基于USB控制器和FLASH存储器实现USB移动存储设备的系统设计

引言

自从USB规范发布以来，短短的几年中得到了极大的发展，基于USB接口的大容量存储设备（USB Mass Storage）应运而生。这类设备主要有：USB移动硬盘、USB外置光驱、USB外置软驱、USB闪存盘等。但是目前国内介绍这一方面开发的文章并不多。结合作者实践，本文将以Philips公司的USB控制器PDIUSBD12和Sumsung公司的闪存（Flash）K9F5608U0A为例，介绍开发大容量存储设备的方法。

1、USB大容量存储设备类

USB大容量存储设备类规范包括四个独立的子类规范，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。前两个子规范定义了数据/命令/状态在USB上的传输方法。Bulk-Only传输规范仅仅使用Bulk端点传送数据/命令/状态，CBI传输规范则使用Control/Bulk/Interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态传送。后两个子规范定义了对存储介质的操作命令。UFI命令规范是针对USB移动存储而制定的，实际上UFI命令格式是基于SFF-8070i和SCSI-2规范，总共定义了19个12字节长度的操作命令。

批量单独传输在大部分的通信中使用批量传输，只有在批量端点上清除一个Stall状况，以及传送类别特定请求（class-specific request）时才使用控制传输。需要注意的是，批量单独传输还支持两个特定的请求是：

◆ Bulk Only Mass Storage Reset——重置设备;

◆ Get Max Lun——取得设备支持的逻辑单元数目。

大容量存储类支持的设备都有不同的内部结构，控制与读取不同设备需要使用不同的命令区块群。表1列出大部分常用命令区块群命令的结构。

表1 大部分常用的命令结构

2、器件简介

2.1 USB控制器PDIUSBD12

PDIUSBD12是一个全速芯片，支持一个控制端点，以及四个额外的端点地址，一个端点的地址可以存储到128个字节，而双缓冲区可以存到256个字节。该芯片完全由软件控制，在外围设备的CPU送来一个命令来仿真连接总线之前，芯片都是维持与主机分离的状态。这样才能保证在开机后搜寻设备前，芯片有时间来初始化。另外，PDIUSBD12有一个状态输出可以连接到液晶显示器上，在建立USB连接时亮灯，而数据传输时闪烁。PDIUSBD12引脚图和逻辑框图分别如图1、2所示。

图1 PDIUSBD12引脚图

图2 PDIUSBD12逻辑框图

2.2 K9F5608U0A

K9F5608U0A是三星公司生产的K9XXXXXU0A系列闪存中的一种，32MB容量，读写速度快，数据保存时间长以及高达10万次的擦除写入寿命等优点。该芯片具有一个八位的I/O端口。在为低电平时，把置低，地址、命令和数据都可通过该端口写入。数据在的上升沿被锁存，CLE和ALE分别用来控制对命令和地址的锁存。同时K9F5608U0A具有较强的纠错功能，能够最大限度地保护用户数据。其内部框图和引脚图分别如图3、4所示。

图3 K9F5608U0A内部框图

图4 K9F5608U0A引脚图

各引脚功能如下：

I/O0 ~ I/O7——数据输入/输出;

CLE——命令锁存使能;

ALE——地址锁存使能;

——片选信号;

——写使能;

——写保护;

GND——地输入使能额外位;

R/B——准备好/忙;

VCC——电源;

VSS——地;

NC——悬空。

3、硬件电路设计

USB大容量存储设备通常使用一个USB接口引擎和MCU（微控制器）一起处理主机发送的命令，以及对存储设备进行操作。图5显示了一个USB大容量存储设备通常采用的硬件结构。ROM和RAM分别用于存储数据和程序， USB微控制器通过通用I/O线与闪存设备连接。微控制器除了实现与主机之间的数据/命令传输外，还需要根据主机的命令对闪存器件进行读/写/格式化，实现逻辑扇区与物理扇区之间的转换及数据错误校正等操作。

图5 USB大容量存储设备硬件结构框图

实例简图如图6所示。MCU采用内含ROM和RAM的微控制器8051，8051通过数据总线和控制总线与两个外设进行通信。PDIUSBD12通过8051和K9F5608U0A进行数据传输，此处采用PDIUSBD12的并行传输方式。

图6 USB大容量存储设备硬件结构实例简图

4、软件编写

USB微控制器除了传输处理及UFI命令处理等工作外，还需要处理如存储介质的寻址/格式化/数据校验等操作。本例中所需要的基本操作包括：

① 提供USB枚举信息;

② USB传输管理;

③ 根据主机的UFI命令，进行相应的处理;

④ 提供闪盘基本信息，如扇区大小、簇大小、闪盘容量等;

⑤ 逻辑簇（logical cluster）到物理块（physical block）的转换;

⑥ 物理块的读/写/更新，其中许多的软件功能是与闪存的操作相关的。

本例中用到的传输协议为USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport和USB Mass Storage Class UFI Command Specification。总程序流程图如图7所示。

图7 程序流程图

5、结论

本文结合实例，给出了一种开发USB移动存储设备的方法。由于USB移动存储设备具有使用方便、容量大、数据传输速度快等优点，因而具有广阔的市场前景。

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