利用USB2.0的高性能移動存儲設備的設計

　　1．引言

　　閃存盤（FLASH MEMORY）是USB接口的一種典型應用，1999年朗科研發出全球第一款USB閃存盤，成功啟動了全球閃存盤行業。由于閃存是一種基于半導體的存儲器，信息在斷電后可以保存，并且還具有低功耗、速度快、可擦寫性、高可靠性、低成本等特點，是高數據存儲密度的最佳選擇，在外部存儲領域、嵌入式系統、工控行業和信息家電業得到廣泛使用，如手機、數碼相機、MP3等。市場上的FLASH有多種技術來實現，其中最常用的有NAND（與非）和NOR（異或）兩種。

　　武漢電離層觀象臺的高頻多普勒與到達角探測分析系統在投入實際觀測后，獲得了一些很重要的觀測數據[1]，該系統的數據采集單元采用閃存作為數據移動存儲設備，實現與計算機的信息交互，完成數據的分析與處理。本文所討論的NAND FLASH存儲器與USB2.0控制器的硬件連接和軟件編程方法，在研究開發USB移動存儲器使其更穩定安全地工作，具有重要的價值。本文首先介紹移動存儲設備的硬件設計部分，重點討論了該移動存儲設備的硬件接口設計，繼而給出固件程序的編程方法。其中設備固件的編寫是本設計的重點。

　　2.硬件實現

　　本移動存儲設備的USB2.0控制器采用ATMEL公司的AT89C5131芯片，數據存儲介質采用SAMSUNG公司的NAND FLASH 芯片K9K2G08U0A。

　　2.1 AT89C5131芯片特點

　　AT89C5131是ATMEL公司生產的基于80C52內核的高性能內置全速USB控制器的8位單CPU微處理芯片[2]，直接與MCS-51系列兼容，其內部集成了32KB的Flash存儲器，可用于IN- System Programming；內置4KB EEPROM，其中的1KB用于用戶數據的存儲，具有1個控制端口和6個普通可編程端口，并且支持控制傳送、同步傳送、中斷傳送和批量傳送四種傳輸方式。該芯片的優點是采用開發者熟悉的結構和指令集，處理能力強，構成系統的電路簡單，調試方便。

　　2.2 K9K2G08U0A芯片特點

　　K9K2G08U0A存儲器芯片的總容量為(256M +8192k)bit*8bit，分為2048扇區，每扇區又分為64頁，每頁除了2k字節的主存儲區外，還包括64字節的備用[3]。它以200μs/ 頁完成2112個字節的編程操作；還可以在2ms內完成128k字節的擦除操作；同時隨機讀數時間是25μs；數據線與地址線復用為I/O0-I/O7共 8根線；另外還分別提供了命令控制信號線；數據保存時間超過10年。NAND FLASH存儲器不會因為存儲容量的增加而增加引腳數目，從而極大方便了系統設計和產品升級，但芯片的連接方法與編程訪問同傳統存儲器相比仍有較大差異。

　　2.3 硬件原理圖

　　該系統的硬件部分由內置USB控制器的單片機AT89C5131，SAMSUNG公司的NAND FLASH 芯片K9K2G08U0A組成，硬件原理圖如圖1所示。必須寫入相應的命令才能順利執行閃存的各種操作，由于數據線與地址線復用為8根線，因此地址、命令以及數據的輸入/輸出需要通過命令鎖存信號(CLE)和地址鎖存信號(ALE)共同控制從而分時復用。

　　I/O[7:0]：數據輸入/輸出端口，該信號與AT89C5131芯片的P0[7:0]連接。

　　：寫使能信號。在其上升沿時，命令、地址和數據鎖存到相應的寄存器中。該信號與AT89C5131芯片的P3.6 信號連接。

　　：讀使能信號。在其下降沿時，輸出數據到I/O總線，同時，它還可以對內部數據地址進行累加。該信號與AT89C5131芯片的P3.7 信號連接。

　　CLE：命令鎖存使能信號。當CLE為高電平時，命令在 上升沿通過I/O端口送入命令寄存器。該信號與AT89C5131芯片的P1.0引腳連接。

　　ALE：地址鎖存使能信號。當ALE為高電平時，地址在 上升沿送入地址寄存器。該信號與AT89C5131芯片的P1.1引腳連接。

　　：片選信號。用于控制設備的選擇。當設備忙時 為高電平而被忽略，當處于編程和擦除操作時設備不能回到備用狀態。該信號與AT89C5131芯片的P1.2引腳連接。

　　R/ ：準備好/忙輸出。當它為低電平時，表示編程、擦除和隨機讀操作正在進行，在操作完成后返回高電平；當芯片沒被選中或輸出禁止時，其為高電平時。該信號與AT89C5131芯片的P1.3引腳連接。

　　3.固件設計實現

　　本文設計的USB移動存儲設備采用Bulk-Only傳輸方式，遵循UFI命令規范。移動存儲設備固件的主要功能是響應USB總線的各種標準請求，向主機返回設備的狀態信息；同時，解析接收到的SCSI命令，進行相應的命令處理和數據讀寫操作。固件設計采用中斷驅動，當AT89C5131從總線上接收到請求包時，通過調用相應的中斷事件處理函數來實現，后臺處理USB傳輸，從而保證了閃存的快速讀寫速率。主要中斷事件有：

　　(1)主循環等待USB中斷，設置相應標志位。移動存儲設備插入主機后，主機向移動閃存的控制斷點0發出標準請求，固件進入標準請求處理函數，設備回送給主機所要求的相應描述符，調用相關驅動程序。

　　(2)當USB主機通過Bulk-In端口讀取閃存數據后，產生Bulk-In端口中斷。

　　(3)當AT89C5131通過Bulk-Out端口接收到主機發送的命令字CBW后，觸發Bulk-Out端口中斷。

　　3．1 響應USB總線標準請求

　　當USB移動存儲設備接入主機后，USB主機控制器對設備進行總線枚舉過程，首先向設備發送標準USB請求GET_DESCRIPTOR來獲得最大數據包長度；接著發出SET ADDRESS請求，為設備分配地址；使用新分配的地址再次發出GET_DESCRIPTOR請求，讀取設備的配置信息[4]，如設備描述符、配置描述符、接口描述符、端口描述符和字符串描述符等，并選擇合適的驅動程序；最后，發出SET CONFIGURATION請求配置端口屬性。

　USB設備通過控制端口響應USB標準請求，實現主機和設備間的通信。除控制端口外，Bulk-Only傳輸方式還需支持Bulk-In和Bulk-Out端口。端口初始化代碼如下：

　　void Usb_Init(void)

　　{

　　UEPNUM=0x00;??? UEPCONX=0x80;

　　//端口0，控制端口

　　UEPNUM=0x01;??? UEPCONX=0x86;

　　//端口1，Bulk-In端口

　　UEPNUM=0x02;??? UEPCONX=0x82;

　　//端口2，Bulk-Out端口

　　UEPRST=0x07;???? UEPRST= 0x00;//端口復位

　　UEPIEN=0x07;????? USBIEN|=EEOFINT;

　　USBADDR=FEN;???????? //功能使能位

　　}

　　當控制端口配置成功后，主機會發出Inquiry、Mode_Sense、Read_Capacity等請求，提供閃盤基本信息，如扇區大小、簇大小、閃盤容量等，當請求結果正確后，便會發出Read(10)命令，進入文件系統識別階段。

　　3．2 解析SCSI命令并處理

　　UFI 命令規范基于 SFF-8070i 和 SCSI-2 的規范，總共定義了19個固定12字節長度的操作命令，用于 USB主機和 USB 移動存儲設備之間進行命令字CBW (Command Block Wrapper)、普通數據、狀態字CSW (Command Status Wrapper)的交換。

　　USB移動存儲設備接收到來自于USB主機Bulk-Out端口發給其的CBW命令字后，按照SCSI的命令格式進行解析，得到其中的命令信息，如：格式化設備、查詢設備信息、讀寫設備等，對移動存儲設備執行相應的命令后，向主機Bulk-In端口返回狀態字 CSW，報告命令執行情況，主機根據反饋的狀態字決定是否繼續發送命令字或是數據。

　　3．3 閃存的操作實現

　　K9K2G08U0A芯片以頁為單位來進行讀寫，以塊為單位進行擦除。K9K2G08U0A支持的操作主要有幾種：讀操作(Read)、頁編程(Page Program)、緩存編程(Cache Program)、塊擦除(Block Erase)、塊復制(Copy-Back Program)、隨機數據輸入(Random Data Input)、隨機數據輸出(Random Data Output)、復位(Reset)、讀設備號(ReadID)、讀狀態(Read Status)等操作。在進行寫操作之前，必須對寫單元所在塊進行擦除，因此事先需要對所擦除塊內容進行保存。

　　如果閃存存在壞塊，則在進行讀、頁編程、塊擦除、塊復制等操作時會失敗，因此對壞塊要進行提前檢測并進行標注。芯片在出廠時，在每塊的第一頁和第二頁的2048列的首字節做出好壞標記，如果標志位不是FFh則為壞塊，基于此建立壞塊列表。

　　基于篇幅的原因，這里以寫操作過程為例描述閃存使用方法。一般閃存的使用順序是：塊擦除-編程-多次讀取-塊擦除…， 對K9K2G08U0A芯片進行數據寫的步驟如下：(1)將寫入數據扇區地址與壞塊列表對照，檢查錯誤扇區。若存在壞區，則繼續檢查下一扇區；(2)開辟緩沖區域，將寫入數據扇區的原始數據利用Copy-Back Program方式保存到緩沖區；(3) 利用Block Erase擦除要寫入的數據扇區；(4) 利用 Page Program操作將主機傳輸的數據寫到閃存中；(5)利用Copy-Back Program操作將緩沖區的數據寫入指定扇區。

　　K9K2G08U0A編程器件以頁為單位編程，它允許在單頁編程周期中對部分頁或一個甚至連續的多達2112個連續字節編程。一個頁編程周期由2個階段組成[3]：(1)串行數據加載階段：數據被加載到數據寄存器中，以輸入命令80h為標志，緊接著是5個字節的地址輸入和串行數據加載；(2)非易失性的編程階段：命令10h標志著該編程階段的開始，將已加載的數據寫入實際的存儲單元，編程典型時間為200μs。之后R/ 跳低，進入閃存內部編程，最后進入讀狀態確認操作，命令70h表示讀狀態命令，I/O0表示讀到的狀態。頁編程實現代碼如下：

　　void PageWrite(void )?? //頁編程

　　{

　　CheckBlock(startpage);?? //檢測壞塊列表

　　if(FirstP)

　　// FirstP為1，開始對一頁進行寫操作，否則為0

　　{//片選信號有效

　　F_CE=0; F_RE=1; F_ALE=0;F_CLE=1;F_WE=0;

　　OutputCommand(0x80);?? //輸入命令0x80

　　F_WE=1;

　　F_ALE=1;//發送地址開始

　　AddrOut (addr1); //得到頁地址，五個周期

　　AddrOut (addr2); AddrOut (addr3); AddrOut (addr4); AddrOut (addr5);

　　F_ALE=0;

　　FirstP =0; }

　　WriteData(BuffBlock);?? //將數據寫入緩沖區

　　FlagWrite =0;

　　Do{

　　F_WE=0;

　　WriteFlash();????? //將數據寫入flash

　　FlagWrite++;

　　F_WE=1;

　　}while(FlagWrite<64);? //寫滿一頁數據

　　OutputCommand (0x10);?? //輸入命令0x10

　　while(!F_RB);???? //等待讀信號有效

　　OutputCommand (0x70);?? //輸入命令0x70

　　Wait();

　　F_CE=1;??? //片選結束

　　startpage++;??? //繼續寫下一頁

　　FirstP =1;

　　}

　　4．結束語

　　本文在充分研究USB2.0協議、Bulk-Only傳輸協議和SCSI指令規范的基礎上，設計出USB2.0高性能移動存儲設備。本文作者創新點：將FLASH作為數據采集系統中的存儲單元，應用在與計算機交互數據的采集過程之中；并采用中斷驅動設計固件程序，提高了讀寫效率。實驗證明，其性能穩定可靠，讀寫數據速度達到了令人滿意的效果。移動數據的交換和存儲是目前IT行業的熱點，可以在此基礎上，不斷完善現有設計方案，繼續研究開發嵌入式USB主機系統，使得在PC機不參與的情況下同樣可以進行數據的存儲與交換。