作者：長江大學 萬天軍 徐愛鈞 李家緒

摘  要 利用USB主控制器控制U盤作為數據采集系統(tǒng)的移動存儲器。該設計基于USB主/從控制芯片CH375S，遵守大容量存儲設備類規(guī)范中的BulkOnly和UFI子規(guī)范，支持FAT16文件系統(tǒng)，實現了數據采集系統(tǒng)中可用U盤進行數據存儲，方便與計算機交互；配合液晶和外擴鍵盤，可以完全拋開PC，實現采集數據的實時顯示和指定存儲區(qū)域內數據的查看。

關鍵詞  CH375S  USB-Host  數據采集系統(tǒng)  Mass-Storage類  FAT16 文件系統(tǒng)

引言

隨著移動數據存儲領域的日益擴大，在嵌入式系統(tǒng)中實現USB主機功能，以實現利用USB存儲設備進行數據存儲的需求變得日益迫切。U盤作為新型移動存儲設備，以體積小、速度高、抗震動、通用性強的特點倍受青睞，因此，在數據采集系統(tǒng)中開發(fā)出嵌入式USB主機控制U盤作為數據存儲器，將具有良好的實用價值和應用前景。

1  USB大容量存儲設備協(xié)議分析

基于USB的大容量數據采集系統(tǒng)的設計，主要是要實現嵌入式USBHost。要想設計出能直接讀寫U盤的嵌入式USBHost，就必須理解USB大容量存儲設備協(xié)議。目前USB大容量存儲設備軟件結構如圖1所示。

圖1  USB大容量存儲設備軟件結構示意圖

圖1中，虛線左邊部分是主機的驅動程序結構，也是嵌入式USBHost所要實現的。左邊最頂層是FAT文件系統(tǒng)層API ，用于提供給用戶訪問存儲設備的方法。U盤中的數據都是以文件格式存儲的，FAT16因具有高度兼容性而被廣泛應用于移動存儲設備中。這里簡要分析一下FAT16文件系統(tǒng)結構和存儲空間的組織原則。

（1）  FAT16文件系統(tǒng)結構

FAT格式的磁盤大致可以分5個部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、FDT區(qū)和DATA區(qū)。
MBR區(qū)： 又稱主引導記錄，其后為64字節(jié)的DPT（Disk Partition Table，磁盤分區(qū)表）。由于不需要從U盤啟動，且U盤就一個分區(qū)，所以U盤上沒有這個數據區(qū)。
DBR區(qū)： 即操作系統(tǒng)引導記錄區(qū)，通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)，共512字節(jié)，由跳轉指令、BPB、結束標志幾部分組成。
FAT 區(qū)： 存放文件分配表。文件分配表是一一對應于數據區(qū)簇號的列表,反映了所有簇的使用情況。每個表項單元的大小決定了FAT的類型,比如FAT16的表項單元為16位。FAT表一般都有一個備份。
FDT區(qū)： 存放著文件目錄表,位于備份FAT表之后。FDT由32位的目錄項線性構成,記錄著根目錄下每個文件（子目錄）的起始單元、屬性等。FDT大小為32個扇區(qū)，最多可以保存512個目錄項。
DATA區(qū)： 是真正意義上的數據存儲的地方，位于FDT之后,占據硬盤上的大部分數據空間。

（2）  FAT16的存儲空間組織原則

當磁盤空間格式化為FAT分區(qū)時，FAT文件系統(tǒng)就將這個分區(qū)當成整塊可分配的區(qū)域進行規(guī)劃，以便數據的存儲。FAT將磁盤空間以一定數目的扇區(qū)為單位進行劃分，這樣的單位稱為簇。通常情況下,每扇區(qū)512字節(jié)的原則是不變的。簇的大小一般是2n(n為整數)個扇區(qū)的大�。總�簇的最大存儲空間為32 KB）。一般采用邏輯塊LBA（Logical Block Addressing）尋址方式。

圖1虛線左邊中間的UFI/ATA驅動層將應用程序的訪問轉換成UFI或ATA命令/數據格式，與外部存儲設備之間按照子規(guī)范UFI或ATA的定義進行命令/狀態(tài)/數據的交換；最底層則是USB傳輸驅動，負責將上層的UFI/ATA數據發(fā)送到USB總線上以及接收從存儲設備返回的狀態(tài)/數據。CBI/BulkOnly/ATA/UFI是USB Mass Storage類規(guī)范中4個獨立的子類規(guī)范的簡稱。前兩個子規(guī)范定義了數據/命令/狀態(tài)在USB上的傳輸方法。BulkOnly傳輸規(guī)范僅使用Bulk端點傳送數據/命令/狀態(tài)，CBI傳輸規(guī)范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點進行數據/命令/狀態(tài)傳送。后兩個子規(guī)范則定義了存儲介質的操作命令。ATA命令規(guī)范用于硬盤，UFI命令規(guī)范是針對USB移動存儲而制定的。

2  嵌入式USB-Host設計

2.1  硬件設計

系統(tǒng)采用增強型8051內核的單片機STC89C516RD+作為中央處理芯片，選用南京沁恒電子公司的CH375S作為USB主機控制芯片。

STC89C516RD+具有64 KB的Flash程序存儲器，1 280字節(jié)的RAM（256字節(jié)的內部RAM和1 KB的外部RAM），支持在系統(tǒng)/在應用可編程(ISP，IAP)；CH375S是一款符合USB1.1協(xié)議規(guī)范的USB總線的通用接口芯片，支持USBHost主機方式和USBDevice/Slave設備方式。CH375S具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，因此CH375S作全速USBHost 主機接口時，外圍元器件只需要晶振和電容,就可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上�？紤]到讀/寫U盤或移動硬盤時一般都是以扇區(qū)模式進行的，所以要加磁盤數據緩沖區(qū)和文件數據緩沖區(qū)（都是512字節(jié)的整數倍），并且緩沖區(qū)越大，執(zhí)行的效率越高，所以外擴了32 KB的RAM