基于CBI傳輸結(jié)構(gòu)的USB硬盤接口應(yīng)用設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：USB CBI 大容量存儲(chǔ)設(shè)備
引言
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，具有使用方便、速度較快、連接靈活、獨(dú)立供電等特點(diǎn)。1998年后，隨著微軟在Windows 98中內(nèi)置了對(duì)USB接口的支持模塊，加上USB設(shè)備的日漸增多，USB逐步走進(jìn)了實(shí)用階段，USB協(xié)議已經(jīng)發(fā)展到2.0版本，最高速度可達(dá)480Mb/s。目前，廣泛使用的1.1版本也可達(dá)12Mb/s。
USB協(xié)議中，對(duì)USB設(shè)備按類型進(jìn)行分類。同類型的設(shè)備擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議，這樣可以屏蔽不同硬件之間的差別，以便于主機(jī)（PC）對(duì)設(shè)備進(jìn)行方便、統(tǒng)一的管理。對(duì)USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備（mass storage device）的設(shè)計(jì)，國(guó)際有關(guān)機(jī)構(gòu)定義了兩種基本傳輸方式：CBI和BULK ONLY，并對(duì)各自開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了規(guī)定，開(kāi)發(fā)者必須遵循其中至少一種。
一、CBI結(jié)構(gòu)要點(diǎn)
在CBI（Control/Bulk/Interrupt）結(jié)構(gòu)中，要用到USB協(xié)議中說(shuō)到的控制（Control）、批量輸入/輸出（Bulk in/out）、中斷（Interrupt）四種端點(diǎn)（Endpoint）?？刂贫它c(diǎn)用來(lái)在主機(jī)和設(shè)備間傳送USB標(biāo)準(zhǔn)命令和對(duì)硬盤的控制命令集；批量輸入/輸出端點(diǎn)用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)；可選用的中斷端點(diǎn)用來(lái)通知命令的完成。
1.數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼f(shuō)明
主機(jī)和CBI存儲(chǔ)設(shè)備間的通訊通過(guò)命令/數(shù)據(jù)/狀態(tài)的傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是說(shuō)，協(xié)議從主機(jī)向設(shè)備傳送命令，在主機(jī)和設(shè)備間相互傳送數(shù)據(jù)，從設(shè)備向主機(jī)傳送命令執(zhí)行狀態(tài)，并允許主機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行重啟。USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)可接收2類重啟命令和3類命令塊（command block）。2類重啟命令是：USB端口重啟和命令重啟；3類命令塊是：非數(shù)據(jù)（nondata）、數(shù)據(jù)輸入（data-in）和數(shù)據(jù)輸出（data- out）。本文只對(duì)各類命令中和CBI存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)相關(guān)的加以說(shuō)明，其余屬于普通USB總線傳輸?shù)膬?nèi)容可參考USB協(xié)議。
（1）USB端口重啟
通常用在設(shè)備死機(jī)等情況。通過(guò)主機(jī)USB端口強(qiáng)制設(shè)備重啟，詳細(xì)情況可參見(jiàn)USB協(xié)議。
（2）命令重啟
在使用端口重啟之前，主機(jī)也可以通過(guò)發(fā)送重啟命令來(lái)使設(shè)備重啟。在接收到該命令后，設(shè)備將依次執(zhí)行如下動(dòng)作：
a.嘗試從正在執(zhí)行的命令或數(shù)據(jù)傳輸中退出；
b.清除等待執(zhí)行的其它命令；
c.清除設(shè)備緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)；
d.按照設(shè)備所使用的子類相應(yīng)協(xié)議執(zhí)行重啟，例如執(zhí)行自檢測(cè)、對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化并恢復(fù)到缺省狀態(tài)。
（3）非數(shù)據(jù)命令傳輸?shù)目偩€管理和與之相關(guān)的設(shè)備初始化等功能，詳細(xì)情況可參見(jiàn)USB協(xié)議。
b.類相關(guān)命令。采用CBI結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)該在控制端點(diǎn)上支持的USB類相關(guān)命令為：Accept Device-Specific Command（ADSC）。由ADSC從主機(jī)向設(shè)備傳送命令塊。ADSC命令的起始包由表1所示8個(gè)字節(jié)組成。
表1 ADSC起始包結(jié)構(gòu)
| 字 節(jié) | 命 名 | 大 小 | 值 | 說(shuō) 明 |
| 0 | bmRequestType | Byte | 21h | 指明為USB類相關(guān)命令 |
| 1 | bRequest | Byte | 00h | 指明為ADSC命令 |
| 2 | (LSB) wValue (MSB) |
Word | 00h | 保留 |
| 3 | 00h | |||
| 4 | (LSB) wIndex (MSB) |
Word | ??h | bInterfaceNumber指明設(shè)備用哪個(gè)端口接收命令 |
| 5 | 00h | 保留 | ||
| 6 | (LSB) wLength (MSB) |
Word | ????h | 指明每次傳送命令時(shí)的數(shù)據(jù)大小 |
| 7 |
需要注意的是，wLength的值由所設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)設(shè)備所屬的子類決定，這可以在接口描述字中的bInterfaceSubClass域設(shè)置。WLength 設(shè)置好之后，每次傳輸命令數(shù)據(jù)時(shí)就必須嚴(yán)格按照這個(gè)值進(jìn)行。如果不等，設(shè)備就將認(rèn)為此次傳輸失敗并向主機(jī)發(fā)回相應(yīng)提示，而且CBI結(jié)構(gòu)的大容量存儲(chǔ)設(shè)備每次只能接收1個(gè)命令塊。在主機(jī)端，應(yīng)該把將要傳輸?shù)拿钜躁?duì)列形式排好便于傳送。下面是個(gè)ADSC命令的舉例：
1 SOF(xA5)
2 SETUP(xB4) ADDR(x7F) ENDP(x0)
3 DATA0（xC3）DATA(x21 00 00:00 00:00 0C:00)
4 ACK(x4B)
5 SOF(xA5)
6 OUT(x87)ADDR(x7F)ENDP(x0)
7 DATA1(xD2) DATA(x 2A 00 00:01:23:45 00 00:)
8 NAK(x5A)
9 SOF（xA5）
10 OUT(x87) ADDR(x7F) ENDP(x0)
11 DATA1(xD2) DATA(x 2A 00 00:01:23:45 00 00:)
12 ACK(x4B)
13 SOF(xA5)
14 DATA0(xC3) DATA(x 00 00 00:00)
15 NAK(x5A)
16 SOF(xA5)
17 OUT(x87) ADDR(x7F) ENDP(x0)
18 DATA0(xC3) DATA(x 00 00 00:00)
19 ACK(x4B)
20 SOF(xA5)
21 IN(x96) ADDR(x7F) ENDP(x0)
22 NAK(x5A)
23 SOF(xA5)
24 IN(x96) ADDR(x7F) ENDP(x0)
25 DATA1(xD2) DATA ( )
26 ACK(x4B)
(4)數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出
主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)時(shí)所用。當(dāng)主機(jī)通過(guò)控制端點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)輸入或數(shù)據(jù)輸出命令并向設(shè)備批量輸入端點(diǎn)或發(fā)出IN PID或OUT PID后，設(shè)備開(kāi)始向主機(jī)輸出數(shù)據(jù)或從主機(jī)輸入數(shù)據(jù)直至達(dá)到主機(jī)要求的量為止。
2.CBI存儲(chǔ)設(shè)備相關(guān)描述字設(shè)置
按照USB協(xié)議，每一個(gè)USB設(shè)備都有一個(gè)或多個(gè)配置，每個(gè)配置對(duì)應(yīng)相應(yīng)設(shè)備的一項(xiàng)功能。配置是口的集合，通過(guò)接口指定設(shè)備如何進(jìn)行USB總線互聯(lián)，而接口又是一系列端點(diǎn)的集合。從設(shè)備到端口都有相應(yīng)的描述字進(jìn)行設(shè)備，對(duì)它們的一般信息進(jìn)行說(shuō)明。
CBI結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)該支持下列USB描述字：
a.設(shè)備描述字（device descriptor）。
b.配置描述字（configuration descriptor）。
c.接口描述字（interface descriptor）。CBI存儲(chǔ)設(shè)備至少應(yīng)支持一個(gè)數(shù)據(jù)接口。
d.端點(diǎn)描述字（endpoint descriptor）。除用作初始化和命令傳輸?shù)目刂贫丝贓ndpoint 0外、CBI存儲(chǔ)設(shè)備還應(yīng)該支持批量輸入、批量輸出、中斷三種端點(diǎn)。
（1）設(shè)備描述字和配置描述字
有關(guān)這兩類描述字的結(jié)構(gòu)和含義在USB協(xié)議有關(guān)這兩類描述字的結(jié)構(gòu)和含義在USB協(xié)議有詳細(xì)介紹，本文不再作更多說(shuō)明，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況加以設(shè)置即可。
（2）接口描述字
CBI存儲(chǔ)設(shè)備至少應(yīng)支持1個(gè)數(shù)據(jù)接口。此數(shù)據(jù)口包括最多4個(gè)端點(diǎn)，即前面提到的：控制、批量輸入/輸出、中斷。其中中斷端點(diǎn)可設(shè)置為用或不用。
接口描述字的結(jié)構(gòu)和含義在USB協(xié)議中也有介紹。這里需要說(shuō)明的有3點(diǎn)：第一是描述字中的bInterfaceClass域，必須設(shè)成08h，用來(lái)說(shuō)明該設(shè)備為大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)。第二是bInterfaceSubClass域，用來(lái)指明設(shè)計(jì)時(shí)所使用的對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的標(biāo)準(zhǔn)命令集。如01h指明是Reduced Block Commands，06h指明是SCSI transparent command set，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)需要選用。這些在USB Mass Storage Class Specification Overview中有詳細(xì)說(shuō)明。第三是bInterfaceProtocol域，指明存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)使用體積結(jié)構(gòu)。00h和01h說(shuō)明使用CBI結(jié)構(gòu)。不同的是前者說(shuō)明設(shè)備需使用中斷端口告知系統(tǒng)命令的完成與否。
（3）端點(diǎn)描述字
接口所用的每一個(gè)除控制端口之外的端口都有自己的描述字。這些端口描述字總是作為配置信息的一部分在回應(yīng)GetDescriptor命令時(shí)由設(shè)備發(fā)給主機(jī)的。
CBI存儲(chǔ)設(shè)備所支持的批量輸入/輸出和中斷端點(diǎn)描述字結(jié)構(gòu)相同。不同的是具體設(shè)置，如表2所列。
表2 端點(diǎn)描述字結(jié)構(gòu)
| 字 節(jié) | 命 名 | 大 小 | 值 | 說(shuō) 明 |
| 0 | bLength | Byte | 07h | 指明該描述字長(zhǎng)度 |
| 1 | bDescriptorType | Byte | 05h | 指明該描述字為端點(diǎn)描述字 |
| 2 | bEndpointAddress | Byte | 8?h或0?h | 指明該描述字在設(shè)備上的端號(hào)，必須在1-15之間 Bit0..3 指明端口號(hào) Bit4..6 保留，須設(shè)為0 Bit 7 0說(shuō)明為輸出端口，1說(shuō)明為輸入端口 |
| 3 | bmAttributes | Byte | ??h | 指明是什么端點(diǎn)描述字（批量端點(diǎn)為02h，中斷端點(diǎn)為03h） |
| 4 | wMaxPacketSize | Word | 00??h | 最大數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度 |
| 5 | ||||
| 6 | bInterval | Byte | ??h | 數(shù)據(jù)傳輸間隔（對(duì)批量端點(diǎn)，設(shè)成00h） |
表3 中斷端口狀態(tài)信息結(jié)構(gòu)
| 字 節(jié) | 命 名 | 大 小 | 值 | 說(shuō) 明 |
| 0 | bType | Byte | ??h | 00h:指明為命令完成情況中斷 01h-FFh：保留 |
| 1 | bValue | Byte | ??h | 當(dāng)bType為00hjf , Bit7..4:由設(shè)計(jì)者指定 Bit3..2：保留，需設(shè)成0 Bit1..0：命令完成狀態(tài) 00=通過(guò) 01=失敗 10=相位錯(cuò)誤 11=永久失敗 |
中斷端點(diǎn)可由接口描述字的bInterfaceProtocol域的設(shè)置決定用否。如果設(shè)成00h，就需用中斷端點(diǎn)來(lái)提示命令的完成情況。當(dāng)設(shè)備需要產(chǎn)生中斷時(shí)，CBI設(shè)備應(yīng)該在中斷端點(diǎn)返回2個(gè)字節(jié)的狀態(tài)信息，主機(jī)系統(tǒng)使用接口描述字的bInterfaceSubClass域的值來(lái)判別這2個(gè)字節(jié)的含義，并做出相應(yīng)的處理，這2個(gè)字節(jié)定義如表3所列。
二、CBI結(jié)構(gòu)的USB存儲(chǔ)設(shè)備開(kāi)發(fā)實(shí)例
這里介紹我們?cè)陂_(kāi)發(fā)數(shù)字化家庭信息系統(tǒng)中的USB硬盤接口時(shí)一些簡(jiǎn)單過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)。
1.T33510控制器
開(kāi)發(fā)時(shí)采用的T33510是臺(tái)灣創(chuàng)品公司生產(chǎn)的以89C51為內(nèi)核，集成有USB和IDE存儲(chǔ)設(shè)備接口的控制芯片。由于集成度較高，因此在成本和開(kāi)發(fā)難度上較低。它擁有很靈活的體系結(jié)構(gòu)，能夠滿足設(shè)計(jì)需要，具體說(shuō)明如下：
*內(nèi)嵌有和89C51兼容的8位單片機(jī)；
*32K×8片內(nèi)ROM；
*768×8片內(nèi)RAM；
*可用作DMA通道的兩個(gè)528×8片內(nèi)RAM；
*擁有和89C51相似的P0、P1、P2和P3口，支持存儲(chǔ)器的外部擴(kuò)展；
*具有省電模式；
*擁有5個(gè)中斷源，其中復(fù)用有USB中斷源；
*支持全速（12Mb/s）和低速（1.5Mb/s）的USB數(shù)據(jù)傳輸速率；
*擁有Control endpoint、Bulk in/out endpoint、Interrupt endpoint等USB通訊端口。
*和Compact Flash Specificeation Rev.1.3兼容的IDE設(shè)備接口；
*內(nèi)置有ECC（Error Correction Code）功能；
*使用3.3V工作電壓。
2.T33510中有關(guān)USB寄存器設(shè)置
為方便設(shè)備的開(kāi)發(fā)，對(duì)一些常用的USB參數(shù)，T33510已經(jīng)設(shè)置好，開(kāi)發(fā)時(shí)只要對(duì)其它一些比較靈活的部分在相應(yīng)寄存器中加以設(shè)置即可。這里結(jié)合本文前面討論的CBI部分加以說(shuō)明。
對(duì)控制端點(diǎn)，T33510提供了1個(gè)8位控制寄存器USBICX和4個(gè)字節(jié)的控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)寄存器USBICMD。對(duì)中斷端點(diǎn)，T33510提供8位的控制寄存器USBICR和最少2個(gè)字節(jié)最多8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器（USBICRD1～USBICRD8）。對(duì)批量輸入/輸出端點(diǎn)，也有控制寄存器 USBIBULK和64個(gè)字節(jié)的FIFO提供使用。
T33510的通用控制寄存器USBIGEN對(duì)接口描述字中bInterfaceProtocol等域進(jìn)行設(shè)置，其結(jié)構(gòu)如表4所列。
表4 通用控制寄存器結(jié)構(gòu)
| - | - | - | SYS_OK | B_INTF_P | I_INTF_SC | B_INTF_C | SUSP_n |
| - | - | - | R/W | R/W | R/W | R/W | R |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
SYS_OK 用來(lái)通知主機(jī)所需各種描述字已準(zhǔn)備好，可以進(jìn)行訪問(wèn)。B_INTF_P用來(lái)設(shè)置bInterfaceProtocol域，當(dāng)為1時(shí)，設(shè)該域?yàn)?0h；當(dāng)為 0時(shí)，設(shè)該域?yàn)?1h。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)設(shè)為1，指明使用中斷端口來(lái)說(shuō)明命令完成情況。I_INTF_SC用來(lái)設(shè)定iInterfaceSubClass域，當(dāng)為1時(shí)，設(shè)該域?yàn)镕Fh；當(dāng)為0時(shí)，設(shè)該域?yàn)?1h。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)設(shè)為0，指明使用RBC命令集。B_INTF_C用來(lái)設(shè)定 bInterfaceClass域，當(dāng)為1時(shí)，設(shè)該域?yàn)镕Fh；當(dāng)為0時(shí)，設(shè)該域?yàn)?8h，指明為容量存儲(chǔ)系統(tǒng)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)將該位置0。SUSP_n為系統(tǒng)掛起標(biāo)記。
T33510支持CBI結(jié)構(gòu)所需的4種端點(diǎn)，按控制端點(diǎn)、批量輸入、批量輸出、中斷端點(diǎn)的順序依次分配端點(diǎn)號(hào)為0、1、2、3。在中斷端點(diǎn)速率寄存器USBIINTR中，可對(duì)速度進(jìn)行設(shè)置。開(kāi)發(fā)時(shí)我們?cè)O(shè)為FFh。端點(diǎn)寄存器其它域已由T33510預(yù)先設(shè)置好。
3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)
基于T33510的USB硬盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)可分為兩部分：主機(jī)端和單片機(jī)端。USB設(shè)計(jì)分硬件和軟件兩部分。硬件包括電路設(shè)計(jì)和固件程序的編寫，通常用匯編或C語(yǔ)言；軟件分USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和USB客戶軟件。固件的編寫可采用分塊的方法，比如Main模塊、Interrupt模塊、Vector模塊、Timer模塊、Declare模塊等。通過(guò)編譯連接以.hex文件的格式寫到芯片里面去。固件主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：一是描述符的確定與建立；二是中斷請(qǐng)求的功能實(shí)現(xiàn)；三是命令請(qǐng)求的解析；四是初始化的設(shè)置。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和客戶軟件位于主機(jī)端。
T3351 所支持的RBC命令集包括INQUIRY、READ FORMAT CAPASCITIES、READ、WTITE等等，有關(guān)RBC命令可從相應(yīng)協(xié)議中得到。系統(tǒng)通過(guò)READ命令讀取硬盤的啟動(dòng)扇區(qū)，并分析其文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后讀取其它扇區(qū)進(jìn)行文件的操作。T33510的IDE接口設(shè)計(jì)有對(duì)硬盤操作所需的各個(gè)寄存器，符合Compact Flash Specification Rev.1.3協(xié)議，給程序編制帶來(lái)了很大方便。由于所有的文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的分析都交由PC端來(lái)執(zhí)行，因此在IDE接口上，只需提供基本的 “Sectors Read”和“Sectors Write”等命令就可以了。主程序流程如圖2所示。
下面給出對(duì)硬盤一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行讀寫的C語(yǔ)言程序段。
讀扇區(qū)：void ReadOneSecoter (Dword LBA)
{IDE_WRITE_1F6(0xE0); Master & LBA模式
IDE_WRITE_1F2（1）； //扇區(qū)數(shù)
IDE_WRITE_1F3（LBA%0x100）；//LBA_7_0位
IDE_WRITE_1F4（（LBA/0x100）%0x100）;//LBA_15_8位
IDE_WRITE_1F5（（LBA/0x10000）%0x100）；
// LBA_23_16位
IDE_WRITE_1F7（0x20）； //命令：讀扇區(qū)
While(IdeRead1F7()!=0x58)；
IdeReadData();
while(!cf_sfr_ready);
while(IdeRead1F7()!=0x50);}
//--------------------------------------------------------------------
寫扇區(qū)：void WriteOneSecoter(Dword LBA)
{IDE_WRITE_1F6（0xE0）； //Master & LBA模式
IDE_WRITE_1F2(1)； //扇區(qū)數(shù)
IDE_WRITE_1F3(LBA%0x100); //LBA_7_0位
IDE_WRITE_1F4((LBA/0x100)%0x100)；
//LBA_15_8位
IDE_WRITE_1F5（（LBA/0x10000）%0x100）；
//LBA_23_16位
IDE_WRITE_1F7(0x30)； //命令：寫扇區(qū)
while (IdeRead1F7()!0x58);
IdeWriteData( );
while (!cf_sfr_ready)； //等待結(jié)束
while (IdeRead1F7() !=0x50)；}
結(jié)束語(yǔ)
CBI結(jié)構(gòu)只是USB存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)可供選擇的一種，此外還有BULK-ONLY結(jié)構(gòu)。應(yīng)該說(shuō)，USB硬盤的開(kāi)發(fā)除結(jié)構(gòu)的選擇，還涉及許多其它東西，比如RBC命令集的合作、ISE接口的協(xié)議、主機(jī)端驅(qū)動(dòng)程序等很多因素。本文在此不能一一詳述。
USB硬盤驅(qū)動(dòng)器為小型辦公、家庭辦公、個(gè)為及網(wǎng)絡(luò)，提供了一種快速方便地解決存儲(chǔ)問(wèn)題的途徑。
由于USB技術(shù)連接方式和速度上相對(duì)傳統(tǒng)的并口、串口等方式的優(yōu)勢(shì)，必將極大改變計(jì)算機(jī)外設(shè)的設(shè)計(jì)方式。新出臺(tái)的USB的速度可達(dá)480Mb/s，可以改善以前版本速度不是很快的缺憾，將進(jìn)一步擴(kuò)展USB應(yīng)用的范圍。
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