基于嵌入式系統(tǒng)U盤開發(fā)的設計.doc

湖南文理學院芙蓉學院課程設計報告課程名稱： 嵌入式系統(tǒng)課程設計 專業(yè)班級： 通信工程1301班 學生姓名： 王海波 指導教師： 邵湘怡 完成時間： 2016年 6月 22日 報告成績： 評閱意見： 評閱教師 日期 湖南文理學院制目錄基于嵌入式系統(tǒng)u盤開發(fā)的設計1一、設計題目1二、設計內容及要求12.1設計內容12.2設計要求1三、設計作用與目的2四、系統(tǒng)設計方案24.1系統(tǒng)總體設計24.2簡要闡述系統(tǒng)工作原理3五、系統(tǒng)硬件設計35.1硬件電路35.2基本程序結構45.2.1.USB 設備端的固件分以下幾個層次：45.2.2.在調試的時候，從現(xiàn)象上來看，分成以下幾個階段性的步驟55.2.3.檢查USB 器件工作與否65.2.4.提供描述符65.3硬件設計6六、系統(tǒng)軟件設計76.1USB協(xié)議76.2 BULK_ONLY和UFI協(xié)議86.3 FAT32116.4軟件系統(tǒng)模塊12七、仿真調試分析14八、嵌入式系統(tǒng)學習心得14九、參考文獻15基于嵌入式系統(tǒng)u盤開發(fā)的設計一、設計題目基于嵌入式系統(tǒng)u盤開發(fā)的設計二、設計內容及要求2.1設計內容隨著USB技術和閃存技術的飛速發(fā)展，移動存儲設備的速度和容量日新月異，但在工業(yè)控制的上位機和下位機之間，數(shù)據(jù)傳輸依然采用傳統(tǒng)的串并口技術，特別對一些前端的便攜式采集系統(tǒng)，需要采集后臨時存儲，再拿回來傳給作為上位機的PC機進行數(shù)據(jù)處理，給人們帶來很多不變，為此，本文提出了一種方法-利用U盤的便捷特性開發(fā)一種基于嵌入式的USB讀寫器，方便地將采集數(shù)據(jù)以文件方式寫入U盤，PC機不需要任何特殊驅動便可以完成對數(shù)據(jù)的處理回放。利用本方法可以徹底解決下位機與PC機之間的數(shù)據(jù)傳輸難的問題。2.2設計要求據(jù)U盤結構特點，設計了一種基于嵌入式系統(tǒng)U盤的系統(tǒng)結構，可以將U盤集成到無線數(shù)據(jù)卡上，或者手機上，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的功能。在進行USB 開發(fā)過程中，比較難的是對設備端的程序（稱為固件，F(xiàn)irmware ）進行調試。由于USB 協(xié)議有嚴格的時間要求，這就使得程序必須在有效時間內對某些請求或狀態(tài)進行處理，否則，USB 將無法正常工作。因此，在調試過程中，較多借助LED1，LED2顯示輸出的一些信息來輔助調試，定位問題所在。比如，在某個函數(shù)中加入LED1，LED2顯示語句，程序運行時看有否相應的LED1，LED2顯示輸出，借此來判斷此函數(shù)是否得到了執(zhí)行。調試工作基本分二步進行：首先對外部設備（單片機部分）借助PC 調試軟件(從網(wǎng)上下載Bus Hound)將設備端的USB 協(xié)議(主要有描述符請求、端口配置、地址設置以及基本數(shù)據(jù)交換）調通。然后，用調試好的USB 設備接口來嵌入文件系統(tǒng)功能。三、設計作用與目的根據(jù)U 盤結構特點，設計了一種基于嵌入式系統(tǒng)U 盤的系統(tǒng)結構，可以將U 盤集成到無線數(shù)據(jù)卡上，或者手機上，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的功能四、系統(tǒng)設計方案4.1系統(tǒng)總體設計圖1 USB讀寫器結構圖4.2簡要闡述系統(tǒng)工作原理SB讀寫器結構框圖如圖1所示，主要由MSP430F149和SL811HS構成，MSP430支持串口輸入和14位的并口輸入，P2.7用作中斷喚醒位，P2.6用作標準位區(qū)分數(shù)據(jù)和命令，通過P4口向SL811發(fā)送控制信號，P6用作普通的雙向總線接口與SL811進行數(shù)據(jù)交換，P1.1支持中斷喚醒接收SL811的中斷請求。五、系統(tǒng)硬件設計5.1硬件電路下圖分別為PDIUSBD12的引腳定義，其中，下列幾個方面在制作電路板時應該注意。圖2 PDIUSBD12引腳圖a）GND 接地，VDD 接正（3.3V 或5V ），如果芯片工作在3.3V ，則Vout3.3 與VDD 都接3.3V ；如果芯片工作在5V ，則這時Vout3.3 會輸出3.3V 的電壓，用于提供給D 作參考電壓，因為此參考電壓必須為3.3V 。對于U 盤來說，由于USB 接供的是5V 電壓，因此應該按后一種接法接。即GND 接USB 接口中的GND ，VDD 接USB 接口中的VDD ，D D分別接USB 接口中的對應位。b）XTAL1 和XTAL2 按傳統(tǒng)接法。c）PDIUSBD12與MCU AT-89C55WD的連接方法見下表表1 PDIUSBD12與MCU AT-89C55WD的連接方法PDIUSBD12引腳MCU AT-89C55WD引腳DATA DATAP0.0P0.7(AD0AD7)ALEALE/PROGCS_NP1.6RESET_NP1.7INT_NP3.2（INT0）SUSPENDP3.3WR_NP3.6(WR)RD_NP3.7(RD)A0接GNDd）DMARQ DMACK_N EOT_N GL_N CLKOUT引腳懸空，可作為擴充功能使用。e）MCU AT-89C55WD P1.2和P1.3接2個低電平有效顯示燈LED1和LED2。5.2基本程序結構5.2.1.USB 設備端的固件分以下幾個層次：表2固件層次固件模塊功能Main.c進行各種初始化操作、寄存器設置、中斷設置intr.c中斷服務程序，負責將不同類型的中斷轉向不同的地方usb_op.cD12硬件抽象層,所有的上層模塊都必須通過此模塊與USB芯片打交道usb_prtcl.c設備枚舉需要的設備描述符，配置描述符，接口描述符，端口描述符都由此模塊來執(zhí)行提供endpoint2_bulk_only.C所有mass Storage 協(xié)議CBW,CSW,DATA的處理及FLASH的讀寫都由此模塊來處理5.2.2.在調試的時候，從現(xiàn)象上來看，分成以下幾個階段性的步驟1、USB 芯片正常工作，可以實現(xiàn)軟連接，此時PC 機上會出現(xiàn)“未知設備類型”的USB 設備；2、向主機提供普通USB 設備提供描述符，提供正確的VID 和PID 后，PC 能夠識別設備，但要求提供設備的驅動程序；3、安裝驅動程序后，使用周立功單片機公司提供的UsbDebug.exe簡單調試端點1和2，確保其均可傳輸數(shù)據(jù)，驗證硬件及固件的正確性；4、按Mass Storage不得BulkOnly 模式提供描述符，PC 機上設備類型變成Mass Storage Device；5、響應了BulkOnly 的Inquiry 命令，可以出現(xiàn)盤符了，但尚無法訪問磁盤；6、提供了其他所有的UFI命令（SCSI 子集），開始讀取磁盤0 扇區(qū)（BPB 區(qū)）的內容按照FAT12 的格式7、在AT-89C55WD EEPROM虛擬一張軟盤，可以正確讀取信息，可以訪問盤符，列目錄為空；8、，軟盤中放一個可執(zhí)行的文件，可以正常運行這個可執(zhí)行文件；8、創(chuàng)建文件，向設備發(fā)出Write 命令,等等。下面從具體實際操作方面來描述調試各階段的步驟5.2.3.檢查USB 器件工作與否確定USB 芯片是否已經(jīng)正常工作，是所有調試的基礎，得到電路板之后，這是一個首先要解決的問題。判斷USB 芯片是否已經(jīng)工作，可以使用SoftConnect ，則在主程序中進行軟連接后，如果PC 機上出現(xiàn)未知設備，則說明USB 進行軟連接正常，也說明芯片已經(jīng)工作了。另外就是使用Bus Hound ，觀察USB 總線上的數(shù)據(jù)，從而判斷主機與設備之間的通信已經(jīng)進行到哪一步了。在主程序中，對USB 初始化過程為： 初始化MCU 的各種端口； 進行中斷初始化，設置中斷服務程序入口地址，將MCU 的中斷方式設置為低電平觸發(fā)，因為D12 只要進入中斷后INT_N 就一直為低。 斷開SoftConnect ，延時1 秒后再次連接 進入主程序循環(huán)，等待中斷的到來 由中斷服務程序處理所有與USB有關的操作。5.2.4.提供描述符USB 設備的調試過程其實就是根據(jù)主機的請求，不斷地向主機提供各種信息的過程。因此，了解主機按照什么樣的順序向設備發(fā)出請求，即Windows 對USB 設備的枚舉順序是非常有必要的：GetDeviceDescriptor 。主機主要對Length 域感興趣，發(fā)送內容一定要正確，特別是第 2 字節(jié)type 一定為0x01 ，即Device ；否則，主機將不響應，或 這時由于主機對Device 的描述符將有多長實際上都不知道，所以這個步驟只是試探性的，目的是得到真正長度，第三步中才正而巴經(jīng)地讀取DeviceDescriptor 。5.3硬件設計系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149作為MCU，Cypress公司的SL811HS作為USB設備控制器，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢滿足低功耗要求。MSP430TI公司的 MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，針對不同的應用而由各種不同的模塊組成，這些微控制器可用電池工作，且使用的時間很長，MSP430單片機具有16位RISC結構，CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使其能達到最高的代碼效率，靈活的時鐘源可以使器件的功率消耗最低，數(shù)字控制的振蕩器（DCO）可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在短于6s的時間內激活到活躍的工作方式，非常的內/外設和I/O端口資源，端口P1和P2支持中斷喚醒。SL811HSCypress公司的SL811HS是一款超低功耗的USB主/從設備控制器，主設備或從設備模式由軟件控制，USB主/從設備控制器支持全高速和低速數(shù)據(jù)傳輸，內部256字節(jié)的SRAM緩存，訪問時地址自動加1，可大大縮短讀寫指令周期，具有標準的8位雙向微處理器總線接口，其中從設備模式下支持DMA。六、系統(tǒng)軟件設計為了使上位PC機能夠直接讀取該讀寫器寫入U盤的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲按照FAT32文件管理方式存儲，其中涉及USB和UFI協(xié)議以及FAT32文件存儲格式。6.1USB協(xié)議USB（通用串行總線）用于將USB接口的外圍設備（device）連接到主機（host），實現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠靠偩€結構，是一種快速、靈活的總線接口，USB的傳輸類型有控制（control）、批量（bulk）、中斷（interrupt）和同步（synchronous）傳輸4種，它最大的特點是易于使用，即插即用，主要是用在中速和低速的外設?？刂茢?shù)據(jù)用于在USB接入總線時對其進行配置，其他的驅動軟件可以根據(jù)具體的應用來選擇使用控制傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸不會丟失數(shù)據(jù)。典型的批量數(shù)據(jù)包括象使用打印機或掃描儀時所出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，這種批量數(shù)據(jù)是連續(xù)的，通過在硬件中實現(xiàn)差錯檢測功能，并且有選擇地進行一定的應進重試操作，可以在硬件層次上保證數(shù)據(jù)的可靠交換。由設備自發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸是中斷數(shù)據(jù)傳輸，這類數(shù)據(jù)傳輸可以由USB設備在任意時刻發(fā)起，而且USB總線以不低于設備說明的速率進行傳輸。同步數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、傳送和處理過程中是連續(xù)的和實時的，在穩(wěn)定的同步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收速率中包含了相應的時鐘信息，為了保持定時關系，同步數(shù)據(jù)必須按照接收的速率進行傳輸。6.2 BULK_ONLY和UFI協(xié)議USB設備分為5大類，即顯示器、通信設備、音頻設備、人機輸入和海量存儲。通常所用的U盤、移動硬盤均屬于海量存儲類。海量存儲類的規(guī)范中包括4個獨立的子規(guī)范，即CBI傳輸、Bulk-Only傳輸、ATA命令塊、UFI命令規(guī)范。前兩個協(xié)議定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸協(xié)議僅僅使用Bulk端點傳送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)，CBI傳輸協(xié)議則使用Control/bulk/interrupt三種類型的端點進行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)的傳送。后兩個協(xié)議定義了存儲介質的操作命令，ATA協(xié)議用于硬盤，UFI協(xié)議則針對USB移動存儲，U盤讀寫器的設計遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議和UFI命令規(guī)范。UFI命令塊規(guī)范是針對USB移動存儲而制定的，它總共定義了19個12字節(jié)長度的操作命令。Bulk-Only事務以主機向設備發(fā)送CBW（Command Block Warp）包，并以建立相應的數(shù)據(jù)傳輸開始的，設備接收到CBW包，檢查并解釋它，試圖滿足主機的要求，并通過CSW（Command State Wrap）包向主機返回狀態(tài)信息。CBW是主機通過Bulk-Out端點向設備發(fā)送的命令塊包，在CBW中使用方向位和數(shù)據(jù)傳輸長度域指明期待的傳輸，CBW必須起始于包邊界，并且必須以31字節(jié)的短包傳輸結束，相繼的數(shù)據(jù)包和CSW包必須開始于一個新的包邊界，所有的CBW包必須按低字節(jié)在前的次序傳輸。CBW包結構如圖2所示，各域含義如下：表3 CBW包結構字節(jié)位7654321003命令塊包標識47命令塊標記811數(shù)據(jù)傳輸長度12命令塊標旗13預留邏輯單元號14預留CBWCB長度1530CBWCB1）命令塊包標識。CBW包標記，表明這是一個CBW包，這個域的值為43425355H。2）命令塊標記。當設備返回相應的CSW包時，必須使命令狀態(tài)標記域的值與此值相同。3）數(shù)據(jù)傳輸長度。指明命令執(zhí)行期間在Bulk端點上傳數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，如果這個域的值是0，則在CBW和CSW之間設備和主機不傳輸任何數(shù)據(jù)，并且設備將忽略在命令塊標旗域中的方向位的值。4）命令塊標旗。方向位規(guī)定了Bulk端點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍渌活A留。5）邏輯單元號。指定命令塊被發(fā)送到的邏輯單元號，如果設備不支持多個邏輯單元號，則主機將這個域設置為0。6）CBWCB長度，定義了CBWCB的有效長度，合法值為1-16。7）CBWCB。由設備執(zhí)行的命令，由設備解釋。CSW向主機表明來自于CBW包的命令塊的執(zhí)行狀態(tài)。設備收到CBW包解析處理后將通過Bulk-In端點發(fā)送一個CSW包。CSW開始于包邊界，并以13字節(jié)的短包結束，結構如圖3所示，各域含義如下：表4 命令狀態(tài)包結構字節(jié)位7654321003命令狀態(tài)包標識47命令狀態(tài)標記811數(shù)據(jù)殘余12命令執(zhí)行狀態(tài) 1）命令狀態(tài)包標識。CSW包的標記，表明這是一個CSW包，這個域的值為53425355H。2）命令狀態(tài)標記。次域的值域CBW包的命令塊標記相同。3）數(shù)據(jù)殘余。實際數(shù)據(jù)傳輸量與CBW包中規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸長度的差值。4）命令執(zhí)行狀態(tài)，表明命令成功或失敗信息，如果命令執(zhí)行成功，則設備將設置此域的值為0，非0值；則表明失敗或錯誤。UFI是針對USB移動存儲而制定的命令塊協(xié)議，它規(guī)定了主機和設備進行信息交換所使用的命令塊、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，Bulk-Only傳輸協(xié)議定義了傳輸這些信息的方法，其中UFI命令塊是封裝在CBW包中的CBWCB，設備通過讀取CBWCB確定具體要執(zhí)行何種操作命令（如讀命令），如何完成這個命令（如從閃存的哪個地址讀，需要讀取的長度），設備將命令的執(zhí)行狀態(tài)封裝成CSW返回給主機。UFI用于大多數(shù)命令的12字節(jié)命令塊的描述，結構如圖4所示，其中各參數(shù)意義如下：1）操作命令代碼。指明所需要執(zhí)行的操作命令；2）邏輯單元號。指明命令將發(fā)送到哪個邏輯單元，如果設備只有一個邏輯單元，則此域的值為0。3）邏輯塊地址。命令操作的起始地址。4）傳輸長度，指明請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以扇區(qū)作單位，但是有幾個命令是以字節(jié)作單位的，對于這些命令，傳輸長度域可以以不同的名字標識，若此域的值為0，則表面沒有數(shù)據(jù)需要傳輸。5）參數(shù)列表長度，用于指定發(fā)送到設備的字節(jié)數(shù)，這個域典型的應用于發(fā)送到設備的參數(shù)命令塊（如模式參數(shù)、診斷參數(shù)等），若此域的值為0，則表面沒有數(shù)據(jù)需要傳輸。6）分配長度，指明主機已經(jīng)分配的用于返回數(shù)據(jù)的最大字節(jié)長度，若此值為0，則表明沒有數(shù)據(jù)需要傳輸。表5 UFI結構字節(jié)位字節(jié)765432100操作命令代碼1邏輯單元號預留25邏輯塊地址6預留78傳輸長度或參數(shù)列表長度或分配長度911預留6.3 FAT32FAT是Microsoft較早推出的文件系統(tǒng)，具有高度的兼容性，目前仍然廣泛應用于個人電腦尤其是移動存儲設備中，F(xiàn)AT由引導扇區(qū)、FAT1表、FAT2表、目錄和文件區(qū)組成（其中FAT2表是FAT1表的備份）。磁盤的管理是以扇區(qū)為單位的，而移動存儲設備則是以塊為單位的，F(xiàn)AT將塊映射成扇區(qū)，原理相同，F(xiàn)AT將磁盤空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進行劃分，這樣的單位成為簇。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(shù)）個扇區(qū)的大小。所以以簇為單位而不以扇區(qū)為單位進行磁盤的分配，是因為當區(qū)分容量較大時，采用512字節(jié)的扇區(qū)管理，會增加FAT表的項數(shù)和大文件存取的消耗，使文件系統(tǒng)效率不高。引導扇區(qū)DBR（DOS Boot Record）通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)，共512字節(jié)，F(xiàn)AT表緊隨其后。DBR的第一部分是一個x86跳轉指令、廠商標志和操作系統(tǒng)版本號，接下來的從偏移0x0B開始的是一段描述能夠使可執(zhí)行引導代碼找到相關參數(shù)的消息，通常稱之為BPB。最后是引導程序代碼以及扇區(qū)結束標志。BPB中記錄了扇區(qū)大小、簇的扇區(qū)數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)、FAT表大小和文件系統(tǒng)類型等重要參數(shù)，用于文件的索引和定位計算。6.4軟件系統(tǒng)模塊USB讀寫器軟件由主模塊、USB模塊、BULK模塊、FAT模塊和中斷處理模塊組成。各模塊之間相互協(xié)調調用，共同完成對U盤文件的讀寫創(chuàng)建。USB模塊負責檢測USB設備的移入/移出，對插入的設備進行枚舉，分配設備地址端點號，配置設備接口端點描述符，建立BULK_ONLY輸入/輸出通道，BULK模塊則在已建立的BULK_ONLY輸入/輸出通道發(fā)送CBW數(shù)據(jù)包，并接收CSW數(shù)據(jù)包，通過CBW中嵌入的CBWCB信息確定對U盤讀/寫操作的扇區(qū)位置和大小，F(xiàn)AT模塊主要完成簇和扇區(qū)間的索引定位，即在U盤內尋址，利用BPB中的參數(shù)計算給定扇區(qū)的所在簇以及進入休眠狀態(tài)，等待外部中斷喚醒。中斷處理模塊是在中斷喚醒后根據(jù)中斷類型進入不同功能子模塊的，也是整個軟件系統(tǒng)的核心部分。中斷模塊接收到串口或并口數(shù)據(jù)后，根據(jù)內部命令字要求進行解析，命令字要求如圖5所示，串口或并口數(shù)據(jù)接收流程如圖6所示。 表6 命令和數(shù)據(jù)字結構類型型15141312111009080706050403020100命令字11命令值命令參數(shù)字節(jié)數(shù)或數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)字10預留12位數(shù)據(jù)12位數(shù)據(jù)開始 根據(jù)中斷接口類型屏蔽另外一個接口，直到系統(tǒng)復位讀一個字Y