USB海量存儲類設備功能在ARM系統(tǒng)中的應用

　　基于上述原因，本文重點論述基于USB的海量存儲(USB Mass Storage)設備功能在ARM嵌入式系統(tǒng)中設計和應用。使用該設備功能，上位機可以像讀寫普通U盤一樣對于系統(tǒng)采集并存儲在FLASH中的數(shù)據(jù)進行讀寫。

　　1 硬件方案

　　l.1 器件簡介

　　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(shù)據(jù)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，讀寫速度快，數(shù)據(jù)保存時間長，可擦寫10萬次，在嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的應用，主要是負責數(shù)據(jù)存儲。

　　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實現(xiàn)并行接口，傳輸速度可達2 MB／s。該USB芯片有1個控制端點和2個普通端點。

　　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負責嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲；處理器S3C44B0X執(zhí)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(tǒng)采集并存儲在閃存芯片中的數(shù)據(jù)便可以通過USB接口傳輸?shù)缴衔粰C。

　　2 軟件實現(xiàn)

　　要實現(xiàn)實驗系統(tǒng)與上位機的USB通訊，首先要正確設計PDIUSBD12的底層固件程序。而要實現(xiàn)系統(tǒng)的海量存儲設備功能，還要有FLASH的讀寫操作代碼和實現(xiàn)海量存儲設備類規(guī)范的代碼。下面從這3個方面來分析。軟件開發(fā)環(huán)境為ARM公司的ADS1.2，USB監(jiān)控和測試軟件為BUS Hound。

　　2.1 PDIUSBD12固件編程

　　PDIUSBDl2固件結構和數(shù)據(jù)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口進行操作，以通知PDI-USBD12接下來處理器將對其進行命令操作或是數(shù)據(jù)操作。而命令接口層是基于硬件提取層的一套對PDIUS-BDl2進行操作的子程序，可以方便上層程序的編寫。

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

　　根據(jù)USB協(xié)議[4]，控制端點0用來負責設備的枚舉，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(shù)目和復位設備等操作。這些操作是通過中斷和主循環(huán)共同完成的。這里端點1未用到，可以忽略其中斷。端點2是主端點，用作Bulk-Only傳輸。在端點2的中斷處理程序中實現(xiàn)Bulk-Only傳輸及命令解析和執(zhí)行。

　　其中，中斷服務處理程序與主循環(huán)通過一個名為ControlData的結構體變量進行通訊。主循環(huán)初始化I／O口、事件標志bUSBFlags、建立包數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、定時器和中斷，重新連接USB總線后進入一個無限循環(huán)，當該循環(huán)輪詢到某事件標志被置位時便進行相應的處理。特別是在設備枚舉中當建立標志被置位時，根據(jù)設備請求的類型域ControlData，DeviceRequest，bmRequestType來確定是標準設備請求、廠商設備請求還是類型設備請求，再根據(jù)請求類型進行相應的調用。

　　2.2 K9F2808U0C讀寫操作

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

　　因此，對于該閃存的讀操作可以采取直接讀取來處理；而對于寫操作，則通過設置塊 緩沖來解決，以減輕系統(tǒng)的任務和對FLASH的擦除次數(shù)。寫操作的基本思想是：設置一個塊緩沖區(qū)，待寫數(shù)據(jù)先寫入緩沖區(qū)對應的頁地址，當緩沖區(qū)中待寫數(shù)據(jù)的頁地址到達31或者頁地址未滿31但傳輸已經(jīng)結束時，先將目標塊中待寫頁以外的有關數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)對應的頁地址，然后擦除整塊，最后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到該塊。寫操作流程如圖3所示。

　　2.3 海量存儲規(guī)范實現(xiàn)

　　海量存儲設備必須符合海量存儲設備類規(guī)范，該規(guī)范包括4個獨立的子類規(guī)范，本設計中用到其中的2個子類規(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端點傳送數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)。后者定義了對存儲介質的操作命令，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]針對該類設備的操作命令規(guī)范，總共編寫了9個命令執(zhí)行函數(shù)，見下文。

　　海量存儲規(guī)范的實現(xiàn)有2個地方要注意：一是設備描述符、配置描述符、接口描述符和端點描述符要正確設置，主機是通過控制端點(端點0)獲取這一些描述符的；二是BULK端點(端點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(shù)據(jù)進行解析和處理。偽代碼結構如下：

　　其中pSCSI是傳遞給讀寫函數(shù)的有關讀寫地址和數(shù)據(jù)傳輸長度等參數(shù)的結構體。數(shù)據(jù)的處理在讀寫函數(shù)中進行。Write( )函數(shù)的流程如圖3。讀函數(shù)以頁為單位，一次可以讀取連續(xù)的若干頁，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)范來編寫。

　　3 結 語

　　經(jīng)測試，通過USB總線主機能夠穩(wěn)定的讀寫設備中的FLASH，讀數(shù)據(jù)的速度可達600 kB／s，寫數(shù)據(jù)的速度可達400 kB／s。該設備功能使用方便，性能穩(wěn)定，已在具體項目中有實際應用，根據(jù)硬件情況稍做修改便可以應用到其他嵌入式系統(tǒng)中。