隨著USB規范的完善和成熟，USB外設的種類不斷豐富，應用領域也不斷擴大。在傳統的應用中，主要是PC扮演著主機的角色。根據USB的規范，可以看到在USB的拓樸結構中居于核心地位的是主機，每一次的數據傳輸都必須由主機發起和控制。但是隨著嵌入式產品應用領域的日益增長，USB外設的應用范圍也隨之擴大，為此在嵌入式系統中實現對USB外設控制也變得日益迫切。1 海量存儲類USB設備分為五個大類，即顯示器(monitors)、通信設備(communications devices)、音頻設備(audio)、人機輸入(human input)和海量存儲(mass storage)。通常所用的U盤、移動硬盤均屬于海量存儲類。海量存儲類的規范中包括四個獨立的子規范，即CBI Transprot、Bulk-Only Transport、ATA Command Block、UFI Command Specification。前兩個協議定義了數據/命令/狀態在USB總線上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸協議僅僅使用Bulk端點傳送數據/命令/狀態，CBI傳輸協議則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點進行數據/命令/狀態的傳送。后兩個協議定義了存儲介質的操作命令，ATA協議用于硬盤，UFI協議則針對USB移動存儲。本設計中所使用的U盤遵循Bulk-Only傳輸協議和UFI命令規范。2 實現方法2.1 硬件設計本設計采用SL811HS芯片完成對U盤的操作。SL811HS是Cypress公司推出的具有主/從兩種工作模式的USB控制器，遵循USB1.1規范；可自動檢測總線速率，支持全速12Mbps和低速1.5Mbps設備；具有8位雙向的數據總線，易與單片機連接；片內256字節的SRAM(其中16 字節用于工作寄存器)，用于數據傳輸；可自動產生SOF和CRC5/16，簡化軟件工作量；片內具有根Hub；支持掛起/喚醒工作模式，減少功耗；支持自動加1功能，減少數據讀寫周期；3.3V工作電源，接口可承受5V的工作電壓，可與多種規格的單片機連接。單片機與SL811HS接口的原理如圖1所示。2.2 軟件設計通過USB主控芯片對U盤操作的主要工作是在軟件方面，它需要對眾多規范、協議透徹的理解。下面主要通過軟件的工作流程來說明設計過程。2.2.1 SL811HS初始化SL811HS共有15個配置寄存器，其中0~4、8~C是USB-A、USB-B的工作配置寄存器，5、F是控制寄存器，6是中斷使能寄存器，D為狀態寄存器，E、F為SOF計數寄存器。各個寄存器的具體功能如表1所列。在SL811HS上電開始工作后，首先對USB總線復位(置寄存器5的位3為1，延時30ms后清零)，然后使能設備檢測中斷(置寄存器6為0x61)。2.2.2 設備檢測(1)軟件協議在設備檢測階段，主要通過setup結構的數據包(8字節長)向USB設備的控制端點0(默認端點)發送命令。數據包結構如表2所列。(2)實現過程當U盤插入USB插座時，SL811HS產生中斷，通過讀取中斷狀態寄存器可判斷中斷類型。當中斷類型表示為檢測到設備插入時，就可對USB設備即U盤進行配置了。此時還需使能SL811HS的1ms SOF(配置SL811HS的寄存器E=0xE0、F=0xAE，然后置位寄存器5的位0和寄存器0的位5)，以便進行數據幀的同步。在U盤未配置之前，其默認地址和默認控制端點均為0。利用setup數據包對U盤進行配置時，須將U盤的地址寫入SL811HS的寄存器4，將數據包的類型和U盤的控制端點寫入SL811HS的寄存器3。以下為對U盤配置過程的主要步驟。① 設備描述符(GetDeviceDescriptor)。請求設備描述符的setup數據包為通過讀取設備描述符，可獲得設備的子類(通用海量存儲類)、端點0的最大包長(一般為8字節)。② 讀取配置描述符(GetConfigDescriptor)。對于請求配置描述符，可以先進行首次請求，要求數據包長為9(一個配置描述符的長度)。數據包內容為接收到設備返回的數據，獲得此描述符的總長，然后再發二次請求，獲得全部描述符數據。數據包內容為此時返回的數據包括了設備配置、接口、端點的全部描述信息。此部分的內容包括Configuration Descriptor、Interface Descriptor和所有端點的Endpoint Descriptor。在配置描述符中，可獲得設備的屬性(總線供電)以及最大功耗；在接口描述符，可獲得設備的接口數量(只有一個數據接口)、接口類型 (海量存儲類)、接口子類代碼(UFI)、接口通信協議(Bulk-Only)；在端點描述符，可獲得設備的In和Out端點號及此端點的最大數據包長。③ 設置設備地址(SetAddress)。設置設備地址的setup數據包為設備地址為02或03(01一般用來表示設備為Hub)。到此，U盤的配置過程完成。此后的主機與USB設備之間的通信必須使用設置的地址，默認地址0不再有效，傳輸端點則為讀取的配置描述符中所定義的端點號。在配置過程中各類數據內容的正確性，可借助BusHound軟件工具捕捉PC機與U盤之間的活動數據，然后將自己獲得的數據包內容與之相比較。2.2.3 U盤文件系統識別(1)軟件協議在與U盤之間進行大量數據傳輸時，需要利用描述符提供的In、Out端點進行數據傳送，并遵循Bulk-Only傳輸協議。根據USB的協議規范，所有的傳輸都須由主機啟動。即主機首先向設備的OUT端點發送一命令(CBW數據包)，請求傳輸，格式如表3所列。在數據包中規定了下一步的數據傳輸方向。若為設備到主機，則當CBW發送成功后，從設備的In端點讀取CBW中規定長度的數據；若為主機到設備，則當CBW發送成功后，向設備的Out端點發送CBW中規定長度的數據。當主機與設備之間的數據傳送完畢后，主機還需從設備的In端點讀取傳送狀態，主機根據接收的CSW數據包即可判斷出通信是否正常。若返回的結果有錯誤，還須進行相應的出錯處理。CSW數據包結構如表4所列。(2)實現過程CPU向U盤發送CBW數據包，其中的命令塊為UFI規范所定義的Read(10)命令。讀取0柱0道1扇區共512字節的MBR數據，前446字節為主引導記錄，接著的64字節為DPT(Disk Partition Table盤分區表)，最后的2字節“55 AA”為有效結束標志。其中的DPT部分包含4個分區的數據結構，每個結構占16字節，具體定義如下：typedef struct{uchar BootFlag; //活動標志，80h為活動分區，0為非活動//分區CHS StartCHS; //分區開始的柱面、磁頭、扇區uchar SystemID; //分區類型CHS EndChs; //分區結束的柱面、磁頭、扇區ulong RelativeSectors; //分區起始扇區數ulong TotalSectors; //分區總扇區數}PartitionTable;從第一個分區數據結構的分區起始扇區數(relative sectors)的位置讀取512字節，為DBR(系統引導記錄)，包括一個引導程序和BPB(本分區的參數記錄表)。BPB參數塊記錄本分區的起始扇區、結束扇區、文件存儲格式、介質描述符、根目錄項數、FAT個數、保留扇區數、分配單元的大小等重要參數。根據保留扇區的數目可知 FAT表的位置(RelativeSectors+保留扇區數)。FAT表是文件組織結構的主要組成部分，反映了磁盤上所有簇的使用情況。在給一個文件分配空間時，總先掃描FAT，找到第一個可用簇，將該空間分配給文件，并將該簇的簇號填到目錄的相應段內；若文件大于一個簇，則在FAT表中此文件的首簇號位置填入下一個可用簇號，直到最后一個簇填入“FFFF”，即形成了簇號鏈。對于FAT12文件系統，簇號用12位表示；FAT16文件系統的簇號用16 位表示；FAT32文件系統的簇號用32位表示。根據FAT的個數以及每個FAT表占用的扇區數，即可推算出文件目錄表(FDT)的位置(FAT表位置+FAT表個數*FAT表所占扇區數)。FDT是文件組織結構的又一重要組成部分。目錄可看作是一種特殊的文件，數據結構為32字節，包括文件名、擴展名、文件屬性、時間、日期、開始簇號、文件長度等。根據根目錄中的目錄項數即可計算出數據區的起始扇區位置。這一部分占用了磁盤上的大部分空間，用于存儲各類文件的數據。對于FAT32文件系統來說，它的根目錄位置不單獨列出，而是等同于文件結構，保存在數據區中。這樣就沒有了目錄項的限制，不夠用的時候增加簇鏈，分配空簇即可。對于以上各類數據讀取內容的正確判斷，可將U盤插入PC機，借助WinHex工具，讀取磁盤上相應位置的數據內容，與之相比較。FAT16文件格式的U盤空間分配如圖2所示。2.2.4 文件操作因為U盤的容量不是特別大，所以基本上都使用FAT16文件系統。可以根據FAT16系統的磁盤特性進行各種操作。① 創建目錄。在根目錄區或指定的子目錄區中填加新目錄的數據結構。② 刪除目錄。在根目錄區或指定的子目錄區中找到所需刪除的目錄，并置相應標志。③ 寫文件。當寫一新文件時，需在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號寫入文件對應目錄數據結構中的起始簇號位置。當此文件長度大于一簇時，還需在FAT表中對應的起始簇號位置填入下一可用簇的簇號，直到文件的最后一簇(FAT表中的相應位置填FFFF)。若磁盤有備份FAT，還需在備份FAT表的相應位置填入正確的內容。④ 刪文件。刪除文件時，除了將該文件對應的目錄數據結構置相應標志外，還要修改FAT表及備份FAT表。將此文件使用的簇號位置清0，表示此簇當前未被使用。2.2.5 Bulk傳輸流程使用U盤的Bulk端點進行數據傳送，Bulk傳輸分為Bulk-In和Bulk-Out。其中Bulk-In指的是主機向外圍設備請求數據，由外圍設備向主機發送數據。Bulk-Out的傳輸方向與Bulk-In相反，由主機向外圍設備發送數據。根據UFI規范的定義，每次讀寫操作都以邏輯塊(扇區)為單位。一般U盤的一個扇區為512字節，而Bulk端點的最大包長為64字節，即一個扇區的讀寫操作需要8個循環才能完成。(1)Bulk-In流程Bulk-In流程如圖3所示。在接收設備數據的循環中，因為一個扇區的操作需要8次才能完成，因此要注意每接收一個數據包，都要將SL811HS寄存器0中的數據位(位6)變換一次。data1和data0交替使用。(2)Bulk-Out流程與Bulk-In流程差不多，只是在CBW數據包中，注明了下一階段的傳輸方向為主機到外圍設備。在CBW發送ACK之后，向設備的Out端點發送 PID-OUT數據包，使得設備接收所要傳送的數據。在數據傳輸完畢后，仍要向設備的In端點發送PID-IN數據包，讀取設備的CSW數據包，判斷傳輸結果，并進行相應處理。在發送數據的循環中，同樣要注意data0和data1的交替使用問題。結 語目前開發的在嵌入式系統中利用USB主控芯片實現與U盤的操作技術，已應用在我們自主開發研制的消防產品中。實現了消防控制器與U盤之間的各類信息的傳輸，為數據分析提供了有利的手段。在越來越多的消費類市場，這一技術必將有更為廣闊的應用前景。(mbbeetchina)