在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)對U盤的操作

摘要：主要介紹在嵌入式系統(tǒng)中利用SL811HS對U盤操作的實現(xiàn)方法；簡要介紹USB設(shè)備中的海量存儲類、SL811HS的芯片特點及FAT文件系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：USB U盤 FAT SL811HS

引 言

　　USB(通用串行總線)用于將適用USB的外圍設(shè)備(device)連接到主機(host)，實現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠靠偩€結(jié)構(gòu)；是一種快速、靈活的總線接口。它最大的特點是易于使用，主要是用在中速和低速的外設(shè)。

　　隨著USB規(guī)范的完善和成熟，USB外設(shè)的種類不斷豐富，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。在傳統(tǒng)的應(yīng)用中，主要是PC扮演著主機的角色。根據(jù)USB的規(guī)范，可以看到在USB的拓樸結(jié)構(gòu)中居于核心地位的是主機，每一次的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機發(fā)起和控制。但是隨著嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的日益增長，USB外設(shè)的應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U大，為此在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)對USB外設(shè)控制也變得日益迫切。

　　本文針對USB外設(shè)中的U盤，說明如何在嵌入式系統(tǒng)中利用SL811HS實現(xiàn)對其的操作。

1 海量存儲類

　　USB設(shè)備分為五個大類，即顯示器(monitors)、通信設(shè)備(communications devices)、音頻設(shè)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(guī)范中包括四個獨立的子規(guī)范，即CBI Transprot、Bulk-Only Transport、ATA Command Block、UFI Command Specification。前兩個協(xié)議定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸協(xié)議僅僅使用Bulk端點傳送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)，CBI傳輸協(xié)議則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點進行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)的傳送。后兩個協(xié)議定義了存儲介質(zhì)的操作命令，ATA協(xié)議用于硬盤，UFI協(xié)議則針對USB移動存儲。

　　本設(shè)計中所使用的U盤遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議和UFI命令規(guī)范。

2 實現(xiàn)方法

2.1 硬件設(shè)計

　　本設(shè)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(guī)范；可自動檢測總線速率，支持全速12Mbps和低速1.5Mbps設(shè)備；具有8位雙向的數(shù)據(jù)總線，易與單片機連接；片內(nèi)256字節(jié)的SRAM(其中16字節(jié)用于工作寄存器)，用于數(shù)據(jù)傳輸；可自動產(chǎn)生SOF和CRC5/16，簡化軟件工作量；片內(nèi)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(shù)據(jù)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(guī)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(shè)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(guī)范、協(xié)議透徹的理解。下面主要通過軟件的工作流程來說明設(shè)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(tài)寄存器，E、F為SOF計數(shù)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(fù)位(置寄存器5的位3為1，延時30ms后清零)，然后使能設(shè)備檢測中斷(置寄存器6為0x61)。

2.2.2 設(shè)備檢測

(1)軟件協(xié)議
　　在設(shè)備檢測階段，主要通過setup結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包(8字節(jié)長)向USB設(shè)備的控制端點0(默認端點)發(fā)送命令。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如表2所列。
　
(2)實現(xiàn)過程
　　當(dāng)U盤插入USB插座時，SL811HS產(chǎn)生中斷，通過讀取中斷狀態(tài)寄存器可判斷中斷類型。當(dāng)中斷類型表示為檢測到設(shè)備插入時，就可對USB設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)備描述符(GetDeviceDescriptor)。請求設(shè)備描述符的setup數(shù)據(jù)包為
通過讀取設(shè)備描述符，可獲得設(shè)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(jié))。
　　　　　　　　　　
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(shù)據(jù)包長為9(一個配置描述符的長度)。數(shù)據(jù)包內(nèi)容為
　　　　　　　　　　
接收到設(shè)備返回的數(shù)據(jù)，獲得此描述符的總長，然后再發(fā)二次請求，獲得全部描述符數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包內(nèi)容為
　　　　　　　　 　　
此時返回的數(shù)據(jù)包括了設(shè)備配置、接口、端點的全部描述信息。

　　此部分的內(nèi)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(shè)備的屬性(總線供電)以及最大功耗；在接口描述符，可獲得設(shè)備的接口數(shù)量(只有一個數(shù)據(jù)接口)、接口類型(海量存儲類)、接口子類代碼(UFI)、接口通信協(xié)議(Bulk-Only)；在端點描述符，可獲得設(shè)備的In和Out端點號及此端點的最大數(shù)據(jù)包長。

③ 設(shè)置設(shè)備地址(SetAddress)。設(shè)置設(shè)備地址的setup數(shù)據(jù)包為
　　　　　　　　　　 　 　
　　設(shè)備地址為02或03(01一般用來表示設(shè)備為Hub)。

　　到此，U盤的配置過程完成。此后的主機與USB設(shè)備之間的通信必須使用設(shè)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(shù)據(jù)內(nèi)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(shù)據(jù)，然后將自己獲得的數(shù)據(jù)包內(nèi)容與之相比較。

2.2.3 U盤文件系統(tǒng)識別

(1)軟件協(xié)議
　　在與U盤之間進行大量數(shù)據(jù)傳輸時，需要利用描述符提供的In、Out端點進行數(shù)據(jù)傳送，并遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議。

　　根據(jù)USB的協(xié)議規(guī)范，所有的傳輸都須由主機啟動。即主機首先向設(shè)備的OUT端點發(fā)送一命令(CBW數(shù)據(jù)包)，請求傳輸，格式如表3所列。
　　　　　　　　
　　在數(shù)據(jù)包中規(guī)定了下一步的數(shù)據(jù)傳輸方向。若為設(shè)備到主機，則當(dāng)CBW發(fā)送成功后，從設(shè)備的In端點讀取CBW中規(guī)定長度的數(shù)據(jù)；若為主機到設(shè)備，則當(dāng)CBW發(fā)送成功后，向設(shè)備的Out端點發(fā)送CBW中規(guī)定長度的數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)主機與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送完畢后，主機還需從設(shè)備的In端點讀取傳送狀態(tài)，主機根據(jù)接收的CSW數(shù)據(jù)包即可判斷出通信是否正常。若返回的結(jié)果有錯誤，還須進行相應(yīng)的出錯處理。CSW數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如表4所列。
　　　　　　　　
(2)實現(xiàn)過程
　　CPU向U盤發(fā)送CBW數(shù)據(jù)包，其中的命令塊為UFI規(guī)范所定義的Read(10)命令。讀取0柱0道1扇區(qū)共512字節(jié)的MBR數(shù)據(jù)，前446字節(jié)為主引導(dǎo)記錄，接著的64字節(jié)為DPT(Disk Partition Table盤分區(qū)表)，最后的2字節(jié)“55 AA”為有效結(jié)束標志。

其中的DPT部分包含4個分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)占16字節(jié)，具體定義如下：
typedef struct{
uchar BootFlag; //活動標志，80h為活動分區(qū)，0為非活動
//分區(qū)
CHS StartCHS; //分區(qū)開始的柱面、磁頭、扇區(qū)
uchar SystemID; //分區(qū)類型
CHS EndChs; //分區(qū)結(jié)束的柱面、磁頭、扇區(qū)
ulong RelativeSectors; //分區(qū)起始扇區(qū)數(shù)
ulong TotalSectors; //分區(qū)總扇區(qū)數(shù)
}PartitionTable;

　　從第一個分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分區(qū)起始扇區(qū)數(shù)(relative sectors)的位置讀取512字節(jié)，為DBR(系統(tǒng)引導(dǎo)記錄)，包括一個引導(dǎo)程序和BPB(本分區(qū)的參數(shù)記錄表)。BPB參數(shù)塊記錄本分區(qū)的起始扇區(qū)、結(jié)束扇區(qū)、文件存儲格式、介質(zhì)描述符、根目錄項數(shù)、FAT個數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)、分配單元的大小等重要參數(shù)。

　　根據(jù)保留扇區(qū)的數(shù)目可知FAT表的位置(RelativeSectors+保留扇區(qū)數(shù))。FAT表是文件組織結(jié)構(gòu)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(yīng)段內(nèi)；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(tǒng)，簇號用12位表示；FAT16文件系統(tǒng)的簇號用16位表示；FAT32文件系統(tǒng)的簇號用32位表示。

　　根據(jù)FAT的個數(shù)以及每個FAT表占用的扇區(qū)數(shù)，即可推算出文件目錄表(FDT)的位置(FAT表位置+FAT表個數(shù)*FAT表所占扇區(qū)數(shù))。FDT是文件組織結(jié)構(gòu)的又一重要組成部分。目錄可看作是一種特殊的文件，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為32字節(jié)，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(jù)根目錄中的目錄項數(shù)即可計算出數(shù)據(jù)區(qū)的起始扇區(qū)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(shù)據(jù)。

　　對于FAT32文件系統(tǒng)來說，它的根目錄位置不單獨列出，而是等同于文件結(jié)構(gòu)，保存在數(shù)據(jù)區(qū)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(shù)據(jù)讀取內(nèi)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(yīng)位置的數(shù)據(jù)內(nèi)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(tǒng)?？梢愿鶕?jù)FAT16系統(tǒng)的磁盤特性進行各種操作。

① 創(chuàng)建目錄。在根目錄區(qū)或指定的子目錄區(qū)中填加新目錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

② 刪除目錄。在根目錄區(qū)或指定的子目錄區(qū)中找到所需刪除的目錄，并置相應(yīng)標志。

③ 寫文件。當(dāng)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(yīng)目錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的起始簇號位置。當(dāng)此文件長度大于一簇時，還需在FAT表中對應(yīng)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(yīng)位置填FFFF)。
若磁盤有備份FAT，還需在備份FAT表的相應(yīng)位置填入正確的內(nèi)容。

④ 刪文件。刪除文件時，除了將該文件對應(yīng)的目錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)置相應(yīng)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(dāng)前未被使用。

2.2.5 Bulk傳輸流程
　　使用U盤的Bulk端點進行數(shù)據(jù)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(shè)備請求數(shù)據(jù)，由外圍設(shè)備向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。Bulk-Out的傳輸方向與Bulk-In相反，由主機向外圍設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)UFI規(guī)范的定義，每次讀寫操作都以邏輯塊(扇區(qū))為單位。一般U盤的一個扇區(qū)為512字節(jié)，而Bulk端點的最大包長為64字節(jié)，即一個扇區(qū)的讀寫操作需要8個循環(huán)才能完成。

(1)Bulk-In流程
　　Bulk-In流程如圖3所示。
　　　　　　　　　　　　
　　在接收設(shè)備數(shù)據(jù)的循環(huán)中，因為一個扇區(qū)的操作需要8次才能完成，因此要注意每接收一個數(shù)據(jù)包，都要將SL811HS寄存器0中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包中，注明了下一階段的傳輸方向為主機到外圍設(shè)備。在CBW發(fā)送ACK之后，向設(shè)備的Out端點發(fā)送PID-OUT數(shù)據(jù)包，使得設(shè)備接收所要傳送的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸完畢后，仍要向設(shè)備的In端點發(fā)送PID-IN數(shù)據(jù)包，讀取設(shè)備的CSW數(shù)據(jù)包，判斷傳輸結(jié)果，并進行相應(yīng)處理。

　　在發(fā)送數(shù)據(jù)的循環(huán)中，同樣要注意data0和data1的交替使用問題。

結(jié) 語
　　目前開發(fā)的在嵌入式系統(tǒng)中利用USB主控芯片實現(xiàn)與U盤的操作技術(shù)，已應(yīng)用在我們自主開發(fā)研制的消防產(chǎn)品中。實現(xiàn)了消防控制器與U盤之間的各類信息的傳輸，為數(shù)據(jù)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(shù)必將有更為廣闊的應(yīng)用前景。