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、USB BULK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Bus Hound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。
1.3.1 USB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。

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