传输（BULK），这就是纯粹的IN包或OUT包的传输了。
这些包在主机固件里具体如何区分、实现呢？
根据表2.1可以知道检验PID的值可以区分出SETUP、IN和OUT包。
那么IN和OUT包到底是控制传输中的呢？
还是批量传输中的呢？
此时要明白，控制传输是所有USB主机或者设备开发中的必要传输，并且只能由默认端点0来完成，所以可以在固件中判断当前信息交互的端点号就可以区分出IN和OUT包到底归属于哪一种传输。
如果是批量传输中的IN包或者OUT包，那么可以直接启动DATA0/DATA1来发送数据。
USB枚举程序底层数据包传输设计结构见图1.7。
形象点讲USB主机枚举的过程就是：
首先获取设备属性，设备会返回18个数值（值中对固件有用的是最大包端点长度），然后为设备分配一个操作地址，地址范围可以根据实际情况而定，并且配置设备，最后列举设备端点，获取设备的每一个端点号（地址）。
枚举的实质目的就是想获取设备的端点地址，靠它来完成数据包的收发。
获取设备属性、分配地址等枚举请求命令都有标准说明（见表1.3）。
SL811HS芯片必须初始化、复位后才能对设备进行枚举操作，实践表明对SL811HS寄存器初始化的顺序和延迟时间非常关键，会影响到整个系统的稳定性和速度。
经测试比较好的初始代码如下：
voidS811Init（void）
{
SL811Write（cDATASet,0xe0）;//设定SOF计数器低8位
SL811Write（cSOFcnt,0xae）; //设定主机工作模式
SL811Write（CtrlReg,0x5）; //开SOF
Delay（150）; //延时
SL811Write（EP0Counter,0）;
SL811Write（IntEna,0x20）; //写中断寄存器
SL811Write（IntStatus,INT_CLEAR）; //清楚中断
}
1.3.2USB批量传输和海量存储类协议的实现
USB主机系统实现目的是使用USB移动存储，涉及到大量文件数据的传输，所以应该选择USB批量传输（BULK）。
批量传输用BULK端点进行命令、数据和状态的传输[4]，其流程结构见图1.8。
CBW是命令块封装包，CSW是命令状态封状包，都是一系列包的集合。
（1）CBW
CBW的长度为31字节，包含了海量存储类协议的磁盘操作命令，其结构见图1.9。
dCBWSignature:
是CBW的标志，固定值为0x43425355，所有CBW的值在USB总线上传输的时候都是按照LSB顺发送的，即最先发送低位，然后发送高位。
1.dCBWTag:
由主机产生的并发送给设备，设备会将此值填入CSW的dCSWTag，以此返回给主机。
2.dCBWDataTransferLength:
主机希望在批量端点上传输数据的大小。
3.bmCBWFlag:
一个字节的位图，D7=“0”时表示主机输出数据，反之主机接受数据，D6没有用到，D5-D0保留位。
4.bCBWLUN:
接受命令的设备逻辑单元号。
5.bCBWCBLength:
表示了CBWCB的长度，也就是磁盘操作命令的长度。
6.CBWCB:
填入磁盘操作命令。
CBW是以二进制位发送的，每个包必须是精确的31个字节，不满足的要补0。
（2）CSW
CSW的长度为13字节，其结构见图1.10。
1.dCSWSignature:
是CSW的标志，固定值为0x53425355，CSW的值也都是按LSB顺序发送。
2.dCSWTag:
命令状态标签，该值与CBW中的dCBWTag值相同。
3.dCSWDataResidue:
该字段表示dCBWDataTransferLength字段中主机希望的数据长度与实际发送的数据长度之间的差额。
4.bCSWStatus:
表示命令执行情况，见表1.4
（3）UFI
UFI是MassStorage类的子类，支持海量存储类的USB主机应该实现这些子类命令。
UFI子类命令是基于SFF-8070I和SCSI-2的，每个命令块的长度均为12字节，UFI的各种命令及操作码如表3.5。
对USB移动存储的所有操作都是经过这些命令来完成的，UFI命令封装于CBW中的CBWCB块中,靠CBW传输出去,命令结果的状态保存于CSW中,通过读CSW相关结构中的数值,就可以了解命令的最终执行情况。
UFI命令是标准的12字节,命令结构见图1.11。
其中操作码与表1.5中每一种命令相对应。
LgicalUnitNumber（LUN），每一个设备上可能有很多个逻辑单元共享着该设备功能特性，设备上的逻辑单元都被连续从0X0-0XFF进行编号；LogicalBlockAddress（LBA），LBA的值从逻辑块0连续递增到最后一个逻辑块，系统中LBA代表的就是移动存储介质的绝对扇区。
注意LUN和LBA的字节发送顺序都是MSB，在8位单片机里保持正常顺序即可，CBW结构定义如下：
typedefstruct_COMMAND_BLOCK_WRAPPER{
DWORD dCBW_Signature;
DWORD dCBW_Tag;
DWORD dCBW_DataXferLen;
BYTE bCBW_Flag;
BYTE bCBW_LUN;BYTE bCBW_CDBLen;
CBWCB CBWCommand;
BYTE Resverd[4];
}CBW,*PCBW;
CBWCB是具体的磁盘操作命令，大小为12字节，用联合体定义如下：
typedefunion_CBWCB{
READ Ufi_Read;
READ_CAPACITY Ufi_ReadCapacity;
WRITE Ufi_Write;
INQUIRY Ufi_Inquiry;
REQUEST_SENSE Ufi_RequestSense;
TEST_UNIT Ufi_TestUnit;
}CBWCB,*PCBWCB;
CSW状态返回值填充在各个字段域里面，定义如下：
typedefstruct_COMMAND_STATUS_WRAPPER{
DWORD dCSW_Signature;
DWORD dCSW_Tag;
DWORD dCSW_DataResidue;
BYTE bCSW_Status;
}CSW,*PCSW;
为了节约存储空间和提高效率再把CBW和CSW定义在一个联合体里面，如下：
typedefunion_Block{
CBW CbwBlock;
CSW CswBlock;
}BLOCK,*pBlock;
在程序中定义BLOCK idataBlockCommand，就可以访问CBW和CSW了。
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