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。

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。

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