探究USB-Host的大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

引言

隨著移動數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USB主機(jī)功能，以實現(xiàn)利用USB存儲設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的需求變得日益迫切。U盤作為新型移動存儲設(shè)備，以體積小、速度高、抗震動、通用性強(qiáng)的特點倍受青睞，因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中開發(fā)出嵌入式USB主機(jī)控制U盤作為數(shù)據(jù)存儲器，將具有良好的實用價值和應(yīng)用前景。

1 USB大容量存儲設(shè)備協(xié)議分析

基于USB的大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，主要是要實現(xiàn)嵌入式USB-Host。要想設(shè)計出能直接讀寫U盤的嵌入式USB-Host，就必須理解USB大容量存儲設(shè)備協(xié)議。目前USB大容量存儲設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，虛線左邊部分是主機(jī)的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，也是嵌入式USB-Host所要實現(xiàn)的。左邊最頂層是FAT文件系統(tǒng)層API，用于提供給用戶訪問存儲設(shè)備的方法。

U盤中的數(shù)據(jù)都是以文件格式存儲的，F(xiàn)AT16因具有高度兼容性而被廣泛應(yīng)用于移動存儲設(shè)備中。這里簡要分析一下FAT16文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲空間的組織原則。

（1）FAT16文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FAT格式的磁盤大致可以分5個部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、FDT區(qū)和DATA區(qū)。

MBR區(qū)：又稱主引導(dǎo)記錄，其后為64字節(jié)的DPT（Disk Partition Table，磁盤分區(qū)表）。由于不需要從U盤啟動，且U盤就一個分區(qū)，所以U盤上沒有這個數(shù)據(jù)區(qū)。

DBR區(qū)：即操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)，通常占用分區(qū)的第O扇區(qū)，共512字節(jié)，由跳轉(zhuǎn)指令、BPB、結(jié)束標(biāo)志幾部分組成。

FAT區(qū)：存放文件分配表。文件分配表是一一對應(yīng)于數(shù)據(jù)區(qū)簇號的列表，反映了所有簇的使用情況。每個表項單元的大小決定了FAT的類型，比如FAT16的表項單元為16位。FAT表一般都有一個備份。

FDT區(qū)：存放著文件目錄表，位于備份FAT表之后。FDT由32位的目錄項線性構(gòu)成，記錄著根目錄下每個文件（子目錄）的起始單元、屬性等。FDT大小為32個扇區(qū)，最多可以保存512個目錄項。

DATA區(qū)：是真正意義上的數(shù)據(jù)存儲的地方，位于FDT之后，占據(jù)硬盤上的大部分?jǐn)?shù)據(jù)空間。

（2）FAT16的存儲空間組織原則

當(dāng)磁盤空間格式化為FAT分區(qū)時，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)就將這個分區(qū)當(dāng)成整塊可分配的區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，以便數(shù)據(jù)的存儲。FAT將磁盤空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)行劃分，這樣的單位稱為簇。通常情況下，每扇區(qū)512字節(jié)的原則是不變的。簇的大小一般是2n（n為整數(shù)）個扇區(qū)的大小（每個簇的最大存儲空間為32 KB）。一般采用邏輯塊LBA（Logical Block Addressing）尋址方式。

圖1虛線左邊中間的UFI／ATA驅(qū)動層將應(yīng)用程序的訪問轉(zhuǎn)換成UFI或ATA命令／數(shù)據(jù)格式，與外部存儲設(shè)備之間按照子規(guī)范UFI或ATA的定義進(jìn)行命令／狀態(tài)／數(shù)據(jù)的交換；最底層則是USB傳輸驅(qū)動，負(fù)責(zé)將上層的UFI／ATA數(shù)據(jù)發(fā)送到USB總線上以及接收從存儲設(shè)備返回的狀態(tài)／數(shù)據(jù)。CBI／Bulk-Only／ATA／UFI是USB Mass Storage類規(guī)范中4個獨立的子類規(guī)范的簡稱。前兩個子規(guī)范定義了數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)在USB上的傳輸方法。Bulk-Only傳輸規(guī)范僅使用Bulk端點傳送數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)，CBI傳輸規(guī)范則使用Control／Bulk／Interrupt三種類型的端點進(jìn)行數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)傳送。后兩個子規(guī)范則定義了存儲介質(zhì)的操作命令。ATA命令規(guī)范用于硬盤，UFI命令規(guī)范是針對USB移動存儲而制定的。

2 嵌入式USB-HOST設(shè)計

2．1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核的單片機(jī)STC89C516RD+作為中央處理芯片，選用南京沁恒電子公司的CH375S作為USB主機(jī)控制芯片。

STC89C516RD+具有64 KB的Flash程序存儲器，1280字節(jié)的RAM（256字節(jié)的內(nèi)部RAM和1KB的外部RAM），支持在系統(tǒng)／在應(yīng)用可編程（ISP，IAP）；CH375S是一款符合USB1．1協(xié)議規(guī)范的USB總線的通用接口芯片，支持USB-Host主機(jī)方式和USB-Device／Slave設(shè)備方式。CH375S具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，因此CH375S作全速USB-Host主機(jī)接口時，外圍元器件只需要晶振和電容，就可以方便地掛接到單片機(jī)／DSP／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。

考慮到讀／寫U盤或移動硬盤時一般都是以扇區(qū)模式進(jìn)行的，所以要加磁盤數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和文件數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（都是512字節(jié)的整數(shù)倍），并且緩沖區(qū)越大，執(zhí)行的效率越高，所以外擴(kuò)了32 KB的RAM。

USB-Host電路如圖2所示。

根據(jù)以上分析，即可設(shè)計如下文件操作：

①創(chuàng)建文件。在FDT中申請新目錄項。

②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，則須在備份FAT表的相應(yīng)位置填入正確的內(nèi)容。

③刪除文件。除了將FDT中對應(yīng)的目錄項置相應(yīng)標(biāo)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。

由于在FAT16中子目錄被視為特殊的文件，對其操作類似于文件操作，所以不再贅述。

構(gòu)建的FAT16文件系統(tǒng)對用戶提供文件級API函數(shù)，如CH375_Creat_File（）、CH375_write_File（）、CH375_Delete_File（）等，當(dāng)執(zhí)行文件級API函數(shù)時，將調(diào)用Seck_Empty_Cluster（）尋找一個空簇、Link_Cluster_List（）建立簇鏈、Seck_Sector（）定位文件指針等中間函數(shù)。這些中間函數(shù)在調(diào)用CH375S專用于海量存儲設(shè)備類對應(yīng)的命令，如SET_USB_MODE、DISK_READ、DISK_WRITE等。下面以創(chuàng)建ADC．TXT，并向其中寫入A／D采樣數(shù)據(jù)為例，其工作流程如圖3所示。

用FAT16文件系統(tǒng)存儲文件時最小單元為簇。即使一個很小的文件也會占用一簇，所以，為了節(jié)約存儲空間，在圖3中將創(chuàng)建同名文件并向其中寫入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為向原文件追加數(shù)據(jù)。

3 大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

利用已設(shè)計好的嵌入式USB-Host搭建起大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

溫度傳感器采用DS18B20。它是單總線數(shù)字溫度傳感器，測量范圍為-55～+125℃，可編程9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)O．0625℃。液晶采用TM320240ECCW，它是320×240點陣液晶，顯示控制芯片是SED1335，既可以以文本模式顯示所測溫度數(shù)據(jù)，也可以自建平面坐標(biāo)以曲線模式顯示溫度數(shù)據(jù)。外擴(kuò)了4×5鍵盤，用于設(shè)定采集的時間間隔、時間長度；系統(tǒng)所允許的高、低溫容限；設(shè)定采集時的時間以及輸入自己想查看數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域。

鍵盤用8279管理，目的是減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。因為單片機(jī)處理溫度采集及溫度數(shù)據(jù)在液晶上顯示時已經(jīng)耗去一些時間，再加上定時和不定時的讀／寫U盤，負(fù)荷已經(jīng)很重了，所以鍵盤掃描與處理交給8279來做。單片機(jī)采用查詢方式查詢8279的中斷。

驅(qū)動程序包括液晶驅(qū)動、DS18820驅(qū)動和8279驅(qū)動。其中主要的工作是液晶驅(qū)動程序的編寫。液晶驅(qū)動包括初始化液晶、讀寫參數(shù)子程序、寫命令子程序、建坐標(biāo)子程序、繪點子程序、漢字寫入子程序等。液晶在系統(tǒng)初始化和對U盤初始化與枚舉時顯示提示信息，在采集過程中，以曲線模式顯示溫度數(shù)據(jù)。

結(jié)語

基于CH375S實現(xiàn)的USB-Host接口，其硬件結(jié)構(gòu)便于在其他開發(fā)平臺上擴(kuò)充，其核心的文件層協(xié)議棧采用標(biāo)準(zhǔn)的C語言編寫，具有良好的移植性。類似的基于USB的大容量數(shù)據(jù)采集方案已用于輕軌鐵路、無紙記錄儀的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中。隨著USB OTG時代的到來，基于USB的大容量數(shù)據(jù)采集將會有非常廣闊的應(yīng)用前景。

編輯：jq