基于USB-Host的大容量數據采集系統的設計

引言
 
隨著(zhù)移動(dòng)數據存儲領(lǐng)域的日益擴大，在嵌入式系統中實(shí)現USB主機功能，以實(shí)現利用USB存儲設備進(jìn)行數據存儲的需求變得日益迫切。U盤(pán)作為新型移動(dòng)存儲設備，以體積小、速度高、抗震動(dòng)、通用性強的特點(diǎn)倍受青睞，因此，在數據采集系統中開(kāi)發(fā)出嵌入式USB主機控制U盤(pán)作為數據存儲器，將具有良好的實(shí)用價(jià)值和應用前景。 

1  USB大容量存儲設備協(xié)議分析

基于USB的大容量數據采集系統的設計，主要是要實(shí)現嵌入式USBHost。要想設計出能直接讀寫(xiě)U盤(pán)的嵌入式USBHost，就必須理解USB大容量存儲設備協(xié)議。目前USB大容量存儲設備軟件結構如圖1所示。  

圖1  USB大容量存儲設備軟件結構示意圖

圖1中，虛線(xiàn)左邊部分是主機的驅動(dòng)程序結構，也是嵌入式USBHost所要實(shí)現的。左邊最頂層是FAT文件系統層API ，用于提供給用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)存儲設備的方法。U盤(pán)中的數據都是以文件格式存儲的，FAT16因具有高度兼容性而被廣泛應用于移動(dòng)存儲設備中。這里簡(jiǎn)要分析一下FAT16文件系統結構和存儲空間的組織原則。 

  （1）  FAT16文件系統結構

FAT格式的磁盤(pán)大致可以分5個(gè)部分：MBR區、DBR區、FAT區、FDT區和DATA區。

MBR區： 又稱(chēng)主引導記錄，其后為64字節的DPT（Disk Partition Table，磁盤(pán)分區表）。由于不需要從U盤(pán)啟動(dòng)，且U盤(pán)就一個(gè)分區，所以U盤(pán)上沒(méi)有這個(gè)數據區。

DBR區： 即操作系統引導記錄區，通常占用分區的第0扇區，共512字節，由跳轉指令、BPB、結束標志幾部分組成。

FAT 區： 存放文件分配表。文件分配表是一一對應于數據區簇號的列表,反映了所有簇的使用情況。每個(gè)表項單元的大小決定了FAT的類(lèi)型,比如FAT16的表項單元為16位。FAT表一般都有一個(gè)備份。

FDT區： 存放著(zhù)文件目錄表,位于備份FAT表之后。FDT由32位的目錄項線(xiàn)性構成,記錄著(zhù)根目錄下每個(gè)文件（子目錄）的起始單元、屬性等。FDT大小為32個(gè)扇區，最多可以保存512個(gè)目錄項。

DATA區： 是真正意義上的數據存儲的地方，位于FDT之后,占據硬盤(pán)上的大部分數據空間。 

（2）  FAT16的存儲空間組織原則

當磁盤(pán)空間格式化為FAT分區時(shí)，FAT文件系統就將這個(gè)分區當成整塊可分配的區域進(jìn)行規劃，以便數據的存儲。FAT將磁盤(pán)空間以一定數目的扇區為單位進(jìn)行劃分，這樣的單位稱(chēng)為簇。通常情況下,每扇區512字節的原則是不變的。簇的大小一般是2n(n為整數)個(gè)扇區的大?。總€(gè)簇的最大存儲空間為32 KB）。一般采用邏輯塊LBA（Logical Block Addressing）尋址方式。

圖1虛線(xiàn)左邊中間的UFI/ATA驅動(dòng)層將應用程序的訪(fǎng)問(wèn)轉換成UFI或ATA命令/數據格式，與外部存儲設備之間按照子規范UFI或ATA的定義進(jìn)行命令/狀態(tài)/數據的交換；最底層則是USB傳輸驅動(dòng)，負責將上層的UFI/ATA數據發(fā)送到USB總線(xiàn)上以及接收從存儲設備返回的狀態(tài)/數據。CBI/BulkOnly/ATA/UFI是USB Mass Storage類(lèi)規范中4個(gè)獨立的子類(lèi)規范的簡(jiǎn)稱(chēng)。前兩個(gè)子規范定義了數據/命令/狀態(tài)在USB上的傳輸方法。BulkOnly傳輸規范僅使用Bulk端點(diǎn)傳送數據/命令/狀態(tài)，CBI傳輸規范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類(lèi)型的端點(diǎn)進(jìn)行數據/命令/狀態(tài)傳送。后兩個(gè)子規范則定義了存儲介質(zhì)的操作命令。ATA命令規范用于硬盤(pán)，UFI命令規范是針對USB移動(dòng)存儲而制定的。 

2  嵌入式USB-Host設計 

2.1  硬件設計

系統采用增強型8051內核的單片機STC89C516RD+作為中央處理芯片，選用南京沁恒電子公司的CH375S作為USB主機控制芯片。

STC89C516RD+具有64 KB的Flash程序存儲器，1 280字節的RAM（256字節的內部RAM和1 KB的外部RAM），支持在系統/在應用可編程(ISP，IAP)；CH375S是一款符合USB1.1協(xié)議規范的USB總線(xiàn)的通用接口芯片，支持USBHost主機方式和USBDevice/Slave設備方式。CH375S具有8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，因此CH375S作全速USBHost 主機接口時(shí)，外圍元器件只需要晶振和電容,就可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統總線(xiàn)上?？紤]到讀/寫(xiě)U盤(pán)或移動(dòng)硬盤(pán)時(shí)一般都是以扇區模式進(jìn)行的，所以要加磁盤(pán)數據緩沖區和文件數據緩沖區（都是512字節的整數倍），并且緩沖區越大，執行的效率越高，所以外擴了32 KB的RAM。

USB-Host電路如圖2所示。 

圖2  USBHost電路框圖

在圖2中，CH375S芯片的RD和WR可以分別連接到單片機的讀選通輸出引腳和寫(xiě)選通輸出引腳。CS可以直接由單片機I/O腳驅動(dòng)。INT輸出的中斷請求是低電平有效，可以連接到單片機的中斷輸入引腳或者普通I/O 引腳；單片機可以使用中斷方式或者查詢(xún)方式獲知中斷請求。這里用中斷方式，使用單片機的INTO。

當WR為高電平并且CS和RD及A0 都為低電平時(shí)，CH375S中的數據通過(guò)D7～D0輸出；當RD為高電平并且CS和WR及A0 都為低電平時(shí)，D7～D0上的數據被寫(xiě)入CH375S 芯片中；當RD為高電平并且CS和WR都為低電平而A0為高電平時(shí)，D7～D0上的數據被作為命令碼寫(xiě)入CH375S芯片中。 

2.2  軟件設計

CH375S不僅是一個(gè)通用的USBHost 硬件接口芯片，而且還內置了控制傳輸的協(xié)議處理器和處理MassStorage海量存儲設備的專(zhuān)用通信協(xié)議固件，支持BulkOnly傳輸協(xié)議和SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的USB 存儲設備,簡(jiǎn)化常用的控制傳輸。參考圖1，單片機程序主要是構建FAT文件系統。

設計文件系統，就是在指定的存儲介質(zhì)上，選擇一種或幾種數據組織方式，實(shí)現常用的幾個(gè)文件API函數功能，最終實(shí)現數據的按名存取。

從第一個(gè)分區數據結構的分區起始扇區數的位置讀取512字節，為DBR，包括一個(gè)引導程序和BPB參數塊。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(zhì)描述符、根目錄項數、FAT個(gè)數、保留扇區數和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(分區起始扇區數+保留扇區數)。根據FAT的個(gè)數以及每個(gè)FAT表占用的扇區數,即可算出FDT的位置(FAT表位置+FAT表個(gè)數