基于USB-Host的大容量数据采集系统的设计

引言
 
随着移动数据存储领域的日益扩大，在嵌入式系统中实现USB主机功能，以实现利用USB存储设备进行数据存储的需求变得日益迫切。U盘作为新型移动存储设备，以体积小、速度高、抗震动、通用性强的特点倍受青睐，因此，在数据采集系统中开发出嵌入式USB主机控制U盘作为数据存储器，将具有良好的实用价值和应用前景。 

1  USB大容量存储设备协议分析

基于USB的大容量数据采集系统的设计，主要是要实现嵌入式USBHost。要想设计出能直接读写U盘的嵌入式USBHost，就必须理解USB大容量存储设备协议。目前USB大容量存储设备软件结构如图1所示。  

图1  USB大容量存储设备软件结构示意图

图1中，虚线左边部分是主机的驱动程序结构，也是嵌入式USBHost所要实现的。左边最顶层是FAT文件系统层API ，用于提供给用户访问存储设备的方法。U盘中的数据都是以文件格式存储的，FAT16因具有高度兼容性而被广泛应用于移动存储设备中。这里简要分析一下FAT16文件系统结构和存储空间的组织原则。 

  （1）  FAT16文件系统结构

FAT格式的磁盘大致可以分5个部分：MBR区、DBR区、FAT区、FDT区和DATA区。

MBR区： 又称主引导记录，其后为64字节的DPT（Disk Partition Table，磁盘分区表）。由于不需要从U盘启动，且U盘就一个分区，所以U盘上没有这个数据区。

DBR区： 即操作系统引导记录区，通常占用分区的第0扇区，共512字节，由跳转指令、BPB、结束标志几部分组成。

FAT 区： 存放文件分配表。文件分配表是一一对应于数据区簇号的列表,反映了所有簇的使用情况。每个表项单元的大小决定了FAT的类型,比如FAT16的表项单元为16位。FAT表一般都有一个备份。

FDT区： 存放着文件目录表,位于备份FAT表之后。FDT由32位的目录项线性构成,记录着根目录下每个文件（子目录）的起始单元、属性等。FDT大小为32个扇区，最多可以保存512个目录项。

DATA区： 是真正意义上的数据存储的地方，位于FDT之后,占据硬盘上的大部分数据空间。 

（2）  FAT16的存储空间组织原则

当磁盘空间格式化为FAT分区时，FAT文件系统就将这个分区当成整块可分配的区域进行规划，以便数据的存储。FAT将磁盘空间以一定数目的扇区为单位进行划分，这样的单位称为簇。通常情况下,每扇区512字节的原则是不变的。簇的大小一般是2n(n为整数)个扇区的大小（每个簇的最大存储空间为32 KB）。一般采用逻辑块LBA（Logical Block Addressing）寻址方式。

图1虚线左边中间的UFI/ATA驱动层将应用程序的访问转换成UFI或ATA命令/数据格式，与外部存储设备之间按照子规范UFI或ATA的定义进行命令/状态/数据的交换；最底层则是USB传输驱动，负责将上层的UFI/ATA数据发送到USB总线上以及接收从存储设备返回的状态/数据。CBI/BulkOnly/ATA/UFI是USB Mass Storage类规范中4个独立的子类规范的简称。前两个子规范定义了数据/命令/状态在USB上的传输方法。BulkOnly传输规范仅使用Bulk端点传送数据/命令/状态，CBI传输规范则使用Control/Bulk/Interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态传送。后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。ATA命令规范用于硬盘，UFI命令规范是针对USB移动存储而制定的。 

2  嵌入式USB-Host设计 

2.1  硬件设计

系统采用增强型8051内核的单片机STC89C516RD+作为中央处理芯片，选用南京沁恒电子公司的CH375S作为USB主机控制芯片。

STC89C516RD+具有64 KB的Flash程序存储器，1 280字节的RAM（256字节的内部RAM和1 KB的外部RAM），支持在系统/在应用可编程(ISP，IAP)；CH375S是一款符合USB1.1协议规范的USB总线的通用接口芯片，支持USBHost主机方式和USBDevice/Slave设备方式。CH375S具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，因此CH375S作全速USBHost 主机接口时，外围元器件只需要晶振和电容,就可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。考虑到读/写U盘或移动硬盘时一般都是以扇区模式进行的，所以要加磁盘数据缓冲区和文件数据缓冲区（都是512字节的整数倍），并且缓冲区越大，执行的效率越高，所以外扩了32 KB的RAM。

USB-Host电路如图2所示。 

图2  USBHost电路框图

在图2中，CH375S芯片的RD和WR可以分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚。CS可以直接由单片机I/O脚驱动。INT输出的中断请求是低电平有效，可以连接到单片机的中断输入引脚或者普通I/O 引脚；单片机可以使用中断方式或者查询方式获知中断请求。这里用中断方式，使用单片机的INTO。

当WR为高电平并且CS和RD及A0 都为低电平时，CH375S中的数据通过D7～D0输出；当RD为高电平并且CS和WR及A0 都为低电平时，D7～D0上的数据被写入CH375S 芯片中；当RD为高电平并且CS和WR都为低电平而A0为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写入CH375S芯片中。 

2.2  软件设计

CH375S不仅是一个通用的USBHost 硬件接口芯片，而且还内置了控制传输的协议处理器和处理MassStorage海量存储设备的专用通信协议固件，支持BulkOnly传输协议和SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的USB 存储设备,简化常用的控制传输。参考图1，单片机程序主要是构建FAT文件系统。

设计文件系统，就是在指定的存储介质上，选择一种或几种数据组织方式，实现常用的几个文件API函数功能，最终实现数据的按名存取。

从第一个分区数据结构的分区起始扇区数的位置读取512字节，为DBR，包括一个引导程序和BPB参数块。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、保留扇区数和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(分区起始扇区数+保留扇区数)。根据FAT的个数以及每个FAT表占用的扇区数,即可算出FDT的位置(FAT表位置+FAT表个数