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1．引言 閃存盤(pán)（FLASH MEMORY）是USB接口的一種典型應用，1999年朗科研發(fā)出全球第一款USB閃存盤(pán)，成功啟動(dòng)了全球閃存盤(pán)行業(yè)。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(xiě)性、高可靠性、低成本等特點(diǎn)，是高數據存儲密度的最佳選擇，在外部存儲領(lǐng)域、嵌入式系統、工控行業(yè)和信息家電業(yè)得到廣泛使用，如手機、數碼相機、MP3等。市場(chǎng)上的FLASH有多種技術(shù)來(lái)實(shí)現，其中最常用的有NAND（與非）和NOR（異或）兩種。 武漢電離層觀(guān)象臺的高頻多普勒與到達角探測分析系統在投入實(shí)際觀(guān)測后，獲得了一些很重要的觀(guān)測數據[1]，該系統的數據采集單元采用閃存作為數據移動(dòng)存儲設備，實(shí)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(kāi)發(fā)USB移動(dòng)存儲器使其更穩定安全地工作，具有重要的價(jià)值。本文首先介紹移動(dòng)存儲設備的硬件設計部分，重點(diǎn)討論了該移動(dòng)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(xiě)是本設計的重點(diǎn)。 2. 硬件實(shí)現 本移動(dòng)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(zhì)采用SAMSUNG公司的NAND FLASH 芯片K9K2G08U0A。 2.1 AT89C5131芯片特點(diǎn) AT89C5131是ATMEL公司生產(chǎn)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(hù)數據的存儲，具有1個(gè)控制端口和6個(gè)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(yōu)點(diǎn)是采用開(kāi)發(fā)者熟悉的結構和指令集，處理能力強，構成系統的電路簡(jiǎn)單，調試方便。 2.2 K9K2G08U0A芯片特點(diǎn) 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(yè)，每頁(yè)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(yè)完成2112個(gè)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(shí)隨機讀數時(shí)間是25μs；數據線(xiàn)與地址線(xiàn)復用為I/O0-I/O7共 8根線(xiàn)；另外還分別提供了命令控制信號線(xiàn)；數據保存時(shí)間超過(guò)10年。NAND FLASH存儲器不會(huì )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(chǎn)品升級，但芯片的連接方法與編程訪(fǎng)問(wèn)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(xiě)入相應的命令才能順利執行閃存的各種操作，由于數據線(xiàn)與地址線(xiàn)復用為8根線(xiàn)，因此地址、命令以及數據的輸入/輸出需要通過(guò)命令鎖存信號(CLE)和地址鎖存信號(ALE)共同控制從而分時(shí)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(xiě)使能信號。在其上升沿時(shí)，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(shí)，輸出數據到I/O總線(xiàn)，同時(shí)，它還可以對內部數據地址進(jìn)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(shí)，命令在 上升沿通過(guò)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(shí)，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(shí) 為高電平而被忽略，當處于編程和擦除操作時(shí)設備不能回到備用狀態(tài)。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(shí)，表示編程、擦除和隨機讀操作正在進(jìn)行，在操作完成后返回高電平；當芯片沒(méi)被選中或輸出禁止時(shí)，其為高電平時(shí)。該信號與 AT89C5131芯片的P1.3引腳連接。 3. 固件設計實(shí)現 本文設計的USB移動(dòng)存儲設備采用Bulk-Only傳輸方式，遵循UFI命令規范。移動(dòng)存儲設備固件的主要功能是響應USB總線(xiàn)的各種標準請求，向主機返回設備的狀態(tài)信息；同時(shí)，解析接收到的SCSI命令，進(jìn)行相應的命令處理和數據讀寫(xiě)操作。固件設計采用中斷驅動(dòng)，當AT89C5131從總線(xiàn)上接收到請求包時(shí)，通過(guò)調用相應的中斷事件處理函數來(lái)實(shí)現，后臺處理USB傳輸，從而保證了閃存的快速讀寫(xiě)速率。主要中斷事件有： (1)主循環(huán)等待USB中斷，設置相應標志位。移動(dòng)存儲設備插入主機后，主機向移動(dòng)閃存的控制斷點(diǎn)0發(fā)出標準請求，固件進(jìn)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(guān)驅動(dòng)程序。 (2)當USB主機通過(guò)Bulk-In端口讀取閃存數據后，產(chǎn)生Bulk-In端口中斷。 (3)當AT89C5131通過(guò)Bulk-Out端口接收到主機發(fā)送的命令字CBW后，觸發(fā)Bulk-Out端口中斷。 3．1 響應USB總線(xiàn)標準請求 當USB移動(dòng)存儲設備接入主機后，USB主機控制器對設備進(jìn)行總線(xiàn)枚舉過(guò)程，首先向設備發(fā)送標準USB請求GET_DESCRIPTOR來(lái)獲得最大數據包長(cháng)度；接著(zhù)發(fā)出SET ADDRESS請求，為設備分配地址；使用新分配的地址再次發(fā)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(dòng)程序；最后，發(fā)出SET CONFIGURATION請求配置端口屬性。 USB設備通過(guò)控制端口響應USB標準請求，實(shí)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(huì )發(fā)出Inquiry、Mode_Sense、Read_Capacity等請求，提供閃盤(pán)基本信息，如扇區大小、簇大小、閃盤(pán)容量等，當請求結果正確后，便會(huì )發(fā)出Read(10)命令，進(jìn)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(gè)固定12字節長(cháng)度的操作命令，用于 USB主機和 USB 移動(dòng)存儲設備之間進(jìn)行命令字CBW (Command Block Wrapper)、普通數據、狀態(tài)字CSW (Command Status Wrapper)的交換。 USB移動(dòng)存儲設備接收到來(lái)自于USB主機Bulk-Out端口發(fā)給其的CBW命令字后，按照SCSI的命令格式進(jìn)行解析，得到其中的命令信息，如：格式化設備、查詢(xún)設備信息、讀寫(xiě)設備等，對移動(dòng)存儲設備執行相應的命令后，向主機Bulk-In端口返回狀態(tài)字 CSW，報告命令執行情況，主機根據反饋的狀態(tài)字決定是否繼續發(fā)送命令字或是數據。 3．3 閃存的操作實(shí)現 K9K2G08U0A芯片以頁(yè)為單位來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)，以塊為單位進(jìn)行擦除。K9K2G08U0A支持的操作主要有幾種：讀操作(Read)、頁(yè)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(tài)(Read Status)等操作。在進(jìn)行寫(xiě)操作之前，必須對寫(xiě)單元所在塊進(jìn)行擦除，因此事先需要對所擦除塊內容進(jìn)行保存。 如果閃存存在壞塊，則在進(jìn)行讀、頁(yè)編程、塊擦除、塊復制等操作時(shí)會(huì )失敗，因此對壞塊要進(jìn)行提前檢測并進(jìn)行標注。芯片在出廠(chǎng)時(shí)，在每塊的第一頁(yè)和第二頁(yè)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(xiě)操作過(guò)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(jìn)行數據寫(xiě)的步驟如下：(1)將寫(xiě)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(kāi)辟緩沖區域，將寫(xiě)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(xiě)入的數據扇區；(4) 利用 Page Program操作將主機傳輸的數據寫(xiě)到閃存中；(5)利用Copy-Back Program操作將緩沖區的數據寫(xiě)入指定扇區。 K9K2G08U0A編程器件以頁(yè)為單位編程，它允許在單頁(yè)編程周期中對部分頁(yè)或一個(gè)甚至連續的多達2112個(gè)連續字節編程。一個(gè)頁(yè)編程周期由2個(gè)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(zhù)是5個(gè)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(zhù)該編程階段的開(kāi)始，將已加載的數據寫(xiě)入實(shí)際的存儲單元，編程典型時(shí)間為200μs。之后R/ 跳低，進(jìn)入閃存內部編程，最后進(jìn)入讀狀態(tài)確認操作，命令70h表示讀狀態(tài)命令，I/O0表示讀到的狀態(tài)。頁(yè)編程實(shí)現代碼如下： void PageWrite(void ) //頁(yè)編程 { CheckBlock(startpage); //檢測壞塊列表 if(FirstP) // FirstP為1，開(kāi)始對一頁(yè)進(jìn)行寫(xiě)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(fā)送地址開(kāi)始 AddrOut (addr1); //得到頁(yè)地址，五個(gè)周期 AddrOut (addr2); AddrOut (addr3); AddrOut (addr4); AddrOut (addr5); F_ALE=0; FirstP =0; } WriteData(BuffBlock); //將數據寫(xiě)入緩沖區 FlagWrite =0; Do{ F_WE=0; WriteFlash(); //將數據寫(xiě)入flash FlagWrite++; F_WE=1; }while(FlagWrite<64); //寫(xiě)滿(mǎn)一頁(yè)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(xiě)下一頁(yè) FirstP =1; } 4．結束語(yǔ) 本文在充分研究USB2.0協(xié)議、Bulk-Only傳輸協(xié)議和SCSI指令規范的基礎上，設計出USB2.0高性能移動(dòng)存儲設備。本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：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(guò)程之中；并采用中斷驅動(dòng)設計固件程序，提高了讀寫(xiě)效率。實(shí)驗證明，其性能穩定可靠，讀寫(xiě)數據速度達到了令人滿(mǎn)意的效果。移動(dòng)數據的交換和存儲是目前IT行業(yè)的熱點(diǎn)，可以在此基礎上，不斷完善現有設計方案，繼續研究開(kāi)發(fā)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(jìn)行數據的存儲與交換。 參考文獻 1. AT89C5131 Datasheet 2. K9K2G08UOA,256M*8Bit NAND Flash Memory,SAMSUNG Electronics 3. 廖濟林.USB2 0 應用系統開(kāi)發(fā)實(shí)例精講 2006 4. 胡榮強.郝艷杰.唐盛 USB接口在數據采集系統中的應用 [期刊論文] -微計算機信息2005(1) 作者：XIONG Ying 來(lái)源：微計算機信息 2008 24(20) |
