【正文】 衷心感謝所有那些給過(guò)我?guī)椭睦蠋煛⑼瑢W(xué)和朋友。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 盤讀寫器接口技術(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。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。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的能力，對(duì)材料的不了解，等等。同時(shí)，仍有很多課題需要后輩去努力去完善。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我專業(yè)知識(shí)和專業(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。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)。 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。最后是引導(dǎo)程序代碼以及扇區(qū)結(jié)束標(biāo)志。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。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。 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）。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。命令操作的起始地址。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。 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。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。3）數(shù)據(jù)殘余。2）命令狀態(tài)標(biāo)記。 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 向主機(jī)表明來(lái)自于 CBW 包的命令塊的執(zhí)行狀態(tài)。7）CBWCB。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。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。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。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。CBW 包標(biāo)記，表明這是一個(gè) CBW 包，這個(gè)域的值為 43425355H。 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。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。前兩個(gè)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，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 三種類型的端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)的傳送。通常所用的 U 盤、移動(dòng)硬盤均屬于海量存儲(chǔ)類。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。 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。 USB 模塊 USB協(xié)議USB（通用串行總線）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€結(jié)構(gòu)，是一種快速、靈活的總線接口，USB 的傳輸類型有控制（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)。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。CH375 芯片專門用于處理 USB 通訊，在檢測(cè)到 USB 總線的狀態(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。單片機(jī)通過(guò) 8 位并口對(duì) CH375 芯片進(jìn)行讀寫，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)。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。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 盤文件級(jí)子程序庫(kù)實(shí)現(xiàn)。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。單片機(jī)讀／寫 U 盤文件程序分層如圖所示圖 3 單片機(jī)讀／寫 U 盤文件程序分層圖 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 盤讀/寫操作的扇區(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。 軟件系統(tǒng)模塊① 進(jìn)入 USB 主機(jī)模式，要讀/寫 U 盤，必須先設(shè)置 CH375 使其工作于 USB 主機(jī)方式。 按鍵控制模塊S1:S2:S3:S4: LED 顯示模塊四、軟件設(shè)計(jì)分析軟件由主模塊、USB 模塊、BULK 模塊、FAT 模塊和中斷處理模塊組成。 目 前較 為 廣 泛 地 使 用 集 成 電 路 轉(zhuǎn) 換 器 件 ， 如 MC148 SN75150 芯 片 可 完 成 TTL 電平 到 EIA 電 平 的 轉(zhuǎn) 換 ， 而 MC148 SN75154 可 實(shí) 現(xiàn) EIA 電 平 到 TTL 電 平 的 轉(zhuǎn)換 。 因 此 ， 為 了 能 夠 同 計(jì) 算 機(jī) 接 口 或終 端 的 TTL 器 件 連 接 ， 必 須 在 EIA RS232C 與 TTL 電 路 之 間 進(jìn) 行 電 平 和 邏 輯關(guān) 系 的 變 換 。(3～ 15)V 之 間 。 　 　 在 TxD 和 RxD 上 ： 　 　 邏 輯 1(MARK)=3V～ 15V 　 　 邏 輯 0(SPACE)=+3～ +15V 　 　 在 RTS、 CTS、 DSR、 DTR 和 DCD 等 控 制 線 上 ： 　 　 信 號(hào) 有 效 （ 接 通 ， ON 狀 態(tài) ， 正 電 壓 ） ＝ +3V～ +15V 　 　 信 號(hào) 無(wú) 效 （ 斷 開(kāi) ， OFF 狀 態(tài) ， 負(fù) 電 壓 )=3V～ 15V 　 　 以 上 規(guī) 定 說(shuō) 明 了 RS323C 標(biāo) 準(zhǔn) 對(duì) 邏 輯 電 平 的 定 義 。 例 如 ， 目 前 在 IBM PC 機(jī) 上 的 COM COM2 接 口 ， 就 是 RS232C 接 口 。 常 用 物 理 標(biāo) 準(zhǔn) 還 有 有 EIA RS422A、 EIA RS423A、 EIA RS485。 。 主要特點(diǎn)： 符合所有的RS232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 只需要單一 +5V電源供電 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和10V電壓V+、V 功耗低，典型供電電流5mA 內(nèi)部集成2個(gè)RS232C驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成兩個(gè)RS232C接收器 注意事項(xiàng)：232是電荷泵芯片，可以完成兩路TTL/RS232電平的轉(zhuǎn)換，它的的112引腳是TTL電平端，用來(lái)連接單片機(jī)的。 第三部分是供電。 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。由11114腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。功能是產(chǎn)生+12v和12v兩個(gè)電源，提供給RS232串口電平的需要。 引腳介紹： 第一部分是電荷泵電路。當(dāng)使用 5V 工作電壓時(shí)，CH375 芯片的 VCC 引腳輸入外部 5V 電源，并且 V3 引腳應(yīng)該外接容量為 左右的電源退耦電容。如果從外部直接輸入 12MHz 時(shí)鐘信號(hào)，那么應(yīng)該從 XI 引腳輸入，而 XO 引腳懸空。一般情況下，時(shí)鐘信號(hào)由 CH375 內(nèi)置的反相器通過(guò)晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生。RST 和RST引腳可以用于向外部單片機(jī)提供上電復(fù)位信號(hào)。為了在電源上電期間可靠復(fù)位并且減少外部干擾，可以在 RSTI引腳與 VCC 之間跨接一個(gè)容量為 左右的電容。CH375 芯片內(nèi)置了電源上電復(fù)位電路，一般情況下，不需要外部提供復(fù)位。CH375 芯片的 UD+和 UD引腳是 USB 信號(hào)線，工作于 USB 設(shè)備方式時(shí)，應(yīng)該直接連接到 USB 總線上；工作于 USB 主機(jī)方式時(shí)，可以直接連接到 USB 設(shè)備。對(duì)于 CH375A 芯片，在 USB 主機(jī)方式下，當(dāng) USB 設(shè)備斷開(kāi)后，該引腳輸出高電平；當(dāng) USB 設(shè)備連接后，該引腳輸出低電平。CH375 芯片的 ACT引腳用于狀態(tài)指示。如果 CH375 在復(fù)位期間檢測(cè)到 TXD 引腳為低電平則啟用并行接口，否則啟用串行接口。CH375 的串行通訊波特率默認(rèn)是 9600bps，單片機(jī)可以隨時(shí)通過(guò) SET_BAUDRATE 命令選擇合適的通訊波特率。CH375 的串行數(shù)據(jù)格式是 1 個(gè)起始位、9 個(gè)數(shù)據(jù)位、1 個(gè)停止位，其中前 8 個(gè)數(shù)據(jù)位是一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，最后 1 個(gè)數(shù)據(jù)位是命令標(biāo)志位。CH375 芯片的 RXD 和 TXD 可以分別連接到單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)輸出引腳和串行數(shù)據(jù)輸入引腳。串口信號(hào)線包括：串行數(shù)據(jù)輸入引腳RXD、串行數(shù)據(jù)輸出引腳TXD、中斷輸出引腳INT。當(dāng) WR為高電平并且 CS和 RD及 A0 都為低電平時(shí)，CH375 中的數(shù)據(jù)通過(guò)D7～D0 輸出；當(dāng) RD為高電平并且 CS和 WR及 A0 都為低電平時(shí)，D7～D0 上的數(shù)據(jù)被寫入 CH375 芯片中；當(dāng) RD為高電平并且 CS和 WR都為低電平而 A0 為高電平時(shí)，D7～D0 上的數(shù)據(jù)被作為命令碼寫入 CH375 芯片中。CS由地址譯碼電路驅(qū)動(dòng)，用于當(dāng)單片機(jī)具有多個(gè)外圍器件時(shí)進(jìn)行設(shè)備選擇。通過(guò)被動(dòng)并行接口，CH375 芯片可以很方便地掛接到各種 8 位單片機(jī)、DSP、MCU 的系統(tǒng)總線上，并且可以與多個(gè)外圍器件共存。 本地端的硬件CH375 芯片在本地端提供了通用的被動(dòng)并行接口和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行接口。在USB主機(jī)方式下，CH375支持各種常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)需要編寫固件程序按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB 設(shè)備通訊。封裝及引腳說(shuō)明 功能說(shuō)明 一般說(shuō)明CH375 芯片可以工作于USBHOST 主機(jī)方式或者USB 設(shè)備方式?！?支持5V 電源電壓，CH375A 芯片還支持低功耗模式?！?并行接口包含8 位數(shù)據(jù)總線，4 線控制：讀選通、寫選通、片選輸入、中斷輸出?！?內(nèi)置固件處理海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議，支持BulkOnly傳輸協(xié)議和SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的USB 存儲(chǔ)設(shè)備（包括USB 硬盤/USB 閃存盤/U 盤）?！?自動(dòng)檢測(cè)USB 設(shè)備的連接和斷開(kāi)，提供設(shè)備連接和斷開(kāi)的事件通知?！?主機(jī)端點(diǎn)輸入和輸出緩沖區(qū)各64 字節(jié)，支持常用的12Mbps 全速USB 設(shè)備。CH375 還內(nèi)置了處理 MassStorage 海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機(jī)可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的 USB 存儲(chǔ)設(shè)備（包括 USB 硬盤/USB 閃存盤/U 盤）特點(diǎn)● 全速USBHOST 主機(jī)接口，兼容USB ，外圍元器件只需要晶體和電容。在 USB 主機(jī)方式下，CH375 還提供了串行通訊方式，通過(guò)串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機(jī)/DSP/MCU/MPU 等相連接。 USB總線的通用接口芯片 CH375資料簡(jiǎn)介CH375 是一個(gè) USB 總線的通用接口芯片，支持 USBHOST 主機(jī)方式和 USBDEVICE/SLAVE 設(shè)備方式。如果電源上電過(guò)程較慢并且電源斷電后放電時(shí)間較長(zhǎng)，那么CH375將不能可靠復(fù)位。USBHOST 主機(jī)方式要求時(shí)鐘頻率比較準(zhǔn)確