USB海量存儲(chǔ)類設(shè)備功能在ARM系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　基于上述原因，本文重點(diǎn)論述基于USB的海量存儲(chǔ)(USB Mass Storage)設(shè)備功能在ARM嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和應(yīng)用。使用該設(shè)備功能，上位機(jī)可以像讀寫(xiě)普通U盤(pán)一樣對(duì)于系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)在FLASH中的數(shù)據(jù)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(nèi)核的RISC型微處理器，8 kB指令和數(shù)據(jù)共享的緩存，主頻可達(dá)66 MHz，可以運(yùn)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(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)，可擦寫(xiě)10萬(wàn)次，在嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　PDIUSBDl2[3]是PHILIPS公司生產(chǎn)的帶有并行總線和局部DMA傳輸能力的全速USB接口芯片，符合USB1.1版規(guī)范，可以與任何外部MCU／MPU實(shí)現(xiàn)并行接口，傳輸速度可達(dá)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(tǒng)中，F(xiàn)LASH芯片K9F2808U0C負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；處理器S3C44B0X執(zhí)行底層固件代碼；USB接口芯片PDIUS-BDl2負(fù)責(zé)設(shè)備與上位機(jī)的通訊。這樣系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)在閃存芯片中的數(shù)據(jù)便可以通過(guò)USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

　　2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的USB通訊，首先要正確設(shè)計(jì)PDIUSBD12的底層固件程序。而要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的海量存儲(chǔ)設(shè)備功能，還要有FLASH的讀寫(xiě)操作代碼和實(shí)現(xiàn)海量存儲(chǔ)設(shè)備類規(guī)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(jiān)控和測(cè)試軟件為BUS Hound。

　　2.1 PDIUSBD12固件編程

　　PDIUSBDl2固件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向如圖2所示。結(jié)構(gòu)圖中的硬件提取層是固件中的最底層代碼，負(fù)責(zé)對(duì)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(duì)其進(jìn)行命令操作或是數(shù)據(jù)操作。而命令接口層是基于硬件提取層的一套對(duì)PDIUS-BDl2進(jìn)行操作的子程序，可以方便上層程序的編寫(xiě)。

　　當(dāng)PDIUSBD12向處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，處理器讀取中斷寄存器，根據(jù)中斷源調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)處理程序，中斷服務(wù)處理程序設(shè)置相應(yīng)的事件標(biāo)志，如果有數(shù)據(jù)傳輸并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

　　根據(jù)USB協(xié)議[4]，控制端點(diǎn)0用來(lái)負(fù)責(zé)設(shè)備的枚舉，如獲取設(shè)備各種描述符、設(shè)置地址、獲取海量存儲(chǔ)設(shè)備的邏輯單元數(shù)目和復(fù)位設(shè)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(xiàn)Bulk-Only傳輸及命令解析和執(zhí)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(jié)構(gòu)體變量進(jìn)行通訊。主循環(huán)初始化I／O口、事件標(biāo)志bUSBFlags、建立包數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、定時(shí)器和中斷，重新連接USB總線后進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)，當(dāng)該循環(huán)輪詢到某事件標(biāo)志被置位時(shí)便進(jìn)行相應(yīng)的處理。特別是在設(shè)備枚舉中當(dāng)建立標(biāo)志被置位時(shí)，根據(jù)設(shè)備請(qǐng)求的類型域ControlData，DeviceRequest，bmRequestType來(lái)確定是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求、廠商設(shè)備請(qǐng)求還是類型設(shè)備請(qǐng)求，再根據(jù)請(qǐng)求類型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)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(shù)據(jù)，另外16 B用于存放信息，如塊的好壞標(biāo)記、塊邏輯地址和ECC校驗(yàn)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(jī)讀，但無(wú)法隨機(jī)寫(xiě)，寫(xiě)操作前必須把寫(xiě)單元所在的塊擦除。

　　因此，對(duì)于該閃存的讀操作可以采取直接讀取來(lái)處理；而對(duì)于寫(xiě)操作，則通過(guò)設(shè)置塊 緩沖來(lái)解決，以減輕系統(tǒng)的任務(wù)和對(duì)FLASH的擦除次數(shù)。寫(xiě)操作的基本思想是：設(shè)置一個(gè)塊緩沖區(qū)，待寫(xiě)數(shù)據(jù)先寫(xiě)入緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的頁(yè)地址，當(dāng)緩沖區(qū)中待寫(xiě)數(shù)據(jù)的頁(yè)地址到達(dá)31或者頁(yè)地址未滿31但傳輸已經(jīng)結(jié)束時(shí)，先將目標(biāo)塊中待寫(xiě)頁(yè)以外的有關(guān)數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的頁(yè)地址，然后擦除整塊，最后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到該塊。寫(xiě)操作流程如圖3所示。

　　2.3 海量存儲(chǔ)規(guī)范實(shí)現(xiàn)

　　海量存儲(chǔ)設(shè)備必須符合海量存儲(chǔ)設(shè)備類規(guī)范，該規(guī)范包括4個(gè)獨(dú)立的子類規(guī)范，本設(shè)計(jì)中用到其中的2個(gè)子類規(guī)范：一是USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport規(guī)范[5]；二是USB Mass Storage Class UFI Command規(guī)范。

　　前者定義了數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸規(guī)范僅僅使用Bulk端點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)。后者定義了對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的操作命令，UFI命令規(guī)范基于SCSI-2和SFF-8070i命令集。這里根據(jù)SCSI-2規(guī)范[6]針對(duì)該類設(shè)備的操作命令規(guī)范，總共編寫(xiě)了9個(gè)命令執(zhí)行函數(shù)，見(jiàn)下文。

　　海量存儲(chǔ)規(guī)范的實(shí)現(xiàn)有2個(gè)地方要注意：一是設(shè)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(shè)置，主機(jī)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(fù)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(duì)主機(jī)發(fā)送的CBW(Com-mand Block Wrapper)和數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理。偽代碼結(jié)構(gòu)如下：

　　其中pSCSI是傳遞給讀寫(xiě)函數(shù)的有關(guān)讀寫(xiě)地址和數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度等參數(shù)的結(jié)構(gòu)體。數(shù)據(jù)的處理在讀寫(xiě)函數(shù)中進(jìn)行。Write( )函數(shù)的流程如圖3。讀函數(shù)以頁(yè)為單位，一次可以讀取連續(xù)的若干頁(yè)，在此不再列出其流程圖。其他函數(shù)可根據(jù)SCSI-2命令規(guī)范來(lái)編寫(xiě)。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　經(jīng)測(cè)試，通過(guò)USB總線主機(jī)能夠穩(wěn)定的讀寫(xiě)設(shè)備中的FLASH，讀數(shù)據(jù)的速度可達(dá)600 kB／s，寫(xiě)數(shù)據(jù)的速度可達(dá)400 kB／s。該設(shè)備功能使用方便，性能穩(wěn)定，已在具體項(xiàng)目中有實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)硬件情況稍做修改便可以應(yīng)用到其他嵌入式系統(tǒng)中。