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1 引言 USB2.0規范的推出極大地刺激了包括各類(lèi)計算機外設在內的多種電子消費產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設計, USB已成為微機和眾多電子設備的重要標準接口。目前國外一些大公司已陸續推出了符合USB2.0規范的接口芯片，但國內對該領(lǐng)域的研究尚處于較初級的階段。本文對USB IP核設計方法,提出了一種USB2.0設備接口IP核固件的實(shí)現方案，該方案采用合理定義的層次模型并已被實(shí)現，實(shí)驗結果表明該方案具備良好穩定性和可擴展性的固件結構。 2 USB2.0設備接口IP核的設計 USB2.0設備接口芯片IP核分為硬件和固件兩大部分。其中硬件部分主要完成USB2.0協(xié)議中的鏈路層功能；而固件除協(xié)助硬件完成USB2.0協(xié)議外，還負責解釋設備子類(lèi)協(xié)議，并實(shí)現對具體外部應用系統（設備元件）的操作。 從硬件結構分析，基于增強型8051MCU核的 USB2.0設備接口芯片(IP核)應包括以下幾個(gè)模塊： （1）USB2.0傳輸宏單元接口模塊UTMI（USB2.0 Trans ceiv er Macrocell Interface）： USB2.0 IP核與USB總線(xiàn)之間的接口，負責接收USB2.0總線(xiàn)上的高速串行數據； （2）串行接口引擎模塊SIE（Serial In ter face Engine）：一方面與UTM接口進(jìn)行USB總線(xiàn)上的包級處理和傳輸級處理；另一方面與內部的端點(diǎn)緩沖及MCU進(jìn)行交互； （3）端點(diǎn)緩沖模塊Endpoint_Buffer：存放與主機端交互的數據； （4）通用可編程接口及多總線(xiàn)模塊GPIO- &MultiBus：IP核與外部應用系統（設備元件）之間的聯(lián)系通道，包括DMA控制模塊； （5）微處理器模塊MCU及其接口模塊MCU_ Bus：MCU（8051核）中固件將配合其他各硬件模塊完成所需功能。 USB2.0設備接口IP核固件不僅要完成與主機的通信，還要實(shí)現對外部應用系統（設備元件）操作，因此，IP核固件可分為以下三大模塊。 （1）USB傳輸處理模塊：接收并分析底層硬件送來(lái)的各種信號（如SIE送來(lái)的各種中斷請求），負責將Endpoint中接收到的主機命令/數據向上傳送到主機命令解析模塊，并在需要時(shí)向主機返回命令處理結果； （2）主機命令解析模塊：分析處理USB傳輸處理模塊送來(lái)的主機命令，并負責將命令執行結果返給USB傳輸處理模塊； （3）設備應用處理模塊：根據主機命令發(fā)送具體操作信號到外部應用系統（設備元件），并返回外部器件的狀態(tài)/數據。 為使固件系統充分穩定并具有良好的可擴展性，我們將固件抽象為設備枚舉、傳輸控制、命令解析、外部應用操作等幾個(gè)層次，如圖1所示。 3 USB大容量存儲設備固件的設計與實(shí)現 本IP核固件采用的是Windows OS支持的Bulk-Only傳輸協(xié)議及SCSI命令集。 3.1 固件總流程 圖2所示為USB大容量存儲設備固件工作流程。 該固件涉及到對4個(gè)主要中斷的處理，即 Com mand端點(diǎn)0的In 中斷和Out中斷、Bulk-In端點(diǎn)中斷和Bulk-Out端點(diǎn)中斷。其中端點(diǎn)0主要用于設備枚舉過(guò)程中主機與設備的交互，Bulk端點(diǎn)則用于枚舉成功后主機與設備的交互。 3.2 設備枚舉層流程 圖3所示為USB設備的枚舉流程。設備從接入 USB電纜開(kāi)始，依次經(jīng)過(guò)Attached、Powered、Default和Addressed幾個(gè)狀態(tài)，最終進(jìn)入Configured態(tài)成為可用設備。 枚舉過(guò)程中所需的各種描述符表可由用戶(hù)設置后存放在指定存儲單元。 3.3 Bulk-Only傳輸控制層流程 設備枚舉成功后Bulk端點(diǎn)開(kāi)始工作。設備端 Bulk-Only工作流程如下： 1.主機通過(guò)Bulk-Out端點(diǎn)發(fā)出命令包CBW； 2.設備接收CBW，解析其中包含的SCSI命令； 3.設備執行SCSI命令，如需要，通過(guò)Bulk端點(diǎn)完成Data交換； 4.設備根據SCSI命令執行情況通過(guò)Bulk-In端點(diǎn)返回命令狀態(tài)包CSW給主機； 5.設備等待主機的下一個(gè)CBW。 圖4所示為Bulk-In和Bulk-Out中斷服務(wù)流程。其中涉及到USB設備的幾種工作狀態(tài)有： （1）命令接收態(tài)：本次命令處理完（已返回 CSW），設備等待下一次主機命令。在該狀態(tài)下，設備將等待Bulk-Out中斷，試圖從Bulk-Out端點(diǎn)接收一個(gè)有效的CBW。 （2）狀態(tài)發(fā)送態(tài)：本次命令已執行完畢，等待主機索要CSW。在該狀態(tài)下，設備將等待Bulk-In中斷，試圖從Bulk-In端點(diǎn)發(fā)送一個(gè)有效的CSW 給主機。 （3）數據接收態(tài)：設備通過(guò)解析主機命令得知主機將發(fā)送數據，于是設備等待接收數據。在該狀態(tài)下，設備將等待Bulk-Out中斷，試圖從Bulk-Out端點(diǎn)接收一個(gè)或一批數據。數據接收完后設備將根據具體情況確定命令執行結果狀態(tài)。 （4）數據發(fā)送態(tài)：設備通過(guò)解析主機命令得知主機將索要數據，于是設備準備發(fā)送數據。在該狀態(tài)下，設備將等待Bulk-In中斷，試圖從Bulk- In端點(diǎn)發(fā)送一個(gè)或一批數據。數據發(fā)送完設備將根據具體情況確定命令執行結果狀態(tài)。 （5）異常狀態(tài)：當發(fā)生某些不可預知的錯誤時(shí)，設備進(jìn)入異常態(tài)，并將根據不同錯誤類(lèi)型采取不同措施試圖從錯誤中恢復。 3.4 SCSI命令解析（層）流程 對某種特定的大容量存儲設備來(lái)說(shuō)，一些無(wú)意義的SCSI命令可以不必處理（實(shí)際上主機也不會(huì )使用這些命令）。設備在接收到有效的SCSI命令后，將根據命令的不同要求為數據的發(fā)送或接收做好準備，并切換到下一個(gè)有效的工作狀態(tài)，如圖5 所示。 3.5 對存儲介質(zhì)的讀寫(xiě)操作及優(yōu)化 設備固件在正確分析主機送來(lái)的SCSI命令后，可能會(huì )對存儲介質(zhì)進(jìn)行讀、寫(xiě)、擦除等操作。為進(jìn)一步提高存儲介質(zhì)的讀寫(xiě)速度，本固件方案還對存儲介質(zhì)操作進(jìn)行了有效的優(yōu)化： （1）大批量數據讀寫(xiě)時(shí)采用了DMA方式； （2）對寫(xiě)操作需時(shí)較長(cháng)的存儲介質(zhì)（如 FLASH）采用了中間緩沖，以減少寫(xiě)操作次數或將寫(xiě)操作移至后臺進(jìn)行； （3）對存儲介質(zhì)上的磁盤(pán)碎片定期進(jìn)行優(yōu)化整理。 合理地組合應用這些方法可以有效地改進(jìn)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)的效率。 4 結論 上述大容量存儲設備的IP核固件已成功實(shí)現，其硬件基礎是具有自主版權的、含MCU51核的USB設備接口IP核，固件采用Keil51C語(yǔ)言和51匯編語(yǔ)言混合完成。該固件采用分層設計，可以較容易地根據具體應用環(huán)境替換其中某些層次的代碼模塊，具有較強的移植性和實(shí)用性。為保證IP核固件具有一定的"健壯性"，實(shí)現過(guò)程中還需要注意仔細設計其中的錯誤檢測和錯誤恢復機制，包括如何合理安排眾多的中斷源、如何充分考慮協(xié)議中規定的操作時(shí)間限制、如何處理Watch Dog溢出等等。 本文討論的USB2.0設備固件方案不僅有效改進(jìn)和提高了USB設備的設計開(kāi)發(fā)水平，還可廣泛應用于USB2.0設備接口的實(shí)際應用設計,具有良好的理論和應用價(jià)值。 |
