【正文】 盤(pán)文件程序分層如圖所示圖 3 單片機(jī)讀／寫(xiě) U 盤(pán)文件程序分層圖 USB 模塊負(fù)責(zé)檢測(cè) USB 設(shè)備的移入/移出，對(duì)插入的設(shè)備進(jìn)行枚舉，分配設(shè)備地址端點(diǎn)號(hào)，配置設(shè)備接口端點(diǎn)描述符，建立 BULK_ONLY 輸入/輸出通道，BULK 模塊則在已建立的 BULK_ONLY 輸入/輸出通道發(fā)送 CBW 數(shù)據(jù)包，并接收 CSW 數(shù)據(jù)包，通過(guò) CBW 中嵌入的 CBWCB 信息確定對(duì) U 盤(pán)讀/寫(xiě)操作的扇區(qū)位置和大小，F(xiàn)AT 模塊主要完成簇和扇區(qū)間的索引定位，即在 U 盤(pán)內(nèi)尋址，利用 BPB 中的參數(shù)計(jì)算給定扇區(qū)的所在簇以及進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待外部中斷喚醒。中斷處理模塊是在中斷喚醒后根據(jù)中斷類(lèi)型進(jìn)入不同功能子模塊的，也是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心部分。中斷模塊接收到串口或并口數(shù)據(jù)后，根據(jù)內(nèi)部命令字要求進(jìn)行解析，命令字要求如圖 5 所示，并口數(shù)據(jù)接收流程如圖所示。 圖 4 軟件設(shè)計(jì)流程圖圖 18 UFI 結(jié)構(gòu)圖 19 命令與數(shù)據(jù)字結(jié)構(gòu) 主模塊 U盤(pán)文件（USB 存儲(chǔ)設(shè)備的文件級(jí)接口）圖 10 單片機(jī)讀寫(xiě) U 盤(pán)文件一般情況下，單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)處理 USB 存儲(chǔ)設(shè)備的文件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)上圖左邊的 4 個(gè)層次，右邊是 USB 存儲(chǔ)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)層次。由于 CH375 不僅是一個(gè)通用的 USBHOST 硬件接口芯片，還內(nèi)置了相關(guān)的固件程序，包含了上圖左邊的 3 個(gè)層次（標(biāo)為灰色部分），所以實(shí)際的單片機(jī)程序只需要處理 FAT 文件系統(tǒng)層，并且即使這一層也可以由 CH375 的 U 盤(pán)文件級(jí)子程序庫(kù)實(shí)現(xiàn)。如果不需要處理文件系統(tǒng)，也就是不處理上圖左邊的最頂層，那么 CH375 直接提供了數(shù)據(jù)塊的讀寫(xiě)接口，以 512 字節(jié)的物理扇區(qū)為基本讀寫(xiě)單位，從而將 USB 存儲(chǔ)設(shè)備簡(jiǎn)化為一種外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，單片機(jī)可以自由讀寫(xiě) USB 存儲(chǔ)設(shè)備中的數(shù)據(jù)，也可以自由定義其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于計(jì)算機(jī)將 USB 存儲(chǔ)設(shè)備組織為文件系統(tǒng)，為了方便單片機(jī)通過(guò) USB 移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)，單片機(jī)也可以將 USB 存儲(chǔ)設(shè)備組織為文件系統(tǒng)，也就是處理上圖左邊的最頂層。 本地端的單片機(jī)軟件CH375 芯片占用兩個(gè)地址位，當(dāng) A0 引腳為高電平時(shí)選擇命令端口，可以寫(xiě)入命令；當(dāng) A0 引腳為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過(guò) 8 位并口對(duì) CH375 芯片進(jìn)行讀寫(xiě)，所有操作都是由一個(gè)命令碼、若干個(gè)輸入數(shù)據(jù)和若干個(gè)輸出數(shù)據(jù)組成，部分命令不需要輸入數(shù)據(jù)，部分命令沒(méi)有輸出數(shù)據(jù)。命令操作步驟如下：①、 在A0=1 時(shí)向命令端口寫(xiě)入命令代碼；②、 如果該命令具有輸入數(shù)據(jù)，則在A0=0 時(shí)依次寫(xiě)入輸入數(shù)據(jù)，每次一個(gè)字節(jié)；③、 如果該命令具有輸出數(shù)據(jù)，則在A0=0 時(shí)依次讀取輸出數(shù)據(jù)，每次一個(gè)字節(jié)；④、 命令完成，可以暫停或者轉(zhuǎn)到①繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)命令。CH375 芯片專(zhuān)門(mén)用于處理 USB 通訊，在檢測(cè)到 USB 總線(xiàn)的狀態(tài)變化時(shí)或者命令執(zhí)行完成后，CH375 以中斷方式通知單片機(jī)進(jìn)行處理。 絕對(duì)最大值（臨界或者超過(guò)絕對(duì)最大值將可能導(dǎo)致芯片工作不正常甚至損壞） 電氣參數(shù)（測(cè)試條件：TA=25℃，VCC=5V，不包括連接USB 總線(xiàn)的引腳）（，則表中所有電流參數(shù)需要乘以40％的系數(shù)）注：ACT引腳的低電平吸入電流為4mA，高電平輸出電流為200uA。在CH375 芯片復(fù)位期間INT引腳和TXD 引腳只能提供80uA 的高電平輸出電流。 時(shí)序參數(shù)（測(cè)試條件：TA=25℃，VCC=5V 或者VCC=V3=，參考附圖）（RD 是指RD信號(hào)有效并且CS信號(hào)有效，RD=CS=0 執(zhí)行讀操作）（WR 是指WR信號(hào)有效并且CS信號(hào)有效，WR=CS=0 執(zhí)行寫(xiě)操作）（適用于CH375A；如果是CH375S，那么TE0=TSX=TSC=TCC=，TSD=TCD=）圖 7 為了使上位 PC 機(jī)能夠直接讀取該讀寫(xiě)器寫(xiě)入 U 盤(pán)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按照 FAT32 文件管理方式存儲(chǔ)，其中涉及 USB 和 UFI 協(xié)議以及 FAT32 文件存儲(chǔ)格式。 USB 模塊 USB協(xié)議USB（通用串行總線(xiàn)）用于將 USB 接口的外圍設(shè)備（device）連接到主機(jī)（host），實(shí)現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠靠偩€(xiàn)結(jié)構(gòu)，是一種快速、靈活的總線(xiàn)接口，USB 的傳輸類(lèi)型有控制（control）、批量（bulk）、中斷（interrupt）和同步（synchronous）傳輸 4 種，它最大的特點(diǎn)是易于使用，即插即用，主要是用在中速和低速的外設(shè)。 控制數(shù)據(jù)用于在 USB 接入總線(xiàn)時(shí)對(duì)其進(jìn)行配置，其他的驅(qū)動(dòng)軟件可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)選擇使用控制傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。 典型的批量數(shù)據(jù)包括象使用打印機(jī)或掃描儀時(shí)所出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，這種批量數(shù)據(jù)是連續(xù)的，通過(guò)在硬件中實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)檢測(cè)功能，并且有選擇地進(jìn)行一定的應(yīng)進(jìn)重試操作，可以在硬件層次上保證數(shù)據(jù)的可靠交換。 由設(shè)備自發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸是中斷數(shù)據(jù)傳輸，這類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸可以由 USB 設(shè)備在任意時(shí)刻發(fā)起，而且 USB 總線(xiàn)以不低于設(shè)備說(shuō)明的速率進(jìn)行傳輸。同步數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、傳送和處理過(guò)程中是連續(xù)的和實(shí)時(shí)的，在穩(wěn)定的同步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收速率中包含了相應(yīng)的時(shí)鐘信息，為了保持定時(shí)關(guān)系，同步數(shù)據(jù)必須按照接收的速率進(jìn)行傳輸。 BULK 模塊 BULK_ONLY和 UFI協(xié)議USB 設(shè)備分為 5 大類(lèi)，即顯示器、通信設(shè)備、音頻設(shè)備、人機(jī)輸入和海量存儲(chǔ)。通常所用的 U 盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)均屬于海量存儲(chǔ)類(lèi)。海量存儲(chǔ)類(lèi)的規(guī)范中包括 4 個(gè)獨(dú)立的子規(guī)范，即 CBI 傳輸、BulkOnly 傳輸、ATA 命令塊、UFI 命令規(guī)范。前兩個(gè)協(xié)議定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在 USB 總線(xiàn)上的傳輸方法，BulkOnly 傳輸協(xié)議僅僅使用 Bulk端點(diǎn)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(lèi)型的端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)的傳送。后兩個(gè)協(xié)議定義了存儲(chǔ)介質(zhì)的操作命令，ATA 協(xié)議用于硬盤(pán)，UFI 協(xié)議則針對(duì) USB 移動(dòng)存儲(chǔ)，U 盤(pán)讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)遵循 BulkOnly 傳輸協(xié)議和 UFI 命令規(guī)范。UFI 命令塊規(guī)范是針對(duì) USB 移動(dòng)存儲(chǔ)而制定的，它總共定義了19 個(gè) 12 字節(jié)長(zhǎng)度的操作命令。 BulkOnly 事務(wù)以主機(jī)向設(shè)備發(fā)送 CBW（Command Block Warp）包，并以建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始的，設(shè)備接收到 CBW 包，檢查并解釋它，試圖滿(mǎn)足主機(jī)的要求，并通過(guò) CSW（Command State Wrap）包向主機(jī)返回狀態(tài)信息。 CBW 是主機(jī)通過(guò) BulkOut 端點(diǎn)向設(shè)備發(fā)送的命令塊包，在 CBW 中使用方向位和數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度域指明期待的傳輸，CBW 必須起始于包邊界，并且必須以 31 字節(jié)的短包傳輸結(jié)束，相繼的數(shù)據(jù)包和 CSW 包必須開(kāi)始于一個(gè)新的包邊界，所有的 CBW 包必須按低字節(jié)在前的次序傳輸。 CBW 包結(jié)構(gòu)如圖 16 所示，各域含義如下：圖 16 CBW 包結(jié)構(gòu)如圖1）命令塊包標(biāo)識(shí)。CBW 包標(biāo)記，表明這是一個(gè) CBW 包，這個(gè)域的值為 43425355H。2）命令塊標(biāo)記。當(dāng)設(shè)備返回相應(yīng)的 CSW 包時(shí)，必須使命令狀態(tài)標(biāo)記域的值與此值相同。3）數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度。指明命令執(zhí)行期間在 Bulk 端點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度，如果這個(gè)域的值是 0，則在 CBW 和 CSW 之間設(shè)備和主機(jī)不傳輸任何數(shù)據(jù)，并且設(shè)備將忽略在命令塊標(biāo)旗域中的方向位的值。4）命令塊標(biāo)旗。方向位規(guī)定了 Bulk 端點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍渌活A(yù)留。5）邏輯單元號(hào)。指定命令塊被發(fā)送到的邏輯單元號(hào)，如果設(shè)備不支持多個(gè)邏輯單元號(hào)，則主機(jī)將這個(gè)域設(shè)置為 0。6）CBWCB 長(zhǎng)度，定義了 CBWCB 的有效長(zhǎng)度，合法值為 116。7）CBWCB。由設(shè)備執(zhí)行的命令，由設(shè)備解釋。 CSW 向主機(jī)表明來(lái)自于 CBW 包的命令塊的執(zhí)行狀態(tài)。設(shè)備收到 CBW 包解析處理后將通過(guò) BulkIn 端點(diǎn)發(fā)送一個(gè) CSW 包。 CSW 開(kāi)始于包邊界，并以 13 字節(jié)的短包結(jié)束，結(jié)構(gòu)如圖 17 所示，各域含義如下： 圖 17 命令狀態(tài)包結(jié)構(gòu)1）命令狀態(tài)包標(biāo)識(shí)。CSW 包的標(biāo)記，表明這是一個(gè) CSW 包，這個(gè)域的值為 53425355H。2）命令狀態(tài)標(biāo)記。次域的值域 CBW 包的命令塊標(biāo)記相同。3）數(shù)據(jù)殘余。實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸量與 CBW 包中規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度的差值。4）命令執(zhí)行狀態(tài)，表明命令成功或失敗信息，如果命令執(zhí)行成功，則設(shè)備將設(shè)置此域的值為 0，非 0 值；則表明失敗或錯(cuò)誤。 UFI 是針對(duì) USB 移動(dòng)存儲(chǔ)而制定的命令塊協(xié)議，它規(guī)定了主機(jī)和設(shè)備進(jìn)行信息交換所使用的命令塊、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，BulkOnly 傳輸協(xié)議定義了傳輸這些信息的方法，其中 UFI 命令塊是封裝在 CBW 包中的 CBWCB，設(shè)備通過(guò)讀取 CBWCB 確定具體要執(zhí)行何種操作命令（如讀命令），如何完成這個(gè)命令（如從閃存的哪個(gè)地址讀，需要讀取的長(zhǎng)度），設(shè)備將命令的執(zhí)行狀態(tài)封裝成 CSW 返回給主機(jī)。 UFI 用于大多數(shù)命令的 12 字節(jié)命令塊的描述，結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，其中各參數(shù)意義如下： 1）操作命令代碼。指明所需要執(zhí)行的操作命令；2）邏輯單元號(hào)。指明命令將發(fā)送到哪個(gè)邏輯單元，如果設(shè)備只有一個(gè)邏輯單元，則此域的值為 0。3）邏輯塊地址。命令操作的起始地址。4）傳輸長(zhǎng)度，指明請(qǐng)求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以扇區(qū)作單位，但是有幾個(gè)命令是以字節(jié)作單位的，對(duì)于這些命令，傳輸長(zhǎng)度域可以以不同的名字標(biāo)識(shí)，若此域的值為0，則表面沒(méi)有數(shù)據(jù)需要傳輸。5）參數(shù)列表長(zhǎng)度，用于指定發(fā)送到設(shè)備的字節(jié)數(shù)，這個(gè)域典型的應(yīng)用于發(fā)送到設(shè)備的參數(shù)命令塊（如模式參數(shù)、診斷參數(shù)等），若此域的值為 0，則表面沒(méi)有數(shù)據(jù)需要傳輸。6）分配長(zhǎng)度，指明主機(jī)已經(jīng)分配的用于返回?cái)?shù)據(jù)的最大字節(jié)長(zhǎng)度，若此值為 0，則表明沒(méi)有數(shù)據(jù)需要傳輸。 FAT模塊 FAT32 FAT 是 Microsoft 較早推出的文件系統(tǒng)，具有高度的兼容性，目前仍然廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦尤其是移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中，F(xiàn)AT 由引導(dǎo)扇區(qū)、FAT1 表、FAT2 表、目錄和文件區(qū)組成（其中 FAT2 表是 FAT1 表的備份）。磁盤(pán)的管理是以扇區(qū)為單位的，而移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備則是以塊為單位的，F(xiàn)AT 將塊映射成扇區(qū)，原理相同，F(xiàn)AT 將磁盤(pán)空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)行劃分，這樣的單位成為簇。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(gè)扇區(qū)的大小。所以以簇為單位而不以扇區(qū)為單位進(jìn)行磁盤(pán)的分配，是因?yàn)楫?dāng)區(qū)分容量較大時(shí)，采用 512 字節(jié)的扇區(qū)管理，會(huì)增加 FAT 表的項(xiàng)數(shù)和大文件存取的消耗，使文件系統(tǒng)效率不高。引導(dǎo)扇區(qū) DBR（DOS Boot Record）通常占用分區(qū)的第 0 扇區(qū)，共 512 字節(jié)，F(xiàn)AT表緊隨其后。DBR 的第一部分是一個(gè) x86 跳轉(zhuǎn)指令、廠(chǎng)商標(biāo)志和操作系統(tǒng)版本號(hào)，接下來(lái)的從偏移 0x0B 開(kāi)始的是一段描述能夠使可執(zhí)行引導(dǎo)代碼找到相關(guān)參數(shù)的消息，通常稱(chēng)之為 BPB。最后是引導(dǎo)程序代碼以及扇區(qū)結(jié)束標(biāo)志。BPB 中記錄了扇區(qū)大小、簇的扇區(qū)數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)、FAT 表大小和文件系統(tǒng)類(lèi)型等重要參數(shù)，用于文件的索引和定位計(jì)算。 中斷處理模塊五、方案的測(cè)試與分析六、 總 結(jié)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向未來(lái)工程師重要的一步。從最初的選題，開(kāi)題到計(jì)算、繪圖直到完成設(shè)計(jì)。其間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)修改圖紙，每一個(gè)過(guò)程都是對(duì)自己能力的一次檢驗(yàn)和充實(shí)。通過(guò)這次實(shí)踐，我了解了單片機(jī)讀寫(xiě) U 盤(pán)的用途及工作原理，熟悉了單片機(jī)讀寫(xiě)U 盤(pán)的設(shè)計(jì)步驟，鍛煉了工程設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，培養(yǎng)了自己獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)一次實(shí)際檢驗(yàn)和鞏固，同時(shí)也是走向工作崗位前的一次熱身。畢業(yè)設(shè)計(jì)收獲很多，比如學(xué)會(huì)了查找相關(guān)資料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的繪圖能力，懂得了許多經(jīng)驗(yàn)公式的獲得是前人不懈努力的結(jié)果。同時(shí)，仍有很多課題需要后輩去努力去完善。 但是畢業(yè)設(shè)計(jì)也暴露出自己專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力，對(duì)材料的不了解，等等。這次實(shí)踐是對(duì)自己大學(xué)四年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識(shí)還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長(zhǎng)，以后更應(yīng)該在工作中學(xué)習(xí)，努力使自己 成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有所貢獻(xiàn)的人。參考文獻(xiàn)CH375 器件使用手冊(cè)FAT16 和 FAT32 文件系統(tǒng) 《單片機(jī)高級(jí)教程》 ，何立民，北京航空航天大學(xué)出版社，2022 年。 《單片機(jī)的 C 語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》 ，馬忠梅，北京航空航天大學(xué)出版社， 《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》 ，清華大學(xué)出版社。孫霞 基本單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究 微計(jì)算機(jī)信息 2022張峰峰 嵌入式 U 盤(pán)讀寫(xiě)器接口技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì) 桂林電子科技大學(xué) 2022楊全玖 基本 CH375 多通道 USB 接口與 PC 機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)微計(jì)算機(jī)信息 2022致謝深深感謝我的指導(dǎo)老師粟慧龍老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間對(duì)我的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。同樣要感謝各科的老師在四年來(lái)的學(xué)習(xí)生活中給予我的精心指導(dǎo)、照顧和鼓勵(lì)。衷心感謝所有那些給過(guò)我?guī)椭睦蠋?、同學(xué)和朋友。 李小利2022 年 11 月附錄總原理圖電路 PCB 圖元器件清單程序