引 言
          USB（通用串行總線）用于將適用USB的外圍設備（device）連接到主機（host），實現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠靠偩€結構；是一種快速、靈活的總線接口。它   大的特點是易于使用，主要是用在中速和低速的外設。
          隨著USB規(guī)范的完善和成熟，USB外設的種類不斷豐富，應用領域也不斷擴大。在傳統(tǒng)的應用中，主要是PC扮演著主機的角色。根據(jù)USB的規(guī)范，可以看到在USB的拓樸結構中居于   地位的是主機，每   的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機發(fā)起和控制。但是隨著嵌入式產(chǎn)品應用領域的日益增長，USB外設的應用范圍也隨之擴大，為此在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)對USB外設控制也變得日益迫切。
          本文針對USB外設中的U盤，說明如何在嵌入式系統(tǒng)中利用SL811HS實現(xiàn)對其的操作。
          1 海量存儲類
          USB設備分為五個大類，即顯示器（monitors）、通信設備（communications devices）、音頻設備（audio）、人機輸入（human input）和海量存儲（mass storage）。
          通常所用的U盤、移動硬盤均屬于海量存儲類。
          海量存儲類的規(guī)范中包括四個獨立的子規(guī)范，即CBI Transprot、Bulk-Only Transport、ATA Command Block、UFI Command Specification。前兩個協(xié)議定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸協(xié)議僅僅使用Bulk端點傳送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)，CBI傳輸協(xié)議則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點進行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)的傳送。后兩個協(xié)議定義了存儲介質(zhì)的操作命令，ATA協(xié)議用于硬盤，UFI協(xié)議則針對USB移動存儲。
          本設計中所使用的U盤遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議和UFI命令規(guī)范。
          2 實現(xiàn)方法
          2.1 硬件設計
          本設計采用SL811HS芯片完成對U盤的操作。SL811HS是Cypress公司推出的具有主/從兩種工作模式的USB控制器，遵循USB1.1規(guī)范；可自動檢測總線速率，支持全速12Mbps和低速1.5Mbps設備；具有8位雙向的數(shù)據(jù)總線，易與單片機連接；片內(nèi)256字節(jié)的SRAM（其中16字節(jié)用于工作寄存器），用于數(shù)據(jù)傳輸；可自動產(chǎn)生SOF和CRC5/16，簡化軟件工作量；片內(nèi)具有根Hub；支持掛起/喚醒工作模式，減少功耗；支持自動加1功能，減少數(shù)據(jù)讀寫周期；3.3V工作電源，接口可承受5V的工作電壓，可與多種規(guī)格的單片機連接。
          單片機與SL811HS接口的原理如圖1所示。

          2.2 軟件設計
          通過USB主控芯片對U盤操作的主要工作是在軟件方面，它需要對眾多規(guī)范、協(xié)議透徹的理解。下面主要通過軟件的工作流程來說明設計過程。
          2.2.1 SL811HS初始化
          SL811HS共有15個配置寄存器，其中0~4、8~C是USB-A、USB-B的工作配置寄存器，5、F是控制寄存器，6是中斷使能寄存器，D為狀態(tài)寄存器，E、F為SOF計數(shù)寄存器。

          在SL811HS上電開始工作后，首先對USB總線復位（置寄存器5的位3為1，延時30ms后清零），然后使能設備檢測中斷（置寄存器6為0x61）。
          2.2.2 設備檢測
          （1）軟件協(xié)議
          在設備檢測階段，主要通過setup結構的數(shù)據(jù)包（8字節(jié)長）向USB設備的控制端點0（默認端點）發(fā)送命令。數(shù)據(jù)包結構 

（2）實現(xiàn)過程
          當U盤插入USB插座時，SL811HS產(chǎn)生中斷，通過讀取中斷狀態(tài)寄存器可判斷中斷類型。當中斷類型表示為檢測到設備插入時，就可對USB設備即U盤進行配置了。此時還需使能SL811HS的1ms SOF（配置SL811HS的寄存器E=0xE0、F=0xAE，然后置位寄存器5的位0和寄存器0的位5），以便進行數(shù)據(jù)幀的同步。
          在U盤未配置之前，其默認地址和默認控制端點均為0。利用setup數(shù)據(jù)包對U盤進行配置時，須將U盤的地址寫入SL811HS的寄存器4，將數(shù)據(jù)包的類型和U盤的控制端點寫入SL811HS的寄存器3。
          以下為對U盤配置過程的主要步驟。
          ① 設備描述符（GetDeviceDescriptor）。請求設備描述符的setup數(shù)據(jù)包為
          通過讀取設備描述符，可獲得設備的子類（通用海量存儲類）、端點0的   大包長（一般為8字節(jié)）。

          ② 讀取配置描述符（GetConfigDescriptor）。
          對于請求配置描述符，可以先進行首次請求，要求數(shù)據(jù)包長為9（一個配置描述符的長度）。數(shù)據(jù)包內(nèi)容為

          接收到設備返回的數(shù)據(jù)，獲得此描述符的總長，然后再發(fā)二次請求，獲得全部描述符數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包內(nèi)容為

          此時返回的數(shù)據(jù)包括了設備配置、接口、端點的全部描述信息。
          此部分的內(nèi)容包括Configuration Descriptor、Interface Descriptor和所有端點的Endpoint Descriptor。在配置描述符中，可獲得設備的屬性（總線供電）以及   大功耗；在接口描述符，可獲得設備的接口數(shù)量（只有一個數(shù)據(jù)接口）、接口類型（海量存儲類）、接口子類代碼（UFI）、接口通信協(xié)議（Bulk-Only）；在端點描述符，可獲得設備的In和Out端點號及此端點的   大數(shù)據(jù)包長。
          ③ 設置設備地址（SetAddress）。設置設備地址的setup數(shù)據(jù)包為

          設備地址為02或03（01一般用來表示設備為Hub）。
          到此，U盤的配置過程完成。此后的主機與USB設備之間的通信必須使用設置的地址，默認地址0不再有效，傳輸端點則為讀取的配置描述符中所定義的端點號。
          在配置過程中各類數(shù)據(jù)內(nèi)容的正確性，可借助BusHound軟件工具捕捉PC機與U盤之間的活動數(shù)據(jù)，然后將自己獲得的數(shù)據(jù)包內(nèi)容與之相比較。
          2.2.3 U盤文件系統(tǒng)識別
          （1）軟件協(xié)議
          在與U盤之間進行大量數(shù)據(jù)傳輸時，需要利用描述符提供的In、Out端點進行數(shù)據(jù)傳送，并遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議。
          根據(jù)USB的協(xié)議規(guī)范，所有的傳輸都須由主機啟動。即主機首先向設備的OUT端點發(fā)送一命令（CBW數(shù)據(jù)包），請求傳輸，格式如表3所列。
         
          在數(shù)據(jù)包中規(guī)定了下一步的數(shù)據(jù)傳輸方向。若為設備到主機，則當CBW發(fā)送成功后，從設備的In端點讀取CBW中規(guī)定長度的數(shù)據(jù)；若為主機到設備，則當CBW發(fā)送成功后，向設備的Out端點發(fā)送CBW中規(guī)定長度的數(shù)據(jù)。
          當主機與設備之間的數(shù)據(jù)傳送完畢后，主機還需從設備的In端點讀取傳送狀態(tài)，主機根據(jù)接收的CSW數(shù)據(jù)包即可判斷出通信是否正常。若返回的結果有錯誤，還須進行相應的出錯處理。CSW數(shù)據(jù)包結構如表4所列。
         
          （2）實現(xiàn)過程
          CPU向U盤發(fā)送CBW數(shù)據(jù)包，其中的命令塊為UFI規(guī)范所定義的Read（10）命令。讀取0柱0道1扇區(qū)共512字節(jié)的MBR數(shù)據(jù)，前446字節(jié)為主引導記錄，接著的64字節(jié)為DPT（Disk Partition Table盤分區(qū)表），   后的2字節(jié)“55 AA”為有效結束標志。
          其中的DPT部分包含4個分區(qū)的數(shù)據(jù)結構，每個結構占16字節(jié)，具體定義如下：
          typedef struct{
          uchar BootFlag; //活動標志，80h為活動分區(qū)，0為非活動
          //分區(qū)
          CHS StartCHS; //分區(qū)開始的柱面、磁頭、扇區(qū)
          uchar SystemID; //分區(qū)類型
          CHS EndChs; //分區(qū)結束的柱面、磁頭、扇區(qū)
          ulong RelativeSectors; //分區(qū)起始扇區(qū)數(shù)
          ulong TotalSectors; //分區(qū)總扇區(qū)數(shù)
          }PartitionTable;
          從   個分區(qū)數(shù)據(jù)結構的分區(qū)起始扇區(qū)數(shù)（relative sectors）的位置讀取512字節(jié)，為DBR（系統(tǒng)引導記錄），包括一個引導程序和BPB（本分區(qū)的參數(shù)記錄表）。BPB參數(shù)塊記錄本分區(qū)的起始扇區(qū)、結束扇區(qū)、文件存儲格式、介質(zhì)描述符、根目錄項數(shù)、FAT個數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)、分配單元的大小等重要參數(shù)。
          根據(jù)保留扇區(qū)的數(shù)目可知FAT表的位置（RelativeSectors+保留扇區(qū)數(shù)）。FAT表是文件組織結構的主要組成部分，反映了磁盤上所有簇的使用情況。在給一個文件分配空間時，總先掃描FAT，找到   個可用簇，將該空間分配給文件，并將該簇的簇號填到目錄的相應段內(nèi)；若文件大于一個簇，則在FAT表中此文件的首簇號位置填入下一個可用簇號，直到   后一個簇填入“FFFF”，即形成了簇號鏈。對于FAT12文件系統(tǒng)，簇號用12位表示；FAT16文件系統(tǒng)的簇號用16位表示；FAT32文件系統(tǒng)的簇號用32位表示。
          根據(jù)FAT的個數(shù)以及每個FAT表占用的扇區(qū)數(shù)，即可推算出文件目錄表（FDT）的位置（FAT表位置+FAT表個數(shù)*FAT表所占扇區(qū)數(shù)）。FDT是文件組織結構的又一重要組成部分。目錄可看作是一種特殊的文件，數(shù)據(jù)結構為32字節(jié)，包括文件名、擴展名、文件屬性、時間、日期、開始簇號、文件長度等。
          根據(jù)根目錄中的目錄項數(shù)即可計算出數(shù)據(jù)區(qū)的起始扇區(qū)位置。這一部分占用了磁盤上的大部分空間，用于存儲各類文件的數(shù)據(jù)。
          對于FAT32文件系統(tǒng)來說，它的根目錄位置不單獨列出，而是等同于文件結構，保存在數(shù)據(jù)區(qū)中。這樣就沒有了目錄項的限制，不夠用的時候增加簇鏈，分配空簇即可。
          對于以上各類數(shù)據(jù)讀取內(nèi)容的正確判斷，可將U盤插入PC機，借助WinHex工具，讀取磁盤上相應位置的數(shù)據(jù)內(nèi)容，與之相比較。
          FAT16文件格式的U盤空間分配。
     
          2.2.4 文件操作
          因為U盤的容量不是特別大，所以基本上都使用FAT16文件系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)FAT16系統(tǒng)的磁盤特性進行各種操作。
          ① 創(chuàng)建目錄。在根目錄區(qū)或指定的子目錄區(qū)中填加新目錄的數(shù)據(jù)結構。
          ② 刪除目錄。在根目錄區(qū)或指定的子目錄區(qū)中找到所需刪除的目錄，并置相應標志。
          ③ 寫文件。當寫一新文件時，需在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號寫入文件對應目錄數(shù)據(jù)結構中的起始簇號位置。當此文件長度大于一簇時，還需在FAT表中對應的起始簇號位置填入下一可用簇的簇號，直到文件的   后一簇（FAT表中的相應位置填FFFF）。
          若磁盤有備份FAT，還需在備份FAT表的相應位置填入正確的內(nèi)容。
          ④ 刪文件。刪除文件時，除了將該文件對應的目錄數(shù)據(jù)結構置相應標志外，還要修改FAT表及備份FAT表。將此文件使用的簇號位置清0，表示此簇當前未被使用。
          2.2.5 Bulk傳輸流程
          使用U盤的Bulk端點進行數(shù)據(jù)傳送，Bulk傳輸分為Bulk-In和Bulk-Out。其中Bulk-In指的是主機向外圍設備請求數(shù)據(jù)，由外圍設備向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。Bulk-Out的傳輸方向與Bulk-In相反，由主機向外圍設備發(fā)送數(shù)據(jù)。
          根據(jù)UFI規(guī)范的定義，每次讀寫操作都以邏輯塊（扇區(qū)）為單位。一般U盤的一個扇區(qū)為512字節(jié)，而Bulk端點的   大包長為64字節(jié)，即一個扇區(qū)的讀寫操作需要8個循環(huán)才能完成。
          （1）Bulk-In流程       
          在接收設備數(shù)據(jù)的循環(huán)中，因為一個扇區(qū)的操作需要8次才能完成，因此要注意每接收一個數(shù)據(jù)包，都要將SL811HS寄存器0中的數(shù)據(jù)位（位6）變換   。data1和data0交替使用。
          （2）Bulk-Out流程
          與Bulk-In流程差不多，只是在CBW數(shù)據(jù)包中，注明了下一階段的傳輸方向為主機到外圍設備。在CBW發(fā)送ACK之后，向設備的Out端點發(fā)送PID-OUT數(shù)據(jù)包，使得設備接收所要傳送的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸完畢后，仍要向設備的In端點發(fā)送PID-IN數(shù)據(jù)包，讀取設備的CSW數(shù)據(jù)包，判斷傳輸結果，并進行相應處理。
          在發(fā)送數(shù)據(jù)的循環(huán)中，同樣要注意data0和data1的交替使用問題。
          結 語
          目前開發(fā)的在嵌入式系統(tǒng)中利用USB主控芯片實現(xiàn)與U盤的操作技術，已應用在我們自主開發(fā)研制的消防產(chǎn)品中。實現(xiàn)了消防控制器與U盤之間的各類信息的傳輸，為數(shù)據(jù)分析提供了有利的手段。在越來越多的消費類市場，這一技術必將有更為廣闊的應用前景。