USB海量存儲類(lèi)設備功能在A(yíng)RM系統中的應用

　　基于上述原因，本文重點(diǎn)論述基于USB的海量存儲(USB Mass Storage)設備功能在ARM嵌入式系統中設計和應用。使用該設備功能，上位機可以像讀寫(xiě)普通U盤(pán)一樣對于系統采集并存儲在FLASH中的數據進(jìn)行讀寫(xiě)。

　　1 硬件方案

　　l.1 器件簡(jiǎn)介

　　S3C44B0X[1]是SAMSUNG公司出品的基于ARM7TDMI內核的RISC型微處理器，8 kB指令和數據共享的緩存，主頻可達66 MHz，可以運行16位的Thumb指令和32位的ARM指令，且接口豐富，具有通用性。

　　K9F2808U0C[2]是SAMSUNG公司生產(chǎn)的一款Nand型閃存芯片，容量為16 MB，讀寫(xiě)速度快，數據保存時(shí)間長(cháng)，可擦寫(xiě)10萬(wàn)次，在嵌入式系統中有著(zhù)廣泛的應用，主要是負責數據存儲。

　　PDIUSBDl2[3]是PHILIPS公司生產(chǎn)的帶有并行總線(xiàn)和局部DMA傳輸能力的全速USB接口芯片，符合USB1.1版規范，可以與任何外部MCU／MPU實(shí)現并行接口，傳輸速度可達2 MB／s。該USB芯片有1個(gè)控制端點(diǎn)和2個(gè)普通端點(diǎn)。

　　1.2 硬件連接圖

　　硬件連接如圖1所示。在該系統中，FLASH芯片K9F2808U0C負責嵌入式系統中的數據存儲；處理器S3C44B0X執行底層固件代碼；USB接口芯片PDIUS-BDl2負責設備與上位機的通訊。這樣系統采集并存儲在閃存芯片中的數據便可以通過(guò)USB接口傳輸到上位機。

　　2 軟件實(shí)現

　　要實(shí)現實(shí)驗系統與上位機的USB通訊，首先要正確設計PDIUSBD12的底層固件程序。而要實(shí)現系統的海量存儲設備功能，還要有FLASH的讀寫(xiě)操作代碼和實(shí)現海量存儲設備類(lèi)規范的代碼。下面從這3個(gè)方面來(lái)分析。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為ARM公司的ADS1.2，USB監控和測試軟件為BUS Hound。

　　2.1 PDIUSBD12固件編程

　　PDIUSBDl2固件結構和數據流向如圖2所示。結構圖中的硬件提取層是固件中的最底層代碼，負責對處理器與PDIUSBDl2相連接的I／O口進(jìn)行操作，以通知PDI-USBD12接下來(lái)處理器將對其進(jìn)行命令操作或是數據操作。而命令接口層是基于硬件提取層的一套對PDIUS-BDl2進(jìn)行操作的子程序，可以方便上層程序的編寫(xiě)。

　　當PDIUSBD12向處理器發(fā)出中斷請求時(shí)，處理器讀取中斷寄存器，根據中斷源調用相應的中斷服務(wù)處理程序，中斷服務(wù)處理程序設置相應的事件標志，如果有數據傳輸并作相應的數據處理。

　　根據USB協(xié)議[4]，控制端點(diǎn)0用來(lái)負責設備的枚舉，如獲取設備各種描述符、設置地址、獲取海量存儲設備的邏輯單元數目和復位設備等操作。這些操作是通過(guò)中斷和主循環(huán)共同完成的。這里端點(diǎn)1未用到，可以忽略其中斷。端點(diǎn)2是主端點(diǎn)，用作Bulk-Only傳輸。在端點(diǎn)2的中斷處理程序中實(shí)現Bulk-Only傳輸及命令解析和執行。

　　其中，中斷服務(wù)處理程序與主循環(huán)通過(guò)一個(gè)名為ControlData的結構體變量進(jìn)行通訊。主循環(huán)初始化I／O口、事件標志bUSBFlags、建立包數據緩沖區、定時(shí)器和中斷，重新連接USB總線(xiàn)后進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)，當該循環(huán)輪詢(xún)到某事件標志被置位時(shí)便進(jìn)行相應的處理。特別是在設備枚舉中當建立標志被置位時(shí)，根據設備請求的類(lèi)型域ControlData，DeviceRequest，bmRequestType來(lái)確定是標準設備請求、廠(chǎng)商設備請求還是類(lèi)型設備請求，再根據請求類(lèi)型進(jìn)行相應的調用。

　　2.2 K9F2808U0C讀寫(xiě)操作

　　K9F2808U0C共有1 024塊，每塊32頁(yè)，每頁(yè)528 B，其中512 B用于存放數據，另外16 B用于存放信息，如塊的好壞標記、塊邏輯地址和ECC校驗和等。FLASH讀寫(xiě)有其自身的特點(diǎn)，讀寫(xiě)都以頁(yè)為單位，可以隨機讀，但無(wú)法隨機寫(xiě)，寫(xiě)操作前必須把寫(xiě)單元所在的塊擦除。

　　因此，對于該閃存的讀操作可以采取直接讀取來(lái)處理；而對于寫(xiě)操作，則通過(guò)設置塊 緩沖來(lái)解決，以減輕系統的任務(wù)和對FLASH的擦除次數。寫(xiě)操作的基本思想是：設置一個(gè)塊緩沖區，待寫(xiě)數據先寫(xiě)入緩沖區對應的頁(yè)地址，當緩沖區中待寫(xiě)數據的頁(yè)地址到達31或者頁(yè)地址未滿(mǎn)31但傳輸已經(jīng)結束時(shí)，先將目標塊中待寫(xiě)頁(yè)以外的有關(guān)數據保存到緩沖區對應的頁(yè)地址，然后擦除整塊，最后將緩沖區的數據拷貝到該塊。寫(xiě)操作流程如圖3所示。

　　2.3 海量存儲規范實(shí)現

　　海量存儲設備必須符合海量存儲設備類(lèi)規范，該規范包括4個(gè)獨立的子類(lèi)規范，本設計中用到其中的2個(gè)子類(lèi)規范：一是USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport規范[5]；二是USB Mass Storage Class UFI Command規范。

　　前者定義了數據／命令／狀態(tài)在USB總線(xiàn)上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸規范僅僅使用Bulk端點(diǎn)傳送數據／命令／狀態(tài)。后者定義了對存儲介質(zhì)的操作命令，UFI命令規范基于SCSI-2和SFF-8070i命令集。這里根據SCSI-2規范[6]針對該類(lèi)設備的操作命令規范，總共編寫(xiě)了9個(gè)命令執行函數，見(jiàn)下文。

　　海量存儲規范的實(shí)現有2個(gè)地方要注意：一是設備描述符、配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符要正確設置，主機是通過(guò)控制端點(diǎn)(端點(diǎn)0)獲取這一些描述符的；二是BULK端點(diǎn)(端點(diǎn)2)的中斷處理，其中的BULK OUT中斷處理較BULK IN復雜，由于篇幅所限，下面只討論BULK OUT的中斷處理。

　　BULK OUT的中斷處理要對主機發(fā)送的CBW(Com-mand Block Wrapper)和數據進(jìn)行解析和處理。偽代碼結構如下：

　　其中pSCSI是傳遞給讀寫(xiě)函數的有關(guān)讀寫(xiě)地址和數據傳輸長(cháng)度等參數的結構體。數據的處理在讀寫(xiě)函數中進(jìn)行。Write( )函數的流程如圖3。讀函數以頁(yè)為單位，一次可以讀取連續的若干頁(yè)，在此不再列出其流程圖。其他函數可根據SCSI-2命令規范來(lái)編寫(xiě)。

　　3 結 語(yǔ)

　　經(jīng)測試，通過(guò)USB總線(xiàn)主機能夠穩定的讀寫(xiě)設備中的FLASH，讀數據的速度可達600 kB／s，寫(xiě)數據的速度可達400 kB／s。該設備功能使用方便，性能穩定，已在具體項目中有實(shí)際應用，根據硬件情況稍做修改便可以應用到其他嵌入式系統中。