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目录第一章 绪论 ......................................................1 1.1 PC 接口简介 1 1.2 USB 接口分析 1 1.3 USB 器件的选择 1 1.4 MASS STORAGE 协议与 FAT16 文件系统 2第二章 USB 总线结构 ...............................................3 2.1 总线拓扑结 3 2.2 USB 设备 3 2.2.1 USB HUB .................................................4 2.2.2 即插即用 ................................................5 2.2.3 设备电源 ................................................6 2.2.4 设备的挂起 ..............................................6 2.3 USB 主机 6 2.4 USB 数据流 7 2.5 USB 的端点 9第三章 协议 .....................................................12 3.1 MASS STORAGE 协议 12 3.2 BULK-ONLY 传输协议 16 3.3 SCSI 指令集 18 3.4 FAT16 文件系统 21 3.4.1 FAT 文件系统结构 .......................................21 3.4.2 Flash 盘的 FAT 结构 ......................................26第四章 程序实现与调试 ...........................................29 4.1 固件程序的实现 29 4.1.1 主循环——MAINLOOP.C ...................................29 4.1.2 中断服务程序——D12ISR.C ...............................29 4.1.3 标准设备请求处理——D12SETUP.C..........................33 4.1.4 NAND FLASH 操作程序——NFLASH32.C .......................38 4.2 固件调试 42 4.2.1 检查 USB 器件是否正常工作 ...............................42 4.2.2 设备枚举 ...............................................43 4.2.3 BULK_ONLY 传输协议命令处理 ..............................43 4.2.4 FLASH 的读写 ............................................45结论 ............................................................46致谢 ............................................................47参考文献 ........................................................48附录 ............................................................49 附录 A USB 接口芯片命令总汇 49 A1.初始化命令 ...............................................50 A2.数据流命令 ...............................................54 A3.数据流命令 ...............................................59 附录 B U 盘固件程序
源码清单 60 第一章 绪论1.1 PC接口简介 PC中的接口有两类:串行接口和并行接口。
计算机内部总线,如CPU与存储器之间匀采用并行接口,这样速度快;但外设却以串行接口比较占优势。
传统的打印机接口为并行接口。
SCSI标准的全名是小型设备通用接口标准,其传输速率为10M,早期的扫描仪一般使用此接口,硬盘与主机的联接也使用这种接口。
串行接口出现最早,使用最广的RS232接口,但其速度太慢,现在已经逐渐被淘汰。
USB接口和IEEE1394接口是两种速度比较高的串行接口,还有局域网中的以太网接口,它们具有较广阔的发展前景和应用潜力。
USB适用于低档外设与主机之间的高速数据传输,USB1.1可以达到1.5Mbps或12Mbps的传输率,而1394更是可达100/200/400Mbps。
USB2.0将速度定位在480Mbps,而IEEE1394也推出了1394b 1.3.1版草案,速度从800Mbps起步,最高可达3.2Gbps。
局局域中用得最多的是以太网接口,速度可达100Mbps,当使用光纤传输时,速度可达1000Mbps。
1.2 USB 接口分析 通用串行总线Universal Serial Bus USB),是一种快速、灵活的总线接口。
与其它通信接口比较,USB接口的最大特点是易于使用,这也是USB的主要设计目标。
作为一种高速总线接口,USB适用于多种设备,如数码相机、MP3播放机、高速数据采集设备等。
易于使用还表现在USB接口支持热插拔,并且所有的配置过程都由系统自动完成,无需用户干预。
USB接口支持1.5Mb/s低速、12Mb/s全速和高达480Mb/sUSB 2.0规范的数据传输速率,扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据传输,USB的最大理论传输速率仍达1.2Mb/s或9.6Mb/s,远高于一般的串行总线接口。
USB接口芯片价格低廉,一个支持USB 1.1 规范的USB接口芯片价格大多在人民币(2004年)15~30元之间,这也大大促进USB设备的开发与应用。
1.3 USB 器件的选择 在进行一个USB设备开发之前,首先要根据具体使用要求选择合适的USB控制器。
目前,市场上供应的USB控制器主要有两种:带USB接口的单片机(MCU)或纯粹的USB接口芯片。
带USB接口的单片机从应用上又可以分成两类,一类是从底层设计专用于USB控制的单片机另一类是增加了USB接口的普通单片机,如Cypress公司的EZ-USB基于8051),选择这类USB控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉,开发工具简单,但对于简单或低成本系统。
但价格因素也是在实际选择过程中需要考虑的因素。
纯粹的USB 接口芯片仅处理USB通信,必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。
典型产品有 (I2C接口) PDIUSBD12并行接口) NS公司的USBN9603/9604并Philips公司的PDIUSBD11 、 ,行接口),NetChip公司的NET2888 等。
USB接口芯片的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高,尤其适合于产品的改型设计(硬件上仅需对并行总线和中断进行改动,软件则需要增加微处理器的USB中断处理和数据交换程序、PC机的USB接口通信程序,无需对原有产品系统结构作很大的改动)。
1.4 Mass Storage协议与FAT16文件系统 USB组织定义了海量存储设备类(Mass Storage Class)的规范,这个类规范包括四个独立的子类规范,即:1. USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt CBITransport 2. USBMass Storage Class Bulk-Only Transport 3. USB Mass Storage ClassATA Command Block 4.USB Mass Storage Class UFI Command Specification。
前两个子规范定义了数据/命令/状态在USB上的传输方法。
Bulk- Only传输规范仅仅使用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。
Microsoft Windows中提供对Mass Storage协议的支持,因此USB移动设备只需要遵循Mass Storage协议来组织数据和处理命令,即可实现与PC机交换数据。
而Flash的存储单元组织形式采用FAT16文件系统,这样,就可以直接在Windows的浏览器中通过可移动磁盘来交换数据了,Windows负责对FAT16文件系统的管理,USB设备不需要干预FAT16文件系统操作的具体细节。
第二章 USB总线结构2.1 总线拓扑结 USB总线的物理连接是一种有层次性的星型结构,集线器(HUB)是每个星型结构的中心。
PC机就是主机和根HUB,用户可以将外设或附加的HUB与之相连,这些附加的HUB可以连接另外的外设以及下层HUB。
USB支持最多5个HUB层以及127个外设。
从下图描述了总线的这种物理拓扑结构。
图 2.1 USB 总线拓扑结构2.2 USB设备 USB 设备包括 HUB 和功能设备,而功能设备又可以细分为定位设备、字符设备等等。
为了进一步叙述,这里给出端点(endpoint)和管道(pipe)的概念。
端点:每一个 USB 设备在主机看来就是一个端点的集合,主机只能通过端点与设备进行通讯,以使用设备的功能。
每一个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区,这些端点在设备出厂时就已经定义好了。
在 USB 系统中,每一个端点都有唯一的地址,这是由设备地址和端点号给出的。
每个端点都有一定的特性。
其中包括:传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等等。
除端点 0 外,其它端点必须在设备配置后才能生效。
端点 0 通常为控制端点,用于设备初始化参数等,端点 1、2 等一般用作数据端点,存放主机与设备间往来的数据。
管道:一个 USB 管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接,它代表了一种在两者之间移动数据的能力。
一旦设备被配置,管道就存在了。
管道由两种类型,数据流管道(其中的数据没有 USB 定义的结构)与消息管道(其中的数据必须由 USB 定义的结构)。
管道只是一个逻辑上的概念。
所有的设备必须支持端点 0 以作为设备的控制管道。
通过控制管道可以获取完全描述USB 设备的信息,包括:设备类型、电源管理、配置、端点描述等等。
只要设备连接到 USB上并上电,端点 0 就可以被访问,与之对应的控制管道就存在了。
一个 USB 设备可以分为三个层。
最底层是总线接口,用来发送与接收包。
中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流通。
一个端点是数据最终的使用者或提供者,它可以看作是数据源或是数据接收端。
最上层就是 USB 设备所提供的功能,比如鼠标或键盘等。
图 2.2 USB 设备层次结构2.2.1 USB HUB HUB 在 USB 结构中是一个关键,它提供了附加的 USB 节点,这些节点被称为端口。
HUB可以检测出每一个下行端口的状态,并且可以给下端的设备提供电源。
从下图描述了一个典型的 HUB 结构。
图 2.3 USB HUB2.2.2 即插即用 USB 设备可以即插即用,但在可以使用之前,必须对设备进行配置。
一旦设备连接到某个 USB 的节点上,USB 就会产生一系列的操作,来完成对设备的配置,这种操作被称为总线枚举过程: 1. 设备所连接的 HUB 检测出端口上由设备连接,通过状态变化管道向主机报告; 2. 主机通过询问 HUB 以获得确切的信息; 3. 主机这时知道设备连接到那个端口上,于是向这个端口发出复位命令; 4. HUB 发出的复位信号结束后,端口被打开,HUB 向设备提供 100mA 的电源,这时设 备上电,所有的寄存器复位,并且以缺省地址 0 以及端点 0 响应命令; 5. 主机通过缺省地址与端点 0 进行通讯,赋予设备一个唯一的地址,并且读取设备 的配置信息; 6. 最后主机对设备进行配置,该设备就可以使用了。
当该设备被移走时,HUB 依然要报告主机,并且关闭端口。
一旦主机接收到设备移走的报告,就会改写当前结构信息。
2.2.3 设备电源 USB 设备的电源可以由 USB 总线供给,也可以自备电源。
一个 USB 设备可以具有这两种供电方式,但同一时刻只能由一种方式供电。
这两种供电方式是可以切换的。
2.2.4 设备的挂起 为了节电,当设备在指定的时间内没有总线传输,USB 设备自动进入挂起状态。
如果设备所接的 HUB 的端口被禁止了,设备也将进入挂起状态(称之为选择挂起)。
当然主机也可以进入挂起状态。
USB 设备当总线活动时,就会离开挂起状态。
一个设备也可以通过电信号来远程唤醒进入挂起状态的主机。
这个能力是可选的,如果一个设备具有这个能力,主机有能力禁止或允许使用这种能力。
2.3 USB主机 USB 主机在 USB 系统中处于中心地位,并且对 USB 及其连接的设备有着特殊的责任。
主机控制着所有对 USB 的访问,一个外设只有主机允许才有访问总线的权利。
主机同时也检测着 USB 的结构。
USB 主机包括三层:设备驱动程序,USB 系统软件,USB 主控制器(主机的总线接口)。
另外,还有两个软件接口:USB 驱动(USBD)接口,主机控制驱动(HCD)接口。
图 2.4 主机的层次结构2.4 USB数据流 图 2.5 USB 数据流过程 从逻辑上讲,USB 数据的传输是通过管道进行的。
USB 系统软件通过缺省管道(与端点0 相对应)管道设备,设备驱动程序通过其它的管道来管理设备的功能接口。
实际的数据传输过程是这样的:设备驱动程序通过对 USBD 接口(USB driver interface)的调用发出输入输出请求 ; (IRP I/O Request Packet) USB 驱动程序接到请求后,调用 HCD 接口(host ,将 IRP 转化为 USB 的传输(transfer)controller driver interface) ,一个 IRP 可以包 ,由主控制含一个或多个 USB 传输;然后 HCD 将 USB 传输分解为总线操作(transaction)器以包(packet)的形式发出。
需要注意的是:所有的数据传输都是由主机开始的,任何外设都无权开始一个传输。
IRP 是由操作系统定义的,而 USB 传输与总线操作是 USB 规范定义的。
为了进一步说明USB 传输,这里引出帧(frame)的概念。
帧:USB 总线将 1ms 定义为一帧,每帧以一个 SOF 包为开始,在这 1ms 里 USB 进行一系列的总线操作。
引入帧的概念主要是为了支持与时间有关的总线操作。
为了满足不同外设和用户的要求,USB 提供了四中传输方式:控制传输;同步传输;中断传输;批传输。
它们在数据格式、传输方向、数据包容量限制、总线访问限制等方面有着各自不同的特征:控制传输(Control Transfer) 1. 通常用于配置、命令、状态等情形; 2. 其中的设置操作(setup)和状态操作(status)的数据包具有 USB 定义的结构, 因此控制传输只能通过消息管道进行; 3. 支持双向传输; 4. 对与高速设备,允许数据包最大容量为 8,16,32 或 64 字节,对于低速设备只有 8 字节一种选择; 5. 端点不能指定总线访问的频率和占用总线的时间,USB 系统软件会做出限制; 6. 具有数据传输保证,在必要时可以重试。
同步传输(Isochronous Transfer) 1. 是一种周期的、连续的传输方式,通常用于与时间有密切关系的信息的传输; 2. 数据没有 USB 定义的结构(数据流管道); 3. 单向传输,如果一个外设需要双向传输,则必须使用另一个端点; 4. 只能用于高速设备,数据包的最大容量可以从 0 到 1023 个字节; 5. 具有带宽保证,并且保持数据传输的速率恒定(每个同步管道每帧传输一个数据 包); 6. 没有数据重发机制,要求具有一定的容错性; 7. 与中断方式一起,占用总线的时间不得超过一帧的 90%。
中断传输(Interrupt Transfer) 1. 用于非周期的、自然发生的、数据量很小的信息的传输,如键盘、鼠标等。
; 2. 数据没有 USB 定义的结构(数据流管道) 3. 只有输入这一种传输方式(即外设到主机); 4. 对于高速设备,允许数据包最大容量为小于或等于 64 字节,对于低速设备只能小 于或等于 8 字节; 5. 具有最大服务周期保证,即在规定时间内保证有一次数据传输; 6. 与同步方式一起,占用总线的时间不得超过一帧的 90%; 7. 具有数据传输保证,在不要时可以重试。
批传输(Bulk Transfer) 1. 用于大量的、对时间没有要求的数据传输; ; 2. 数据没有 USB 定义的结构(数据流管道) 3. 单向传输,如果一个外设需要双向传输,则必须使用另一个端点; 4. 只能用于高速设备,允许数据包最大容量为 8,16,32 或 64 字节; 5. 没有带宽的保证,只要有总线空闲,就允许传输数据(优先级小于控制传输); 6. 具有数据传输保证,在必要时可以重试,以保证数据的准确性。
图 2.6 USB 数据传输2.5 USB的端点 端点是USB中一个独特的概念,它是一个可以与USB Host交换数据的硬件单元。
USBHost与USB设备之间都是通过端点来传输数据的,端点是桥梁和纽带,不同的端点其传输数据的能力不同,适于不同的应用场合。
PDIUSBD12的端点适用于不同类型的设备,例如图像打印机、海量存储器和通信设备。
端点可通过Set Mode命令配置为4种不同的模式,分别为: 1. 模式0 Non-ISO 模式:非同步传输 2. 模式1 ISO-OUT 模式:同步输出传输 3. 模式2 ISO-IN 模式:同步输入传输 4. 模式3 ISO-IO 模式:同步输入输出传输 这几种模式下可得到的端点情况如下表2.1: 表2.1 端点模式 端点 2(主端点)是进行吞吐大量数据的主要端点。
主端点执行主机的特性以减轻传输大数据的任务,包括: 1. 双缓冲。
允许 USB 与本地 CPU 之间的并行读写操作,增加了数据的吞吐量。
缓冲区 切换是自动处理的,导致了透明的缓冲区操作。
2. 支持 DMA(直接存储器访问)操作,可以和对其他端点的正常 I/O 操作交进行。
3. DMA 操作中的自动指针处理,在跨过缓冲区边界时不需要本地 CPU 的干预。
4. 可配置为同步传输或非同步(批量和中断)传输。
第三章 协议3.1 Mass Storage 协议 USB协议能够在启动或是当设备插入系统时对设备进行备置,这就是USB设备为什么可以执插拨的原因。
USB设备被分成以下几类:显示器 、 (Monitors) 通讯设备(Communicationdevices)、音频设备(Audio)、人机输入(Human input)、海量存储(Mass storage)。
特定类(class)的设备又可划分成子类(subclass),划分子类的后软件就可以搜索总线并选择所有它可以支持的设备。
每个设备可以有一个或多个配置(Configuration),配置用于定义设备的功能。
如果某个设备有几种不同的功能,则每个功能都需要一个配置。
配置(configuration)是接口(interface)的集合。
接口指定设备中的哪些硬件与USB交换数据。
每一个与USB交换数据的硬件就叫做一个端点(endpoint)。
因此,接口是端点的集合。
USB的设备类别定义(USB Device Class Definitions)定义特定类或子类中的设备需要提供的缺省配置、接口和端点。
描述符(descriptor)描述设备、配置、接口或端点的一般信息,下图为USB 描述符的层次结构。
图 3.1 USB 描述符层次结构 USB(Host)唯一通过描述符了解设备的有关信息,根据这些信息建立起通信,在这些描述符中,规定了设备所使用的协议、端点情况等。
因此,正确地提供描述符,是USB设备正常工作的先决条件。
USB海量存储设备(USB Mass Storage Class)包括General MassStorage Subclass、CD-ROM、Tape、Solid State。
Mass Storage Class只需要支持一个接口,即数据(Data)接口,选择缺省配置时此接口即被激活。
数据接口允许与设备之间进行数据传输,它提供三个端点:Bulk Input 端点、Bulk Output 端点和中断端点。
通用海量存储设备(General Mass Storage Device)是随机存取、基于块/扇区存储的设备。
它只能存储和取回来自CPU 的数据。
这种设备的接口遵循SCSI-2标准的直接存取存储设备(Direct
Access Storage Device)协议。
USB设置上的介质使用与SCSI-2设备相同的逻辑块(logical blocks)方式寻址。
(批量传输) 下面介绍基于Bulk Only 模式的Mass Storage设备的描述符:每个USB设备都必须有一个设备描述符。
图3.2 设备(Device)描述符 Mass Stroage设备的设备类型和子类代码均在接口描述符中设置,这里置0。
其中iSerialNumber可为零,即不指定Serial Number。
配置描述符如下图: 图3.3 配置(Configuration)描述符 这里配置所支持的接口数应为1。
即设置至少支持一个接口,这里为Bulk-Only Data接 口 , 此 接 口 使 用 三 个 端 点 : 控 制 端 点 ( 默 认 ) 、 Bulk - In 和 Bulk - Out 。
其 中bInterfaceSubClass指定所使用的工业标准命令块,bInterfaceProtocol为所使用的传输协议。
图3.4 bInterfaceSubClass 处的工业标准命令块代码 图3.5 Mass Storage 传输协议 接口描述符如下图: 图3.6 接口(Interface)描述符 由于控制端点为每个设备都使用的缺省端点,因此不需要定义,只需定义Bulk-In和Bulk-Out两个端点,其端点描述符如下: 图3.7 Bulk-In端点描述符 图3.8 Bulk-Out端点描述符3.2 Bulk-Only传输协议 设备插入到USB后,USB即对设备进行搜索,并要求设备提供相应的描述符。
在USB Host得到上述描述符后,即完成了设备的配置,识别出为Bulk-Only的Mass Storage设备,然后即进入Bulk-Only传输方式。
在此方式下,USB与设备间的所有数据均通过Bulk-In和Bulk-Out来进行传输,不再通过控制端点传输任何数据。
在这种传输方式下,有三种类型的数据在USB和设备之间传送,CBW、CSW 和普通数据。
CBW(Command Block Wrapper,即命令块包)是从USB Host发送到设备的命令,命令格式遵从接口中的bInterfaceSubClass所指定的命令块,这里为SCSI传输命令集。
USB设备需要将SCSI命令从CBW中提取出来,执行相应的命令。
完成以后,向Host发出反映当前命令执行状态的CSW(Command StatusWrapper,即命令状态包),Host根据CSW来决定是否继续.
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