1 引言
　　 USB （Universal Serial Bus）接口以其速度快、功耗低、支持即插即用（Plug & Play）、使用安裝方便等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。目前USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速度已達(dá)480Mb/s，這使得USB可以推廣到硬盤(pán)、信息家電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和其它快速外設(shè)。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，如基于硬盤(pán)的大容量數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)中，為了使用方便，需要將普通硬盤(pán)轉(zhuǎn)化成海量存儲(chǔ)器，這樣在使用時(shí)就不需關(guān)機(jī)重啟或打開(kāi)機(jī)箱來(lái)安裝。本文介紹一種利用帶USB接口的單片機(jī)芯片CY7C68013來(lái)控制普通硬盤(pán)的讀寫(xiě)，從而半普通硬盤(pán)轉(zhuǎn)化為USB2.0海量存儲(chǔ)器的可行方案，本系統(tǒng)可擴(kuò)展，完全可用于實(shí)現(xiàn)基于硬盤(pán)的大容量數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 USB接口芯片
　　本設(shè)計(jì)選用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013，這是一種帶USB接口的單片機(jī)芯片，雖然采用低價(jià)的8051單片機(jī)，但仍然能獲得很高的速度。它包括一個(gè)8051處理器、一個(gè)串行接口引擎（SIE）、一個(gè)USB收發(fā)器、一個(gè)8.5kB片上RAM、一個(gè)4 kB FIFO存儲(chǔ)器及一個(gè)通用可編程接口（GPIF）。FX2可提供全面集成的解決方案。它有56SSOP、100TQFP、128TQFP三種封裝，本設(shè)計(jì)選用占用電路板空間較少的56SSOP封裝。如果要進(jìn)行擴(kuò)展，也可選用128TQFP封裝。
　　
　　
　　

　　 2．2 ATA接口
　　 ATA 接口是在ST506的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，它將控制器集成到驅(qū)動(dòng)器中，采用8個(gè)端口寄存器（即命令寄存器）來(lái)完成對(duì)硬盤(pán)的讀寫(xiě)，ATA有兩種工作模式： PIO模式和DMA模式。本設(shè)計(jì)采用的DMA傳輸模式不需要處理器參與整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，而是由I/O口直接將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器中，從而節(jié)約大量的CPU 時(shí)間以更好的處理其它事件?？刂破鲗?duì)硬盤(pán)的操作分為兩種：8位數(shù)據(jù)的命令操作和16位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸操作。在對(duì)硬盤(pán)輸出控制命令之前，程序需對(duì)端口完整輸出7字節(jié)的命令塊。其中前六個(gè)端口為參數(shù)，最后一個(gè)端口為命令碼。讀寫(xiě)操據(jù)端口一般以512字節(jié)作為數(shù)據(jù)塊進(jìn)行。硬盤(pán)執(zhí)行命令后發(fā)出中斷請(qǐng)求以表示操作結(jié)束（結(jié)束傳輸），也可以置控制器狀態(tài)為空閑，以表示扇區(qū)請(qǐng)求傳輸（數(shù)據(jù)傳輸）。最后，由控制器讀取硬盤(pán)狀態(tài)寄存器，以檢測(cè)硬盤(pán)操作的成功與否。如操作正常，則進(jìn)行下一次動(dòng)作；否則進(jìn)入錯(cuò)誤處理程序。
　　 2．3 GPIF與ATA接口
　　 FX2芯片的最主要特點(diǎn)是可通過(guò)USB2.0的通用可編程接口（GPIF）為特定的應(yīng)用接口編程，以便使用多種協(xié)議完成與外圍器件的無(wú)縫連接，如 EIDE/ATAPI， IEEE1284，Utopia等。其編程可以根據(jù)需要進(jìn)行，且其中不需要CPU的干預(yù)，只是通過(guò)一些CPU標(biāo)志和中斷即可與增強(qiáng)型8051內(nèi)核進(jìn)行通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
　　本設(shè)計(jì)采用“GPIF主控”接口模式，并使用PORTB和PORTD雙向FIFO數(shù)據(jù)線來(lái)構(gòu)成通向四個(gè)FX2端點(diǎn)FIFO（EP2、EP4、EP6、 EP8）的16位數(shù)據(jù)接口，以用來(lái)連接數(shù)據(jù)線DD[15:0]并進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送；GPIF作為內(nèi)部主控器與FIFO相連，并通過(guò)產(chǎn)生用戶可編程的控制主控器與FIFO相連，并通過(guò)產(chǎn)生用戶可編程的控制信號(hào)CTL[2：0]與外部接口進(jìn)行通信。同時(shí)，GPIF 還可以通過(guò)RDY[1：0]引腳采用外部信號(hào)并等待外部事件。由于GPIF的運(yùn)算速度比FIFO快得多，因此其時(shí)序信號(hào)具有很好的編程分辨率。
　　 FX2 用4個(gè)波形描述符來(lái)控制各個(gè)狀態(tài)。這些波形描述符可動(dòng)態(tài)的配置給任何一個(gè)端點(diǎn)FIFO。配置后，GPIF將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯CTL及握手信號(hào)RDY來(lái)和外界接口，以滿足向FIFO讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的需要。GPIF的數(shù)據(jù)總線可以是8位FD[7：0]，也可以是16位FD[15：0]，本設(shè)計(jì)采用 16位數(shù)據(jù)總線。其硬盤(pán)讀數(shù)據(jù)控制波形如圖2所示。

　　每個(gè)波形描述符包含了S0~S6七個(gè)有效狀態(tài)和一個(gè)空閑狀態(tài)。在每個(gè)有鏟狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段里，經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置，GPIF可以做出以下幾件事件；驅(qū)動(dòng)（使高或低）或浮接CTL輸出、采樣或驅(qū)動(dòng)FIFO的數(shù)據(jù)總線、增加GPIF地址總線的值、增加指向當(dāng)前FIFO指針的值和啟動(dòng)GPIFWF（GPIF波形）中斷。除此之外，在每個(gè)狀態(tài)，GPIF還可以對(duì)以下幾個(gè)信號(hào)中的任意兩個(gè)進(jìn)行采樣，它們是：RDYX輸入端、FIFO狀態(tài)標(biāo)志位、內(nèi)部RDY標(biāo)志位和傳輸計(jì)數(shù)終止標(biāo)志位。每個(gè)GPIF動(dòng)作都由七段組成，每個(gè)狀態(tài)都可以定義為Non- Decision Interval (NDP)或Decision Point Interval(DP)。當(dāng)某個(gè)狀態(tài)定義為NDP時(shí)，在執(zhí)行此狀態(tài)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)只是用簡(jiǎn)單的延時(shí)來(lái)確定產(chǎn)生指定電平的延續(xù)時(shí)間；而當(dāng)執(zhí)行DP狀態(tài)時(shí)，它將根據(jù)RDY0、RDY1上的輸入信號(hào)狀態(tài)把其中的兩個(gè)信號(hào)相與、相或或者相異，然后根據(jù)結(jié)果跳轉(zhuǎn)到其它任意一個(gè)狀態(tài)或延遲1~256個(gè)IFCLK時(shí)鐘周期。當(dāng)然也可根據(jù)輸入端信號(hào)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)或延遲。
　
　　

　　圖2中，在第一個(gè)DP時(shí)刻，若硬盤(pán)中數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒，硬盤(pán)會(huì)傳給GPIF一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)RDY0，根據(jù)此信號(hào)，波形將按順序轉(zhuǎn)入2、3、4狀態(tài)，并使指向內(nèi)部FIFO的指針在每個(gè)時(shí)鐘上升沿加1，然后依次讀取四個(gè)數(shù)據(jù)，讀取完數(shù)據(jù)后再利用CTL0的上升沿啟動(dòng)下一次讀寫(xiě)操作。若在狀態(tài)1時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)脈沖，則直接跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)6，之后重復(fù)此波形描述符。在這種情況下，所有的讀寫(xiě)及控制邏輯均可通過(guò)CY7C68013的GPIF以軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，且控制邏輯的變換非常方便靈活（只需改變接口的一個(gè)配置寄存器的值）。GPIF波形描述符可用Cypress公司的GPIF工具GPIFTOOL來(lái)進(jìn)行配置，它是一個(gè)可以運(yùn)行于Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序。
　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：固件、應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。其中，固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序，是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的核心，可采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言設(shè)計(jì)。只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。
　　 3．1 USB設(shè)備固件程序設(shè)計(jì)
　　 設(shè)備固件程序的主要功能是控制EZ-USB FX2接收并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求（如請(qǐng)求設(shè)備描述符或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)，請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備接口等USB2.0標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求）、控制芯片中應(yīng)用程序控制指令的接收、控制硬盤(pán)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)等。該固件程序除能夠使內(nèi)置的通用可編程接口（GPIF）在沒(méi)有CPU的干涉下通過(guò)四個(gè)大的端點(diǎn)FIFO（EP2、EP4、 EP6、EP8）來(lái)處理高速寬帶外，還有如下固定的工作：配置端點(diǎn)、通過(guò)控制端點(diǎn)0來(lái)響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求、控制和監(jiān)測(cè)GPIF的活動(dòng)等。其固件程序框圖如圖形所示。
　　設(shè)計(jì)時(shí)可采用PIO和UDMA兩種模式，F(xiàn)X2芯片的BULK端點(diǎn)大小可設(shè)置為512字節(jié)或1024字節(jié)。為實(shí)現(xiàn)UDMA功能，應(yīng)將GPIF中的 Slave FIFO與USB通訊中的端點(diǎn)BUFFER直接連接，數(shù)據(jù)的傳送不再需要CPU的參考。當(dāng)BUFFER寫(xiě)滿后，置BUFFER滿標(biāo)志位，以使GPIF停止動(dòng)作。實(shí)際上，也可運(yùn)用GPIF的Re-execute功能（重復(fù)執(zhí)行功能）。設(shè)定此功能后，GPIF可以不經(jīng)過(guò)IDLE狀態(tài)而僅根據(jù)采樣RDY信號(hào)即可重復(fù)下次動(dòng)作。直到出現(xiàn)指定的標(biāo)志位后才停止動(dòng)作。這項(xiàng)功能一般用于大批量數(shù)據(jù)的連續(xù)讀寫(xiě)。如在UDMA模式下對(duì)一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)的讀寫(xiě)操作。如在UDMA 模式下對(duì)一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)的讀寫(xiě)操作。為了實(shí)現(xiàn)UDMA模式下的CRC校驗(yàn)，還需設(shè)備特殊寄存器來(lái)完成CRC校驗(yàn)工作。
　　 3．2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
　　該系統(tǒng)需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程度，即通用驅(qū)動(dòng)和下載固件驅(qū)動(dòng)。通用驅(qū)動(dòng)用于完成與外設(shè)和用戶程序的通信及控制；而下載固件驅(qū)動(dòng)程序則負(fù)責(zé)在外連接USB總線后把特定的固件程序下載到FX2的RAM中使FX2的CPU重啟，同時(shí)模擬斷開(kāi)與USB總線的連接以完成對(duì)外設(shè)的重新設(shè)置，這種即可使主機(jī)能夠根據(jù)新的設(shè)置來(lái)安裝通用驅(qū)動(dòng)程序，重新格舉外設(shè)為一個(gè)新的USB設(shè)備。通用驅(qū)動(dòng)程序一般不需要重新編寫(xiě)，可以使用Cypress公司已經(jīng)編好的驅(qū)動(dòng)ezusb.sys。由于在Winsows2000操作系統(tǒng)中已經(jīng)新增了媒體存儲(chǔ)（Mass Stroage）設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，并可使用批量傳輸功能，所以可以直接選擇BULKUSB.SYS驅(qū)動(dòng)程序，而下載固件驅(qū)動(dòng)則必須定做。

　　

　　 3．3 用戶程序的設(shè)計(jì)
　　用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，這通過(guò)通用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成對(duì)外設(shè)的控制和通信。在編寫(xiě)用戶程序時(shí)，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。本設(shè)計(jì)使用Visual Basic6. 0編譯環(huán)境中的API函數(shù)來(lái)將ATI函數(shù)包裝成一個(gè)VB.DLL連接程序文件，其編程方法與串口編程類(lèi)似；首先查找設(shè)備，打開(kāi)設(shè)備的句柄，然后進(jìn)行讀寫(xiě)和控制操作，最后關(guān)閉設(shè)備句柄。程序中主要用到的兩個(gè)API函數(shù)CreatFile()和DeviceIoControl()就是根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?br /> 　　4 結(jié)語(yǔ)
　　本設(shè)計(jì)利用CY7C68013芯片的ATA接口將普通硬盤(pán)轉(zhuǎn)化為具有USB2.0接口的海量存儲(chǔ)器，其靈活的接口和可編程特性簡(jiǎn)化了外部硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)也有利于PCB板的制作和調(diào)試。另外，USB設(shè)備的可熱插拔特性使該系統(tǒng)具有了便攜式的特點(diǎn)，而且使用方便，無(wú)需關(guān)機(jī)重啟或打開(kāi)機(jī)箱即可進(jìn)行安裝。該系統(tǒng)可采用PIO和UDMA兩種模式實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)UDMA方式，所采用的 Conductors導(dǎo)線部分為80-pin，而不是傳統(tǒng)的40-pin，但是Cable (也就是排線的連接頭部分)還是40-pin。本設(shè)計(jì)支持全速和高速傳輸兩種狀態(tài)，如果PC機(jī)是USB1.1的，它也能向下兼容USB1.1，而且速度遠(yuǎn)高于采用純粹的USB接口芯片加外微處理器所構(gòu)成的系統(tǒng)。從該方案可以看出，如果采用128TQFP封裝的EZ-SUB FX2系列芯片，還可利用其地址線和數(shù)據(jù)線在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其它擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)基于硬盤(pán)的大容量數(shù)據(jù)采集與分析。