1．引言

　　閃存盤(pán)（FLASH MEMORY）是USB接口的一種典型應(yīng)用，1999年朗科研發(fā)出全球第一款USB閃存盤(pán)，成功啟動(dòng)了全球閃存盤(pán)行業(yè)。由于閃存是一種基于半導(dǎo)體的存儲(chǔ)器" title="存儲(chǔ)器" target="_blank">存儲(chǔ)器，信息在斷電后可以保存，并且還具有低功耗、速度快、可擦寫(xiě)性、高可靠性、低成本等特點(diǎn)，是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的最佳選擇，在外部存儲(chǔ)領(lǐng)域、嵌入式系統(tǒng)、工控行業(yè)和信息家電業(yè)得到廣泛使用，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3等。市場(chǎng)上的FLASH有多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中最常用的有NAND（與非）和NOR（異或）兩種。

　　武漢電離層觀象臺(tái)的高頻多普勒與到達(dá)角探測(cè)分析系統(tǒng)在投入實(shí)際觀測(cè)后，獲得了一些很重要的觀測(cè)數(shù)據(jù)[1]，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元采用閃存作為數(shù)據(jù)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的信息交互，完成數(shù)據(jù)的分析與處理。本文所討論的NAND FLASH存儲(chǔ)器與USB2.0控制器的硬件連接和軟件編程方法，在研究開(kāi)發(fā)USB移動(dòng)存儲(chǔ)器使其更穩(wěn)定安全地工作，具有重要的價(jià)值。本文首先介紹移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)部分，重點(diǎn)討論了該移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的硬件接口設(shè)計(jì)，繼而給出固件程序的編程方法。其中設(shè)備固件的編寫(xiě)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　2.硬件實(shí)現(xiàn)

　　本移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的USB2.0控制器采用ATMEL公司的AT89C5131芯片，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)采用SAMSUNG公司的NAND FLASH 芯片K9K2G08U0A。

　　2.1 AT89C5131芯片特點(diǎn)

　　AT89C5131是ATMEL公司生產(chǎn)的基于80C52內(nèi)核的高性能內(nèi)置全速USB控制器的8位單CPU微處理芯片[2]，直接與MCS-51系列兼容，其內(nèi)部集成了32KB的Flash存儲(chǔ)器，可用于IN- System Programming；內(nèi)置4KB EEPROM，其中的1KB用于用戶(hù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，具有1個(gè)控制端口和6個(gè)普通可編程端口，并且支持控制傳送、同步傳送、中斷傳送和批量傳送四種傳輸方式。該芯片的優(yōu)點(diǎn)是采用開(kāi)發(fā)者熟悉的結(jié)構(gòu)和指令集，處理能力強(qiáng)，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。

　　2.2 K9K2G08U0A芯片特點(diǎn)

　　K9K2G08U0A存儲(chǔ)器芯片的總?cè)萘繛?256M +8192k)bit*8bit，分為2048扇區(qū)，每扇區(qū)又分為64頁(yè)，每頁(yè)除了2k字節(jié)的主存儲(chǔ)區(qū)外，還包括64字節(jié)的備用[3]。它以200μs/ 頁(yè)完成2112個(gè)字節(jié)的編程操作；還可以在2ms內(nèi)完成128k字節(jié)的擦除操作；同時(shí)隨機(jī)讀數(shù)時(shí)間是25μs；數(shù)據(jù)線(xiàn)與地址線(xiàn)復(fù)用為I/O0-I/O7共 8根線(xiàn)；另外還分別提供了命令控制信號(hào)線(xiàn)；數(shù)據(jù)保存時(shí)間超過(guò)10年。NAND FLASH存儲(chǔ)器不會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)容量的增加而增加引腳數(shù)目，從而極大方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品升級(jí)，但芯片的連接方法與編程訪問(wèn)同傳統(tǒng)存儲(chǔ)器相比仍有較大差異。

　　2.3 硬件原理圖

　　該系統(tǒng)的硬件部分由內(nèi)置USB控制器的單片機(jī)AT89C5131，SAMSUNG公司的NAND FLASH 芯片K9K2G08U0A組成，硬件原理圖如圖1所示。必須寫(xiě)入相應(yīng)的命令才能順利執(zhí)行閃存的各種操作，由于數(shù)據(jù)線(xiàn)與地址線(xiàn)復(fù)用為8根線(xiàn)，因此地址、命令以及數(shù)據(jù)的輸入/輸出需要通過(guò)命令鎖存信號(hào)(CLE)和地址鎖存信號(hào)(ALE)共同控制從而分時(shí)復(fù)用。
 

I/O[7:0]：數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，該信號(hào)與AT89C5131芯片的P0[7:0]連接。

 ：寫(xiě)使能信號(hào)。在其上升沿時(shí)，命令、地址和數(shù)據(jù)鎖存到相應(yīng)的寄存器中。該信號(hào)與AT89C5131芯片的P3.6 信號(hào)連接。

：讀使能信號(hào)。在其下降沿時(shí)，輸出數(shù)據(jù)到I/O總線(xiàn)，同時(shí)，它還可以對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)地址進(jìn)行累加。該信號(hào)與AT89C5131芯片的P3.7 信號(hào)連接。

CLE：命令鎖存使能信號(hào)。當(dāng)CLE為高電平時(shí)，命令在 上升沿通過(guò)I/O端口送入命令寄存器。該信號(hào)與AT89C5131芯片的P1.0引腳連接。

ALE：地址鎖存使能信號(hào)。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，地址在 上升沿送入地址寄存器。該信號(hào)與AT89C5131芯片的P1.1引腳連接。

：片選信號(hào)。用于控制設(shè)備的選擇。當(dāng)設(shè)備忙時(shí) 為高電平而被忽略，當(dāng)處于編程和擦除操作時(shí)設(shè)備不能回到備用狀態(tài)。該信號(hào)與AT89C5131芯片的P1.2引腳連接。

R/ ：準(zhǔn)備好/忙輸出。當(dāng)它為低電平時(shí)，表示編程、擦除和隨機(jī)讀操作正在進(jìn)行，在操作完成后返回高電平；當(dāng)芯片沒(méi)被選中或輸出禁止時(shí)，其為高電平時(shí)。該信號(hào)與AT89C5131芯片的P1.3引腳連接。

3.固件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備采用Bulk-Only傳輸方式，遵循UFI命令規(guī)范。移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備固件的主要功能是響應(yīng)USB總線(xiàn)的各種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，向主機(jī)返回設(shè)備的狀態(tài)信息；同時(shí)，解析接收到的SCSI命令，進(jìn)行相應(yīng)的命令處理和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作。固件設(shè)計(jì)采用中斷驅(qū)動(dòng)，當(dāng)AT89C5131從總線(xiàn)上接收到請(qǐng)求包時(shí)，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的中斷事件處理函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)處理USB傳輸，從而保證了閃存的快速讀寫(xiě)速率。主要中斷事件有：

(1)主循環(huán)等待USB中斷，設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位。移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備插入主機(jī)后，主機(jī)向移動(dòng)閃存的控制斷點(diǎn)0發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，固件進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理函數(shù)，設(shè)備回送給主機(jī)所要求的相應(yīng)描述符，調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序。

(2)當(dāng)USB主機(jī)通過(guò)Bulk-In端口讀取閃存數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生Bulk-In端口中斷。

(3)當(dāng)AT89C5131通過(guò)Bulk-Out端口接收到主機(jī)發(fā)送的命令字CBW后，觸發(fā)Bulk-Out端口中斷。

3．1 響應(yīng)USB總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求

當(dāng)USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備接入主機(jī)后，USB主機(jī)控制器對(duì)設(shè)備進(jìn)行總線(xiàn)枚舉過(guò)程，首先向設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求GET_DESCRIPTOR來(lái)獲得最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度；接著發(fā)出SET ADDRESS請(qǐng)求，為設(shè)備分配地址；使用新分配的地址再次發(fā)出GET_DESCRIPTOR請(qǐng)求，讀取設(shè)備的配置信息[4]，如設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端口描述符和字符串描述符等，并選擇合適的驅(qū)動(dòng)程序；最后，發(fā)出SET CONFIGURATION請(qǐng)求配置端口屬性。

USB設(shè)備通過(guò)控制端口響應(yīng)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和設(shè)備間的通信。除控制端口外，Bulk-Only傳輸方式還需支持Bulk-In和Bulk-Out端口。端口初始化代碼如下：

void Usb_Init(void)

{

UEPNUM=0x00;    UEPCONX=0x80;

//端口0，控制端口

UEPNUM=0x01;    UEPCONX=0x86;

//端口1，Bulk-In端口

UEPNUM=0x02;    UEPCONX=0x82;

//端口2，Bulk-Out端口

UEPRST=0x07;     UEPRST= 0x00;//端口復(fù)位

UEPIEN=0x07;      USBIEN|=EEOFINT;

USBADDR=FEN;         //功能使能位

}

當(dāng)控制端口配置成功后，主機(jī)會(huì)發(fā)出Inquiry、Mode_Sense、Read_Capacity等請(qǐng)求，提供閃盤(pán)基本信息，如扇區(qū)大小、簇大小、閃盤(pán)容量等，當(dāng)請(qǐng)求結(jié)果正確后，便會(huì)發(fā)出Read(10)命令，進(jìn)入文件系統(tǒng)識(shí)別階段。

3．2 解析SCSI命令并處理

UFI 命令規(guī)范基于 SFF-8070i 和 SCSI-2 的規(guī)范，總共定義了19個(gè)固定12字節(jié)長(zhǎng)度的操作命令，用于 USB主機(jī)和 USB 移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備之間進(jìn)行命令字CBW (Command Block Wrapper)、普通數(shù)據(jù)、狀態(tài)字CSW (Command Status Wrapper)的交換。

USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備接收到來(lái)自于USB主機(jī)Bulk-Out端口發(fā)給其的CBW命令字后，按照SCSI的命令格式進(jìn)行解析，得到其中的命令信息，如：格式化設(shè)備、查詢(xún)?cè)O(shè)備信息、讀寫(xiě)設(shè)備等，對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的命令后，向主機(jī)Bulk-In端口返回狀態(tài)字 CSW，報(bào)告命令執(zhí)行情況，主機(jī)根據(jù)反饋的狀態(tài)字決定是否繼續(xù)發(fā)送命令字或是數(shù)據(jù)。

3．3 閃存的操作實(shí)現(xiàn)

K9K2G08U0A芯片以頁(yè)為單位來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)，以塊為單位進(jìn)行擦除。K9K2G08U0A支持的操作主要有幾種：讀操作(Read)、頁(yè)編程(Page Program)、緩存編程(Cache Program)、塊擦除(Block Erase)、塊復(fù)制(Copy-Back Program)、隨機(jī)數(shù)據(jù)輸入(Random Data Input)、隨機(jī)數(shù)據(jù)輸出(Random Data Output)、復(fù)位(Reset)、讀設(shè)備號(hào)(ReadID)、讀狀態(tài)(Read Status)等操作。在進(jìn)行寫(xiě)操作之前，必須對(duì)寫(xiě)單元所在塊進(jìn)行擦除，因此事先需要對(duì)所擦除塊內(nèi)容進(jìn)行保存。

如果閃存存在壞塊，則在進(jìn)行讀、頁(yè)編程、塊擦除、塊復(fù)制等操作時(shí)會(huì)失敗，因此對(duì)壞塊要進(jìn)行提前檢測(cè)并進(jìn)行標(biāo)注。芯片在出廠時(shí)，在每塊的第一頁(yè)和第二頁(yè)的2048列的首字節(jié)做出好壞標(biāo)記，如果標(biāo)志位不是FFh則為壞塊，基于此建立壞塊列表。

基于篇幅的原因，這里以寫(xiě)操作過(guò)程為例描述閃存使用方法。一般閃存的使用順序是：塊擦除-編程-多次讀取-塊擦除…， 對(duì)K9K2G08U0A芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)的步驟如下：(1)將寫(xiě)入數(shù)據(jù)扇區(qū)地址與壞塊列表對(duì)照，檢查錯(cuò)誤扇區(qū)。若存在壞區(qū)，則繼續(xù)檢查下一扇區(qū)；(2)開(kāi)辟緩沖區(qū)域，將寫(xiě)入數(shù)據(jù)扇區(qū)的原始數(shù)據(jù)利用Copy-Back Program方式保存到緩沖區(qū)；(3) 利用Block Erase擦除要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)扇區(qū)；(4) 利用 Page Program操作將主機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫(xiě)到閃存中；(5)利用Copy-Back Program操作將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定扇區(qū)。

K9K2G08U0A編程器件以頁(yè)為單位編程，它允許在單頁(yè)編程周期中對(duì)部分頁(yè)或一個(gè)甚至連續(xù)的多達(dá)2112個(gè)連續(xù)字節(jié)編程。一個(gè)頁(yè)編程周期由2個(gè)階段組成[3]：(1)串行數(shù)據(jù)加載階段：數(shù)據(jù)被加載到數(shù)據(jù)寄存器中，以輸入命令80h為標(biāo)志，緊接著是5個(gè)字節(jié)的地址輸入和串行數(shù)據(jù)加載；(2)非易失性的編程階段：命令10h標(biāo)志著該編程階段的開(kāi)始，將已加載的數(shù)據(jù)寫(xiě)入實(shí)際的存儲(chǔ)單元，編程典型時(shí)間為200μs。之后R/ 跳低，進(jìn)入閃存內(nèi)部編程，最后進(jìn)入讀狀態(tài)確認(rèn)操作，命令70h表示讀狀態(tài)命令，I/O0表示讀到的狀態(tài)。頁(yè)編程實(shí)現(xiàn)代碼如下：

void PageWrite(void )   //頁(yè)編程

{

CheckBlock(startpage);   //檢測(cè)壞塊列表

if(FirstP)

// FirstP為1，開(kāi)始對(duì)一頁(yè)進(jìn)行寫(xiě)操作，否則為0

{//片選信號(hào)有效

F_CE=0; F_RE=1; F_ALE=0;F_CLE=1;F_WE=0;

OutputCommand(0x80);   //輸入命令0x80

F_WE=1;

F_ALE=1;//發(fā)送地址開(kāi)始

AddrOut (addr1); //得到頁(yè)地址，五個(gè)周期

AddrOut (addr2); AddrOut (addr3); AddrOut (addr4); AddrOut (addr5);

F_ALE=0;

FirstP =0; }

WriteData(BuffBlock);   //將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)

FlagWrite =0;

Do{

F_WE=0;

WriteFlash();      //將數(shù)據(jù)寫(xiě)入flash

FlagWrite++;

F_WE=1;

}while(FlagWrite<64);  //寫(xiě)滿(mǎn)一頁(yè)數(shù)據(jù)

OutputCommand (0x10);   //輸入命令0x10

while(!F_RB);     //等待讀信號(hào)有效

OutputCommand (0x70);   //輸入命令0x70

Wait();

F_CE=1;    //片選結(jié)束

startpage++;    //繼續(xù)寫(xiě)下一頁(yè)

FirstP =1;

}

4．結(jié)束語(yǔ)

本文在充分研究USB2.0協(xié)議、Bulk-Only傳輸協(xié)議和SCSI指令規(guī)范的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出USB2.0高性能移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將FLASH作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的存儲(chǔ)單元，應(yīng)用在與計(jì)算機(jī)交互數(shù)據(jù)的采集過(guò)程之中；并采用中斷驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)固件程序，提高了讀寫(xiě)效率。實(shí)驗(yàn)證明，其性能穩(wěn)定可靠，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)速度達(dá)到了令人滿(mǎn)意的效果。移動(dòng)數(shù)據(jù)的交換和存儲(chǔ)是目前IT行業(yè)的熱點(diǎn)，可以在此基礎(chǔ)上，不斷完善現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)，使得在PC機(jī)不參與的情況下同樣可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與交換。