摘要 簡要介紹USB（通用串行總線）大容量存儲設備類,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計出存儲設備的電路圖,最后列出程序流程圖。

關鍵詞 USB PDIUSBD12 K9F5608U0A 移動閃存

引言

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

1  USB大容量存儲設備類

　　USB大容量存儲設備類規范包括四個獨立的子類規范,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。前兩個子規范定義了數據/命令/狀態在USB上的傳輸方法。Bulk-Only傳輸規范僅僅使用Bulk端點傳送數據/命令/狀態,CBI傳輸規范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點進行數據/命令/狀態傳送。后兩個子規范定義了對存儲介質的操作命令。UFI命令規范是針對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規范,總共定義了19個12字節長度的操作命令。

　　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——重置設備;
　　◆ Get Max Lun——取得設備支持的邏輯單元數目。

　　大容量存儲類支持的設備都有不同的內部結構,控制與讀取不同設備需要使用不同的命令區塊群。表1列出大部分常用命令區塊群命令的結構。

表1  大部分常用的命令結構

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,而雙緩沖區可以存到256個字節。該芯片完全由軟件控制,在外圍設備的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。這樣才能保證在開機后搜尋設備前,芯片有時間來初始化。另外,PDIUSBD12有一個狀態輸出可以連接到液晶顯示器上,在建立USB連接時亮燈,而數據傳輸時閃爍。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是三星公司生產的K9XXXXXU0A系列閃存中的一種,32MB容量,讀寫速度快,數據保存時間長以及高達10萬次的擦除寫入壽命等優點。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、命令和數據都可通過該端口寫入。數據在的上升沿被鎖存,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據。其內部框圖和引腳圖分別如圖3、4所示。

圖3  K9F5608U0A內部框圖

圖4  K9F5608U0A引腳圖

　　各引腳功能如下：

　　I/O0 ~ I/O7——數據輸入/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  硬件電路設計

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

圖5  USB大容量存儲設備硬件結構框圖

　　實例簡圖如圖6所示。MCU采用內含ROM和RAM的微控制器8051,8051通過數據總線和控制總線與兩個外設進行通信。PDIUSBD12通過8051和K9F5608U0A進行數據傳輸,此處采用PDIUSBD12的并行傳輸方式。

圖6  USB大容量存儲設備硬件結構實例簡圖

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的尋址/格式化/數據校驗等操作。本例中所需要的基本操作包括：

　　①  提供USB枚舉信息;
　　②  USB傳輸管理;
　　③  根據主機的UFI命令,進行相應的處理;
　　④  提供閃盤基本信息,如扇區大小、簇大小、閃盤容量等;
　　⑤  邏輯簇(logical cluster)到物理塊(physical block)的轉換;
　　⑥  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的。

　　本例中用到的傳輸協議為USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport和USB Mass Storage Class UFI Command Specification。總程序流程圖如圖7所示。源代碼見本刊網站www.dpj.com.cn。

圖7  程序流程圖

5  結論

　　本文結合實例,給出了一種開發USB移動存儲設備的方法。由于USB移動存儲設備具有使用方便、容量大、數據傳輸速度快等優點,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  博士生導師,研究方向為現代信號處理技術及應用、大信號網絡分析。
許洪光  副教授,研究方向為高速AD及數據采集系統、數字電路板故障診斷。
董鮮宏  碩士研究生,主要研究方向為高速USB數據傳輸、語音信號處理。