摘要 简要介绍USB（通用串行总线）大容量存储设备类,给出USB控制PDIUSBD12和闪存K9F5608U0A的原理框图,并以这两个芯片为例设计出存储设备的电路图,最后列出程序流程图。

关键词 USB PDIUSBD12 K9F5608U0A 移动闪存

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。源代码见本刊网站www.dpj.com.cn。

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。

参考文献

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用户手册. 2001

林茂六  博士生导师,研究方向为现代信号处理技术及应用、大信号网络分析。
许洪光  副教授,研究方向为高速AD及数据采集系统、数字电路板故障诊断。
董鲜宏  硕士研究生,主要研究方向为高速USB数据传输、语音信号处理。