在單片機上實現USB移動存儲

第1章 主要硬體晶元介紹
1.1系統總體設計
   USB主機系統設計是一個軟、硬體結合的整體，宏觀上主要包括三個層次的設計：USB匯流排物理層介面設計、USB核心繫統設計和USB客戶系統設計。匯流排介面主要處理主機與設備之間的電氣及協議層的互連，是信息包進出的物理橋樑；USB核心繫統主要管理和協調主機與從機間的邏輯數據傳輸，解析雙方聯繫的握手協議，是驗證信息包的邏輯關卡；客戶系統是最終用戶直接和USB設備功能交互的邏輯平台，不同的USB設備歸屬於不同的類，是利用相關的類協議來實現的，所以客戶系統驅動程序具有多變性，需要為專門的類定製專門的驅動程序。
    在單片機上實現USB移動存儲功能，具體包括USB主機介面的硬體設計和整機USB驅動固件的設計。其中驅動固件的設計具體又包含幾個協議的實現：USB1.1控制傳輸協議、USB BULK傳輸協議、USB海量存儲類協議、UFI磁碟操作命令和FAT文件系統標準等。

1.2硬體設計
1.2.1USB主控制器
    USB主控制器主要是完成底層物理介面設計，是USB系統架構的必要部分，是USB數據包進出的必經通道。本系統採用的USB主機晶元是Cypress公司的SL811HS。Cypress公司是最早從事USB晶元開發的公司之一，其EZ-USB系列晶元在業界有非常好的口碑。SL811HS是當經第一個支持USB 主從機的介面晶元，性能穩定，資料全面。
（1）晶元特性
     SL811HS是自動兼容USB全速或者低速的嵌入式USB主從機的介面晶元，它支持微處理器、微控制器或者DSP的USB介面設計，同時也可以直接連到ISA、PCMICA等其它匯流排[8]，晶元使用標準的USB1.1協議。SL811HS通過內部集成的全/低速傳輸引擎產生USB串列介面功能，在全速時帶寬為12Mbps，低速時為1.5Mbps。晶元支持8位并行數據埠或者I/O口的設計，同時也支持DMA，自動中斷檢測連介面，可以非常容易地在MCS-51系列微處理器、摩托羅拉微控制器或者其它控制晶元上完成設計。總的來說具有如下特性：

1. 可在軟體控制下，單一地實現主機或者從機功能，28腳PLCC，48腳TQFP封裝。
2. 低速1.5Mbps，高速12Mbps，主從模式下都一樣。
3. 自動檢測連接設備是否為高速或者低速。
4. 支持8位雙向並口傳輸，或者I/O口，DMA傳輸。
5. 片上集成SIE和USB傳輸器。
6. 片上集成了一個USB根集線器。
7. 256位元組內部SRAM,支持乒乓傳輸。
8. 工作頻率在12M或者48M，3.3伏供電，最高5伏耐壓介面。
9. 支持匯流排掛起、喚醒和掉電模式。
10. 自動產生SOF和循環冗餘校驗，自動地址增長模式，保存讀寫周期。

SL811HS內部電路結構見圖1.1
 

（2）相關寄存器介紹
    USB系統驅動的編程，實質上就是對SL811HS的寄存器和一些緩存區的讀寫，SL811HS內部一共有256個位元組的緩存，高端240個位元組作為通用內存，可以隨意訪問，低端16個位元組是特殊功能寄存器，USB的一些規範就融合在裡面。SL811HS有A、B兩套并行的寄存器，功能和使用完全一樣，見表1.1。
 
（3）介面電路
    SL811HS既可以作為嵌入式的主機又可以作為設備，靈活性非常大。它可以直接連到處理器或者按內存映射的方式接到ARM處理器上。硬體設計時候主要注意幾個關鍵引腳的處理：

1. nCS：低電平有效，使能SL811HS介面和讀寫寄存器與內存。必須使nCS在一個傳輸周期中至少要保持65納秒以上才能進行有效的通信。
2. nWR：低電平有效，要使數據有效nWR也至少需要持續65個納秒以上。一但nWR  為低時，匯流排上的信息至少要保持5個納秒。
3. nRD：低電平有效，讀取數據之前，必須先寫入地址，nRD的最小周期是65個納秒。一但nRD為低時，匯流排上的信息至少要保持5個納秒。
4. A0：低電平時代表地址，高電平時代表數據。A0至少要保持10個納秒以上才能保證數據正確寫入。
5. INTRQ：高電平有效，當傳輸事務完成，或者有外部設備接入時，就會觸發中斷。通過寫入中斷寄存器可以清除中斷。
6. nRest:低電平有效，SL811HS上電后需要複位。

常見8位嵌入式處理器和SL811HS的連接見圖1.2。SL811HS讀時序見圖1.3，寫時序見圖1.4。
 
 
 
1.2.2 微處理器
    本設計的主要目的是在普通單片機下能夠使用USB移動存儲，同時通過該系統的串口能夠完成讓外部的嵌入式設備也能使用USB移動存儲。主機處理器晶元選用兼容MCS-51指令的AT89C52，並外擴一個32K的RAM。系統的功能設計見圖1.5。
 
    AT89C52控制器主要是通過SL811HS對USB移動存儲進行操作，外部控制按鈕（小鍵盤）輸入不同的值可以實現不同的功能，比如寫文件、讀文件、建立目錄或刪除文件等。RS232介面，主要是留給外部系統使用，其它的嵌入式系統只要接上該系統的串口，按照一定的命令格式就可以通過串口使用USB移動存儲。根據SL811HS容錯報告所知，SL811HS的內部鎖相環非常敏感，易受高頻雜訊干擾，從而導致時鐘抖動，進而會使SOF不準確（標準周期為1毫秒）。解決這個問題有兩種措施：

1. 盡量使用有源的48M晶體
2. 備選方案是使用無源48M晶振，同時在SL811HS的VDD腳加上適當的濾波電容，並注意PCB的布線。