在嵌入式系统中实现对U盘的操作

摘要：主要介绍在嵌入式系统中利用SL811HS对U盘操作的实现方法；简要介绍USB设备中的海量存储类、SL811HS的芯片特点及FAT文件系统。

关键词：USB U盘 FAT SL811HS

引 言

　　USB(通用串行总线)用于将适用USB的外围设备(device)连接到主机(host)，实现二者之间数据传输的外部总线结构；是一种快速、灵活的总线接口。它最大的特点是易于使用，主要是用在中速和低速的外设。

　　随着USB规范的完善和成熟，USB外设的种类不断丰富，应用领域也不断扩大。在传统的应用中，主要是PC扮演着主机的角色。根据USB的规范，可以看到在USB的拓朴结构中居于核心地位的是主机，每一次的数据传输都必须由主机发起和控制。但是随着嵌入式产品应用领域的日益增长，USB外设的应用范围也随之扩大，为此在嵌入式系统中实现对USB外设控制也变得日益迫切。

　　本文针对USB外设中的U盘，说明如何在嵌入式系统中利用SL811HS实现对其的操作。

1 海量存储类

　　USB设备分为五个大类，即显示器(monitors)、通信设备(communications devices)、音频设备(audio)、人机输入(human input)和海量存储(mass storage)。

　　通常所用的U盘、移动硬盘均属于海量存储类。

　　海量存储类的规范中包括四个独立的子规范，即CBI Transprot、Bulk-Only Transport、ATA Command Block、UFI Command Specification。前两个协议定义了数据/命令/状态在USB总线上的传输方法，Bulk-Only传输协议仅仅使用Bulk端点传送数据/命令/状态，CBI传输协议则使用Control/Bulk/Interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态的传送。后两个协议定义了存储介质的操作命令，ATA协议用于硬盘，UFI协议则针对USB移动存储。

　　本设计中所使用的U盘遵循Bulk-Only传输协议和UFI命令规范。

2 实现方法

2.1 硬件设计

　　本设计采用SL811HS芯片完成对U盘的操作。SL811HS是Cypress公司推出的具有主/从两种工作模式的USB控制器，遵循USB1.1规范；可自动检测总线速率，支持全速12Mbps和低速1.5Mbps设备；具有8位双向的数据总线，易与单片机连接；片内256字节的SRAM(其中16字节用于工作寄存器)，用于数据传输；可自动产生SOF和CRC5/16，简化软件工作量；片内具有根Hub；支持挂起/唤醒工作模式，减少功耗；支持自动加1功能，减少数据读写周期；3.3V工作电源，接口可承受5V的工作电压，可与多种规格的单片机连接。

　　单片机与SL811HS接口的原理如图1所示。
　　　　　　　　
2.2 软件设计

　　通过USB主控芯片对U盘操作的主要工作是在软件方面，它需要对众多规范、协议透彻的理解。下面主要通过软件的工作流程来说明设计过程。

2.2.1 SL811HS初始化

　　SL811HS共有15个配置寄存器，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是中断使能寄存器，D为状态寄存器，E、F为SOF计数寄存器。各个寄存器的具体功能如表1所列。
　　　　　　　
　　在SL811HS上电开始工作后，首先对USB总线复位(置寄存器5的位3为1，延时30ms后清零)，然后使能设备检测中断(置寄存器6为0x61)。

2.2.2 设备检测

(1)软件协议
　　在设备检测阶段，主要通过setup结构的数据包(8字节长)向USB设备的控制端点0(默认端点)发送命令。数据包结构如表2所列。
　
(2)实现过程
　　当U盘插入USB插座时，SL811HS产生中断，通过读取中断状态寄存器可判断中断类型。当中断类型表示为检测到设备插入时，就可对USB设备即U盘进行配置了。此时还需使能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)，以便进行数据帧的同步。

　　在U盘未配置之前，其默认地址和默认控制端点均为0。利用setup数据包对U盘进行配置时，须将U盘的地址写入SL811HS的寄存器4，将数据包的类型和U盘的控制端点写入SL811HS的寄存器3。

　　以下为对U盘配置过程的主要步骤。

① 设备描述符(GetDeviceDescriptor)。请求设备描述符的setup数据包为
通过读取设备描述符，可获得设备的子类(通用海量存储类)、端点0的最大包长(一般为8字节)。
　　　　　　　　　　
② 读取配置描述符(GetConfigDescriptor)。
对于请求配置描述符，可以先进行首次请求，要求数据包长为9(一个配置描述符的长度)。数据包内容为
　　　　　　　　　　
接收到设备返回的数据，获得此描述符的总长，然后再发二次请求，获得全部描述符数据。数据包内容为
　　　　　　　　 　　
此时返回的数据包括了设备配置、接口、端点的全部描述信息。

　　此部分的内容包括Configuration Descriptor、Interface Descriptor和所有端点的Endpoint Descriptor。在配置描述符中，可获得设备的属性(总线供电)以及最大功耗；在接口描述符，可获得设备的接口数量(只有一个数据接口)、接口类型(海量存储类)、接口子类代码(UFI)、接口通信协议(Bulk-Only)；在端点描述符，可获得设备的In和Out端点号及此端点的最大数据包长。

③ 设置设备地址(SetAddress)。设置设备地址的setup数据包为
　　　　　　　　　　 　 　
　　设备地址为02或03(01一般用来表示设备为Hub)。

　　到此，U盘的配置过程完成。此后的主机与USB设备之间的通信必须使用设置的地址，默认地址0不再有效，传输端点则为读取的配置描述符中所定义的端点号。

　　在配置过程中各类数据内容的正确性，可借助BusHound软件工具捕捉PC机与U盘之间的活动数据，然后将自己获得的数据包内容与之相比较。

2.2.3 U盘文件系统识别

(1)软件协议
　　在与U盘之间进行大量数据传输时，需要利用描述符提供的In、Out端点进行数据传送，并遵循Bulk-Only传输协议。

　　根据USB的协议规范，所有的传输都须由主机启动。即主机首先向设备的OUT端点发送一命令(CBW数据包)，请求传输，格式如表3所列。
　　　　　　　　
　　在数据包中规定了下一步的数据传输方向。若为设备到主机，则当CBW发送成功后，从设备的In端点读取CBW中规定长度的数据；若为主机到设备，则当CBW发送成功后，向设备的Out端点发送CBW中规定长度的数据。

　　当主机与设备之间的数据传送完毕后，主机还需从设备的In端点读取传送状态，主机根据接收的CSW数据包即可判断出通信是否正常。若返回的结果有错误，还须进行相应的出错处理。CSW数据包结构如表4所列。
　　　　　　　　
(2)实现过程
　　CPU向U盘发送CBW数据包，其中的命令块为UFI规范所定义的Read(10)命令。读取0柱0道1扇区共512字节的MBR数据，前446字节为主引导记录，接着的64字节为DPT(Disk Partition Table盘分区表)，最后的2字节“55 AA”为有效结束标志。

其中的DPT部分包含4个分区的数据结构，每个结构占16字节，具体定义如下：
typedef struct{
uchar BootFlag; //活动标志，80h为活动分区，0为非活动
//分区
CHS StartCHS; //分区开始的柱面、磁头、扇区
uchar SystemID; //分区类型
CHS EndChs; //分区结束的柱面、磁头、扇区
ulong RelativeSectors; //分区起始扇区数
ulong TotalSectors; //分区总扇区数
}PartitionTable;

　　从第一个分区数据结构的分区起始扇区数(relative sectors)的位置读取512字节，为DBR(系统引导记录)，包括一个引导程序和BPB(本分区的参数记录表)。BPB参数块记录本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、介质描述符、根目录项数、FAT个数、保留扇区数、分配单元的大小等重要参数。

　　根据保留扇区的数目可知FAT表的位置(RelativeSectors+保留扇区数)。FAT表是文件组织结构的主要组成部分，反映了磁盘上所有簇的使用情况。在给一个文件分配空间时，总先扫描FAT，找到第一个可用簇，将该空间分配给文件，并将该簇的簇号填到目录的相应段内；若文件大于一个簇，则在FAT表中此文件的首簇号位置填入下一个可用簇号，直到最后一个簇填入“FFFF”，即形成了簇号链。对于FAT12文件系统，簇号用12位表示；FAT16文件系统的簇号用16位表示；FAT32文件系统的簇号用32位表示。

　　根据FAT的个数以及每个FAT表占用的扇区数，即可推算出文件目录表(FDT)的位置(FAT表位置+FAT表个数*FAT表所占扇区数)。FDT是文件组织结构的又一重要组成部分。目录可看作是一种特殊的文件，数据结构为32字节，包括文件名、扩展名、文件属性、时间、日期、开始簇号、文件长度等。
根据根目录中的目录项数即可计算出数据区的起始扇区位置。这一部分占用了磁盘上的大部分空间，用于存储各类文件的数据。

　　对于FAT32文件系统来说，它的根目录位置不单独列出，而是等同于文件结构，保存在数据区中。这样就没有了目录项的限制，不够用的时候增加簇链，分配空簇即可。

　　对于以上各类数据读取内容的正确判断，可将U盘插入PC机，借助WinHex工具，读取磁盘上相应位置的数据内容，与之相比较。

　　FAT16文件格式的U盘空间分配如图2所示。
　　　　　　　　　
2.2.4 文件操作

　　因为U盘的容量不是特别大，所以基本上都使用FAT16文件系统。可以根据FAT16系统的磁盘特性进行各种操作。

① 创建目录。在根目录区或指定的子目录区中填加新目录的数据结构。

② 删除目录。在根目录区或指定的子目录区中找到所需删除的目录，并置相应标志。

③ 写文件。当写一新文件时，需在FAT表中查找未使用的簇，并将该簇号写入文件对应目录数据结构中的起始簇号位置。当此文件长度大于一簇时，还需在FAT表中对应的起始簇号位置填入下一可用簇的簇号，直到文件的最后一簇(FAT表中的相应位置填FFFF)。
若磁盘有备份FAT，还需在备份FAT表的相应位置填入正确的内容。

④ 删文件。删除文件时，除了将该文件对应的目录数据结构置相应标志外，还要修改FAT表及备份FAT表。将此文件使用的簇号位置清0，表示此簇当前未被使用。

2.2.5 Bulk传输流程
　　使用U盘的Bulk端点进行数据传送，Bulk传输分为Bulk-In和Bulk-Out。其中Bulk-In指的是主机向外围设备请求数据，由外围设备向主机发送数据。Bulk-Out的传输方向与Bulk-In相反，由主机向外围设备发送数据。

　　根据UFI规范的定义，每次读写操作都以逻辑块(扇区)为单位。一般U盘的一个扇区为512字节，而Bulk端点的最大包长为64字节，即一个扇区的读写操作需要8个循环才能完成。

(1)Bulk-In流程
　　Bulk-In流程如图3所示。
　　　　　　　　　　　　
　　在接收设备数据的循环中，因为一个扇区的操作需要8次才能完成，因此要注意每接收一个数据包，都要将SL811HS寄存器0中的数据位(位6)变换一次。data1和data0交替使用。

(2)Bulk-Out流程
　　与Bulk-In流程差不多，只是在CBW数据包中，注明了下一阶段的传输方向为主机到外围设备。在CBW发送ACK之后，向设备的Out端点发送PID-OUT数据包，使得设备接收所要传送的数据。在数据传输完毕后，仍要向设备的In端点发送PID-IN数据包，读取设备的CSW数据包，判断传输结果，并进行相应处理。

　　在发送数据的循环中，同样要注意data0和data1的交替使用问题。

结 语
　　目前开发的在嵌入式系统中利用USB主控芯片实现与U盘的操作技术，已应用在我们自主开发研制的消防产品中。实现了消防控制器与U盘之间的各类信息的传输，为数据分析提供了有利的手段。在越来越多的消费类市场，这一技术必将有更为广阔的应用前景。