基于LPC21 32的U盤軟硬件系統(tǒng)設(shè)計
關(guān)鍵詞 LPC21 32 USB Mass Storage類協(xié)議 U盤
引 言
USB移動存儲技術(shù)(U盤)把USB接口技術(shù)與Flash存儲器技術(shù)結(jié)合在一起，構(gòu)成了一種快速、大容量、方便的新型數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，主要構(gòu)成有主控制器(MCU)、USB接口芯片和F1ash存儲器。主控制器(MCU)是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制各種外圍設(shè)備、實(shí)現(xiàn)各種算法、協(xié)調(diào)與主機(jī)通信；USB接口芯片負(fù)責(zé)USB通信；Flash(閃爍存儲器)用來存儲數(shù)據(jù)，它決定了U盤的容量。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
U盤設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。使用Philips公司的ARM7芯片LPC2132，控制Philips的USBl．1接口芯片PDI-USBDl2，處理PMC公司的128 KB串行F1ash存儲器作為數(shù)據(jù)存儲設(shè)備實(shí)現(xiàn)U盤。
(1)ARM處理器
LPC2132是基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有64 KB嵌入的高速Flash存儲器。LPC2132的實(shí)時仿真和跟蹤功能方便了代碼的調(diào)試，降低了開發(fā)成本。
(2) PDIUSB012
PDIUSBDl2(簡稱為“D12”)是一款性價比很高的USB器件；通常用于微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口；支持本地的DMA傳輸。PDIUSBDl2所具有的低掛起功耗連同LazyClock輸出可以滿足使用ACPI、OnNOW和USB電源管理的要求。低功耗可以應(yīng)用于使用USB總線供電的外設(shè)。
(3)Flash存儲器
存儲器選用PMC公司的Pm25LV010。適合低功耗和低電壓下工作的應(yīng)用場合；具有完備的數(shù)據(jù)保護(hù)功能。通過設(shè)置芯片的狀態(tài)寄存器，可以將存儲空間的高1/4、高1／2或整片寫保護(hù)。寫使能和寫禁止指令進(jìn)一步保護(hù)數(shù)據(jù)。另外還提供WP引腳用于硬件數(shù)據(jù)保護(hù)，以防止對狀態(tài)寄存器的意外修改。
U盤電路原理如圖2所示。
2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要包括D12驅(qū)動、Mass Storage類協(xié)議和Flash存儲器的讀／寫控制。
2.1 D12驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)
在USB設(shè)備插入主機(jī)之前，主機(jī)對這個USB設(shè)備的情況一無所知，無法建立起通信；但USB協(xié)議規(guī)定了一些最基本的準(zhǔn)則，如每個設(shè)備的端點(diǎn)0都是可用的，屬于控制端點(diǎn)。有了這個基本的溝通途徑，主機(jī)就開始通過端點(diǎn)0向設(shè)備提出一些問題，這些問題是有關(guān)設(shè)備基本情況的。這些基本情況可以反映usB設(shè)備所屬的類別及子類，反映配置情況、接口情況和端點(diǎn)情況；一旦得知了這些信息，主機(jī)就大體了解了這個設(shè)備是個什么樣的設(shè)備，按照USB協(xié)議中的相應(yīng)規(guī)定，就逐步建立起了一條介于設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)通道，用于數(shù)據(jù)的傳輸。主機(jī)向設(shè)備提出的這些問題實(shí)際上就是USB協(xié)議中規(guī)定的各種標(biāo)準(zhǔn)請求，設(shè)備必須對這些問題進(jìn)行回答；而回答的方式就是向主機(jī)傳送相應(yīng)的描述符，即設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符。
為了使軟件可移植性強(qiáng)、易維護(hù)，采用分層的方法編寫PDIUSBDl2的驅(qū)動程序。USB驅(qū)動程序分層結(jié)構(gòu)如表1所列。
①硬件提取層(D12HAL．c)包含最底層的函數(shù)。
②D12命令接口(D12CI．c)實(shí)現(xiàn)PDIUSBDl2的命令接口以簡化器件的編程。該層的甬?dāng)?shù)及其功能如下：
◇讀取芯片ID號，uintl6 D12_ReadChipID(void)；
◇沒置地址／使能，void D12_SetAddressEnable(UINT8bAddress，UINT8 bEnable)；
◇設(shè)置端點(diǎn)使能，void D12_SetEndpointEnable(UINT8 bEnablc)；
◇設(shè)置模式，void D12_SetMode(uint8 bConfig，uint8bClkDiv)。
③協(xié)議層(Chap_9．c)處理標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請求，以及特殊的廠商請求，如DMA等。USB主機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請求，可設(shè)定和獲取USB設(shè)備的有關(guān)信息，完成USB設(shè)備的枚舉。
所有的請求都是通過端點(diǎn)0接收和發(fā)送SETUP包來完成的。接收主機(jī)SETUP包的函數(shù)為ep0_rxdone()，所有SETUP包都由函數(shù)control_handler()來處理，發(fā)送SETUP包的函數(shù)為ep0_txdone()。SETUP包的接收和發(fā)送通過控制傳輸結(jié)構(gòu)仝局變量CONTROL_XFER ControlData來控制，它實(shí)現(xiàn)了以上3個函數(shù)之間的通信。
上述幾個函數(shù)及ControlData變量之問的關(guān)系如圖3所示。
④應(yīng)用層(D12Driver．c)實(shí)現(xiàn)PDIUSBD12的所有功能。USB設(shè)備控制驅(qū)動、USB接口控制驅(qū)動和協(xié)議層都在應(yīng)用層的控制之中。應(yīng)用層要實(shí)現(xiàn)的仟務(wù)包括：
◆初始化PDIUSBDl2。包括初始化PDIUSBD12的硬件連接、復(fù)位PDIUSBDl2、配置PDIUSBD12的中斷服務(wù)程序地址、初始化應(yīng)用層相關(guān)的全局變量。
◆編寫PDIUSBD12中斷服務(wù)程序。PDIUSBD12幾乎所有功能都是通過PDIUSBDl2中斷服務(wù)程序來完成的，因此中斷服務(wù)程序是應(yīng)用層的核心部分，也是本驅(qū)動程序的核心部分。它要完成以下任務(wù)：
◇控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送中斷服務(wù)程序，負(fù)責(zé)處理控制傳輸?shù)挠嘘P(guān)工作；
◇端點(diǎn)1和端點(diǎn)2數(shù)據(jù)接收與發(fā)送中斷服務(wù)程序；
◇USB總線掛起、復(fù)位、DMA結(jié)束中斷服務(wù)程序。
◆用戶讀寫端點(diǎn)1和端點(diǎn)2的API函數(shù)。
◆傳輸控制處理任務(wù)。該任務(wù)用于處理枚舉、標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)請求、廠商請求等傳輸控制。
2.2 Mass Storage類協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
完整的Mass Storage類協(xié)議需要實(shí)現(xiàn)如下兒部分：在枚舉時，提供Mass Storage類協(xié)議描述符；實(shí)現(xiàn)BulkOnly批量傳輸協(xié)議；實(shí)現(xiàn)SCSI命令集。
2.2.1 Mass Storage類協(xié)議描述符
USB采用設(shè)備類的方式對設(shè)備進(jìn)行管理。要讓主機(jī)識別設(shè)備，設(shè)備就必須提供正確的描述符：
◇設(shè)備描述符；
◇配置描述符；
◇接口描述符；
◇端點(diǎn)描述符。
2.2.2 Bulk-Only批量傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)
Bulk-Only協(xié)議包括兩部分：類特定請求命令和Bulk-Only傳輸。
(1)類特定請求命令
①批量傳輸?shù)拇笕萘看鎯ζ鲝?fù)位。要發(fā)送批量傳輸?shù)拇笕萘看鎯ζ鲝?fù)位請求，主機(jī)將在默認(rèn)管道發(fā)送一個設(shè)備請求：
◇bmRequestType——類、接口、主機(jī)到設(shè)備；
◇bRequest字段設(shè)置為255(FFh)；
◇wValue字段設(shè)置為0；
◇wIndex字段設(shè)置為接口編號；
◇wLength字段設(shè)置為O。
批量傳輸?shù)拇笕萘看鎯ζ鲝?fù)位請求如下：
②獲取最大邏輯單元號(專用類清求)。Get MaxLUN設(shè)備請求用于確定設(shè)備支持的邏輯單元編號。設(shè)備的邏輯單元編號可以從LUN為O到LUN的最大值15(Fh)。
要發(fā)送Get Max LUN設(shè)備請求，主機(jī)應(yīng)在以下默認(rèn)管道發(fā)送一個設(shè)備請求：
◇bmRequestType——類、接口、設(shè)備到主機(jī)；
◇bRequest范圍設(shè)置為254(FEh)；
◇wValue字段設(shè)置為0；
◇wIndex字段設(shè)置為接口編號；
◇wLength字段設(shè)置為1。
獲得最大邏輯單元字如下：
設(shè)備應(yīng)返回1字節(jié)包含設(shè)備支持的最大邏輯單元數(shù)。例如，如果設(shè)備支持4個LUN，則LUN的編號應(yīng)從0～3，則返回值為3。如果設(shè)備沒有相關(guān)的LUN，則返回值為0。主機(jī)不應(yīng)向一個不存在的LUN發(fā)送命令塊包(CBW)。
不支持多LUN的設(shè)備會返回STALL。
(2)Bulk—Only傳輸
Bulk—Only傳輸協(xié)議沒有使用中斷和控制端點(diǎn)，僅使用Bulk批量端點(diǎn)來進(jìn)行命令塊、數(shù)據(jù)和命令塊狀態(tài)的傳輸。控制端點(diǎn)(默認(rèn))管道僅用來請求批量端點(diǎn)上的STALL停止的狀態(tài)和執(zhí)行類特定請求命令。
Bulk—Only傳輸?shù)牧鞒倘鐖D4所示。
2.2.3 SCSI命令集實(shí)現(xiàn)
SCSI命令集是SCSI設(shè)備通用命令集。SCSI有3種字長的命令：6字節(jié)、10字節(jié)和12字節(jié)。Microsoft Win—dows環(huán)境下支持12字節(jié)長的命令。圖5給出了通用的UFI命令塊的格式。請注意，這些字節(jié)就是CBW封包中CBWCB字段的內(nèi)容。
對不同的命令只需根據(jù)SCSI命令集白皮書作出適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)。Pm25LV010的最小擦除單位為扇區(qū)(4 KB)，故在程序中定義一個4 KB的緩沖區(qū)Cache_STRUC Flash-Cache，把每次收到的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)中，到緩沖區(qū)滿數(shù)據(jù)接收完畢時再將其寫入Flash存儲器中，流程如圖6所示。
2．3 Flash存儲器的讀寫控制
Flash存儲器讀寫程序由SPI控制和Pm25LV010控制兩部分組成。
Pm25LV010 Flash存儲器采用的是SPI串行接口，其SPI有兩種工作模式——模式O和模式3。SPI．c完成SPI底層操作，給Pm25LV010控制程序提供一個讀寫1字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)。該函數(shù)使用SPI模式0。
Pm25LV010控制程序完成Pm25LV010器件的所有操作，其向高層提供的函數(shù)及功能如表2所列。
Pm25LV010的最小擦除單位是扇區(qū)(每扇區(qū)4 KB)，在改寫扇區(qū)內(nèi)任意一字節(jié)數(shù)據(jù)時都需要將該扇區(qū)擦除。針對這種情況，在程序中定義了一個4 KB大小的緩沖區(qū)，當(dāng)上層調(diào)用函數(shù)WriteToFlash()向Flash寫數(shù)據(jù)時，并不直接寫入Flash，而是先寫到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其流程如圖7所示。
3 結(jié)論
基于LPC2132微控制器的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)了USB驅(qū)動、Bulk-Only傳輸協(xié)議、SCSI命令集，實(shí)現(xiàn)了完整的U盤功能。
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