利用USB2.0的高性能移動存儲設(shè)備的設(shè)計

　　1．引言

　　閃存盤（FLASH MEMORY）是USB接口的一種典型應(yīng)用，1999年朗科研發(fā)出全球第一款USB閃存盤，成功啟動了全球閃存盤行業(yè)。由于閃存是一種基于半導(dǎo)體的存儲器，信息在斷電后可以保存，并且還具有低功耗、速度快、可擦寫性、高可靠性、低成本等特點，是高數(shù)據(jù)存儲密度的最佳選擇，在外部存儲領(lǐng)域、嵌入式系統(tǒng)、工控行業(yè)和信息家電業(yè)得到廣泛使用，如手機、數(shù)碼相機、MP3等。市場上的FLASH有多種技術(shù)來實現(xiàn)，其中最常用的有NAND（與非）和NOR（異或）兩種。

　　武漢電離層觀象臺的高頻多普勒與到達角探測分析系統(tǒng)在投入實際觀測后，獲得了一些很重要的觀測數(shù)據(jù)[1]，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元采用閃存作為數(shù)據(jù)移動存儲設(shè)備，實現(xiàn)與計算機的信息交互，完成數(shù)據(jù)的分析與處理。本文所討論的NAND FLASH存儲器與USB2.0控制器的硬件連接和軟件編程方法，在研究開發(fā)USB移動存儲器使其更穩(wěn)定安全地工作，具有重要的價值。本文首先介紹移動存儲設(shè)備的硬件設(shè)計部分，重點討論了該移動存儲設(shè)備的硬件接口設(shè)計，繼而給出固件程序的編程方法。其中設(shè)備固件的編寫是本設(shè)計的重點。

　　2.硬件實現(xiàn)

　　本移動存儲設(shè)備的USB2.0控制器采用ATMEL公司的AT89C5131芯片，數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)采用SAMSUNG公司的NAND FLASH 芯片K9K2G08U0A。

　　2.1 AT89C5131芯片特點

　　AT89C5131是ATMEL公司生產(chǎn)的基于80C52內(nèi)核的高性能內(nèi)置全速USB控制器的8位單CPU微處理芯片[2]，直接與MCS-51系列兼容，其內(nèi)部集成了32KB的Flash存儲器，可用于IN- System Programming；內(nèi)置4KB EEPROM，其中的1KB用于用戶數(shù)據(jù)的存儲，具有1個控制端口和6個普通可編程端口，并且支持控制傳送、同步傳送、中斷傳送和批量傳送四種傳輸方式。該芯片的優(yōu)點是采用開發(fā)者熟悉的結(jié)構(gòu)和指令集，處理能力強，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，調(diào)試方便。

　　2.2 K9K2G08U0A芯片特點

　　K9K2G08U0A存儲器芯片的總?cè)萘繛?256M +8192k)bit*8bit，分為2048扇區(qū)，每扇區(qū)又分為64頁，每頁除了2k字節(jié)的主存儲區(qū)外，還包括64字節(jié)的備用[3]。它以200μs/ 頁完成2112個字節(jié)的編程操作；還可以在2ms內(nèi)完成128k字節(jié)的擦除操作；同時隨機讀數(shù)時間是25μs；數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為I/O0-I/O7共 8根線；另外還分別提供了命令控制信號線；數(shù)據(jù)保存時間超過10年。NAND FLASH存儲器不會因為存儲容量的增加而增加引腳數(shù)目，從而極大方便了系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品升級，但芯片的連接方法與編程訪問同傳統(tǒng)存儲器相比仍有較大差異。

　　2.3 硬件原理圖

　　該系統(tǒng)的硬件部分由內(nèi)置USB控制器的單片機AT89C5131，SAMSUNG公司的NAND FLASH 芯片K9K2G08U0A組成，硬件原理圖如圖1所示。必須寫入相應(yīng)的命令才能順利執(zhí)行閃存的各種操作，由于數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8根線，因此地址、命令以及數(shù)據(jù)的輸入/輸出需要通過命令鎖存信號(CLE)和地址鎖存信號(ALE)共同控制從而分時復(fù)用。

　　I/O[7:0]：數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，該信號與AT89C5131芯片的P0[7:0]連接。

　?。簩懯鼓苄盘枴Ｔ谄渖仙貢r，命令、地址和數(shù)據(jù)鎖存到相應(yīng)的寄存器中。該信號與AT89C5131芯片的P3.6 信號連接。

　?。鹤x使能信號。在其下降沿時，輸出數(shù)據(jù)到I/O總線，同時，它還可以對內(nèi)部數(shù)據(jù)地址進行累加。該信號與AT89C5131芯片的P3.7 信號連接。

　　CLE：命令鎖存使能信號。當(dāng)CLE為高電平時，命令在 上升沿通過I/O端口送入命令寄存器。該信號與AT89C5131芯片的P1.0引腳連接。

　　ALE：地址鎖存使能信號。當(dāng)ALE為高電平時，地址在 上升沿送入地址寄存器。該信號與AT89C5131芯片的P1.1引腳連接。

　　：片選信號。用于控制設(shè)備的選擇。當(dāng)設(shè)備忙時 為高電平而被忽略，當(dāng)處于編程和擦除操作時設(shè)備不能回到備用狀態(tài)。該信號與AT89C5131芯片的P1.2引腳連接。

　　R/ ：準(zhǔn)備好/忙輸出。當(dāng)它為低電平時，表示編程、擦除和隨機讀操作正在進行，在操作完成后返回高電平；當(dāng)芯片沒被選中或輸出禁止時，其為高電平時。該信號與AT89C5131芯片的P1.3引腳連接。

　　3.固件設(shè)計實現(xiàn)

　　本文設(shè)計的USB移動存儲設(shè)備采用Bulk-Only傳輸方式，遵循UFI命令規(guī)范。移動存儲設(shè)備固件的主要功能是響應(yīng)USB總線的各種標(biāo)準(zhǔn)請求，向主機返回設(shè)備的狀態(tài)信息；同時，解析接收到的SCSI命令，進行相應(yīng)的命令處理和數(shù)據(jù)讀寫操作。固件設(shè)計采用中斷驅(qū)動，當(dāng)AT89C5131從總線上接收到請求包時，通過調(diào)用相應(yīng)的中斷事件處理函數(shù)來實現(xiàn)，后臺處理USB傳輸，從而保證了閃存的快速讀寫速率。主要中斷事件有：

　　(1)主循環(huán)等待USB中斷，設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位。移動存儲設(shè)備插入主機后，主機向移動閃存的控制斷點0發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)請求，固件進入標(biāo)準(zhǔn)請求處理函數(shù)，設(shè)備回送給主機所要求的相應(yīng)描述符，調(diào)用相關(guān)驅(qū)動程序。

　　(2)當(dāng)USB主機通過Bulk-In端口讀取閃存數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生Bulk-In端口中斷。

　　(3)當(dāng)AT89C5131通過Bulk-Out端口接收到主機發(fā)送的命令字CBW后，觸發(fā)Bulk-Out端口中斷。

　　3．1 響應(yīng)USB總線標(biāo)準(zhǔn)請求

　　當(dāng)USB移動存儲設(shè)備接入主機后，USB主機控制器對設(shè)備進行總線枚舉過程，首先向設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)USB請求GET_DESCRIPTOR來獲得最大數(shù)據(jù)包長度；接著發(fā)出SET ADDRESS請求，為設(shè)備分配地址；使用新分配的地址再次發(fā)出GET_DESCRIPTOR請求，讀取設(shè)備的配置信息[4]，如設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端口描述符和字符串描述符等，并選擇合適的驅(qū)動程序；最后，發(fā)出SET CONFIGURATION請求配置端口屬性。

　USB設(shè)備通過控制端口響應(yīng)USB標(biāo)準(zhǔn)請求，實現(xiàn)主機和設(shè)備間的通信。除控制端口外，Bulk-Only傳輸方式還需支持Bulk-In和Bulk-Out端口。端口初始化代碼如下：

　　void Usb_Init(void)

　　{

　　UEPNUM=0x00;??? UEPCONX=0x80;

　　//端口0，控制端口

　　UEPNUM=0x01;??? UEPCONX=0x86;

　　//端口1，Bulk-In端口

　　UEPNUM=0x02;??? UEPCONX=0x82;

　　//端口2，Bulk-Out端口

　　UEPRST=0x07;???? UEPRST= 0x00;//端口復(fù)位

　　UEPIEN=0x07;????? USBIEN|=EEOFINT;

　　USBADDR=FEN;???????? //功能使能位

　　}

　　當(dāng)控制端口配置成功后，主機會發(fā)出Inquiry、Mode_Sense、Read_Capacity等請求，提供閃盤基本信息，如扇區(qū)大小、簇大小、閃盤容量等，當(dāng)請求結(jié)果正確后，便會發(fā)出Read(10)命令，進入文件系統(tǒng)識別階段。

　　3．2 解析SCSI命令并處理

　　UFI 命令規(guī)范基于 SFF-8070i 和 SCSI-2 的規(guī)范，總共定義了19個固定12字節(jié)長度的操作命令，用于 USB主機和 USB 移動存儲設(shè)備之間進行命令字CBW (Command Block Wrapper)、普通數(shù)據(jù)、狀態(tài)字CSW (Command Status Wrapper)的交換。

　　USB移動存儲設(shè)備接收到來自于USB主機Bulk-Out端口發(fā)給其的CBW命令字后，按照SCSI的命令格式進行解析，得到其中的命令信息，如：格式化設(shè)備、查詢設(shè)備信息、讀寫設(shè)備等，對移動存儲設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的命令后，向主機Bulk-In端口返回狀態(tài)字 CSW，報告命令執(zhí)行情況，主機根據(jù)反饋的狀態(tài)字決定是否繼續(xù)發(fā)送命令字或是數(shù)據(jù)。

　　3．3 閃存的操作實現(xiàn)

　　K9K2G08U0A芯片以頁為單位來進行讀寫，以塊為單位進行擦除。K9K2G08U0A支持的操作主要有幾種：讀操作(Read)、頁編程(Page Program)、緩存編程(Cache Program)、塊擦除(Block Erase)、塊復(fù)制(Copy-Back Program)、隨機數(shù)據(jù)輸入(Random Data Input)、隨機數(shù)據(jù)輸出(Random Data Output)、復(fù)位(Reset)、讀設(shè)備號(ReadID)、讀狀態(tài)(Read Status)等操作。在進行寫操作之前，必須對寫單元所在塊進行擦除，因此事先需要對所擦除塊內(nèi)容進行保存。

　　如果閃存存在壞塊，則在進行讀、頁編程、塊擦除、塊復(fù)制等操作時會失敗，因此對壞塊要進行提前檢測并進行標(biāo)注。芯片在出廠時，在每塊的第一頁和第二頁的2048列的首字節(jié)做出好壞標(biāo)記，如果標(biāo)志位不是FFh則為壞塊，基于此建立壞塊列表。

　　基于篇幅的原因，這里以寫操作過程為例描述閃存使用方法。一般閃存的使用順序是：塊擦除-編程-多次讀取-塊擦除…， 對K9K2G08U0A芯片進行數(shù)據(jù)寫的步驟如下：(1)將寫入數(shù)據(jù)扇區(qū)地址與壞塊列表對照，檢查錯誤扇區(qū)。若存在壞區(qū)，則繼續(xù)檢查下一扇區(qū)；(2)開辟緩沖區(qū)域，將寫入數(shù)據(jù)扇區(qū)的原始數(shù)據(jù)利用Copy-Back Program方式保存到緩沖區(qū)；(3) 利用Block Erase擦除要寫入的數(shù)據(jù)扇區(qū)；(4) 利用 Page Program操作將主機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫到閃存中；(5)利用Copy-Back Program操作將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入指定扇區(qū)。

　　K9K2G08U0A編程器件以頁為單位編程，它允許在單頁編程周期中對部分頁或一個甚至連續(xù)的多達2112個連續(xù)字節(jié)編程。一個頁編程周期由2個階段組成[3]：(1)串行數(shù)據(jù)加載階段：數(shù)據(jù)被加載到數(shù)據(jù)寄存器中，以輸入命令80h為標(biāo)志，緊接著是5個字節(jié)的地址輸入和串行數(shù)據(jù)加載；(2)非易失性的編程階段：命令10h標(biāo)志著該編程階段的開始，將已加載的數(shù)據(jù)寫入實際的存儲單元，編程典型時間為200μs。之后R/ 跳低，進入閃存內(nèi)部編程，最后進入讀狀態(tài)確認操作，命令70h表示讀狀態(tài)命令，I/O0表示讀到的狀態(tài)。頁編程實現(xiàn)代碼如下：

　　void PageWrite(void )?? //頁編程

　　{

　　CheckBlock(startpage);?? //檢測壞塊列表

　　if(FirstP)

　　// FirstP為1，開始對一頁進行寫操作，否則為0

　　{//片選信號有效

　　F_CE=0; F_RE=1; F_ALE=0;F_CLE=1;F_WE=0;

　　OutputCommand(0x80);?? //輸入命令0x80

　　F_WE=1;

　　F_ALE=1;//發(fā)送地址開始

　　AddrOut (addr1); //得到頁地址，五個周期

　　AddrOut (addr2); AddrOut (addr3); AddrOut (addr4); AddrOut (addr5);

　　F_ALE=0;

　　FirstP =0; }

　　WriteData(BuffBlock);?? //將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)

　　FlagWrite =0;

　　Do{

　　F_WE=0;

　　WriteFlash();????? //將數(shù)據(jù)寫入flash

　　FlagWrite++;

　　F_WE=1;

　　}while(FlagWrite<64);? //寫滿一頁數(shù)據(jù)

　　OutputCommand (0x10);?? //輸入命令0x10

　　while(!F_RB);???? //等待讀信號有效

　　OutputCommand (0x70);?? //輸入命令0x70

　　Wait();

　　F_CE=1;??? //片選結(jié)束

　　startpage++;??? //繼續(xù)寫下一頁

　　FirstP =1;

　　}

　　4．結(jié)束語

　　本文在充分研究USB2.0協(xié)議、Bulk-Only傳輸協(xié)議和SCSI指令規(guī)范的基礎(chǔ)上，設(shè)計出USB2.0高性能移動存儲設(shè)備。本文作者創(chuàng)新點：將FLASH作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的存儲單元，應(yīng)用在與計算機交互數(shù)據(jù)的采集過程之中；并采用中斷驅(qū)動設(shè)計固件程序，提高了讀寫效率。實驗證明，其性能穩(wěn)定可靠，讀寫數(shù)據(jù)速度達到了令人滿意的效果。移動數(shù)據(jù)的交換和存儲是目前IT行業(yè)的熱點，可以在此基礎(chǔ)上，不斷完善現(xiàn)有設(shè)計方案，繼續(xù)研究開發(fā)嵌入式USB主機系統(tǒng)，使得在PC機不參與的情況下同樣可以進行數(shù)據(jù)的存儲與交換。