基于嵌入式系統(tǒng)U盤開發(fā)的設(shè)計

湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院課程設(shè)計報告課程名稱：嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計專業(yè)班級：通信工程1301班

王海波邵湘怡完成時間：2016年6月22日報告成績：評閱意見：評閱意見：評閱教師日期湖南文理學(xué)院制目錄基于嵌入式系統(tǒng)u盤開發(fā)的設(shè)計 1一、設(shè)計題目 1二、設(shè)計內(nèi)容及要求 12.1設(shè)計內(nèi)容12.2設(shè)計要求1三、設(shè)計作用與目的 2四、系統(tǒng)設(shè)計方案 2系統(tǒng)總體設(shè)計 2簡要闡述系統(tǒng)工作原理 3五、系統(tǒng)硬件設(shè)計 3硬件電路 3基本程序結(jié)構(gòu) 45.2.1USB設(shè)備端固件分以下幾個層次： 45.2.2. 在調(diào)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件工作與否 55.2.4提供描述符6硬件設(shè)計 6六、系統(tǒng)軟件設(shè)計 7USB協(xié)議 7BULK_ONLY和UFI協(xié)議 86.3 FAT32 116.4 軟件系統(tǒng)模塊 11七、仿真調(diào)試分析 14八、嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)心得 14九、參考文獻(xiàn) 14PAGEPAGE14基于嵌入式系統(tǒng)u盤開發(fā)的設(shè)計一、設(shè)計題目基于嵌入式系統(tǒng)u盤開發(fā)的設(shè)計二、設(shè)計內(nèi)容及要求設(shè)計內(nèi)容USBPC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給人們帶來很多不變，為此，本UUSB讀寫器，方便地將采集數(shù)據(jù)以U，PC決下位機(jī)與PC設(shè)計要求UUU上，或者手機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的功能。在進(jìn)行USB開發(fā)過程中，比較難的是對設(shè)備端的程序（稱為固件，F(xiàn)irmware）進(jìn)行調(diào)試。由于USB協(xié)議有嚴(yán)格的時間要求，這就使得程序必須在有效時間內(nèi)對某些請求或狀態(tài)進(jìn)行處理，否則，USBLED1，LED2顯示輸出的一些信息來輔助調(diào)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(yùn)行時看有否相應(yīng)的LED1，LED2（單片機(jī)部分）借助PC調(diào)試軟件（BusHound）將設(shè)備端的USB協(xié)議（端口配置、地址設(shè)置以及基本數(shù)據(jù)交換）調(diào)通。然后，用調(diào)試好的USB設(shè)備接口來嵌入文件系統(tǒng)功能。三、設(shè)計作用與目的U盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計了一種基于嵌入式系統(tǒng)UU到無線數(shù)據(jù)卡上，或者手機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的功能四、系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1USB讀寫器結(jié)構(gòu)圖SB讀寫器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由MSP430F149和SL811HS構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)位區(qū)分?jǐn)?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(jìn)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(shè)計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(yīng)該注意。圖2PDIUSBD12引腳圖GND接地，VDD接正(3.3V5V3.3VVout3.3VDD3.3V；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(yīng)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位。XTAL1和XTAL2按傳統(tǒng)接法。PDIUSBD12引腳MCUAT-89C55WD引腳DATA<0>~DATA<7>P0.0~P0.7(AD0~AD7)ALEALE/PROGCS_NP1.6RESET_NP1.7PDIUSBD12引腳MCUAT-89C55WD引腳DATA<0>~DATA<7>P0.0~P0.7(AD0~AD7)ALEALE/PROGCS_NP1.6RESET_NP1.7INT_NP3.2(INT0)SUSPENDP3.3WR_NP3.6(WR)RD_NP3.7(RD)A0接GNDDMARQDMACK_NEOT_NGL_NCLKOUT引腳懸空，可作為擴(kuò)充功能使用。MCUAT-89C55WDP1.2和P1.3接2個低電平有效顯示燈LED1和LED2?；境绦蚪Y(jié)構(gòu)USB設(shè)備端的固件分以下幾個層次：表2固件層次固件模塊固件模塊功能進(jìn)行各種初始化操作、寄存器設(shè)Main.c置、中斷設(shè)置中斷服務(wù)程序，負(fù)責(zé)將不同類型的intr.c中斷轉(zhuǎn)向不同的地方usb_op.cusb_op.cD12硬件抽象層,所有的上層模塊都必須通過此模塊與USB芯片打交道設(shè)備枚舉需要的設(shè)備描述符，配置描述usb_prtcl.c符，接口描述符，端口描述符都由此模塊來執(zhí)行提供所有massStorage協(xié)議endpoint2_bulk_only.CCBW,CSW,DATAFLASH由此模塊來處理在調(diào)試的時候，從現(xiàn)象上來看，分成以下幾個階段性的步驟1、USBPCUSB、向主機(jī)提供普通USB設(shè)備提供描述符，提供正確的VID和PID后，PC能夠識別設(shè)備，但要求提供設(shè)備的驅(qū)動程序；3UsbDebug.exe12，；4MassStorageBulk－Only提供描述符，PCMassStorage、響應(yīng)了Inquiry；6、提供了其他所有的UFI（SCSI），開始讀取磁盤0（BPB）FAT12AT-89C55WDEEPROM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(yùn)行這個可執(zhí)行文件；8、創(chuàng)建文件，向設(shè)備發(fā)出Write檢查USB器件工作與否確定USBUSBSoftConnectUSBBusHound，USBUSB初始化過程為：①初始化MCU的各種端口；②進(jìn)行中斷初始化，設(shè)置中斷服務(wù)程序入口地址，將MCU的中斷方式設(shè)置為低電平觸發(fā)，因?yàn)镈12只要進(jìn)入中斷后INT_N就一直為低。③斷開SoftConnect，延時1秒后再次連接④進(jìn)入主程序循環(huán)，等待中斷的到來⑤由中斷服務(wù)程序處理所有與USB有關(guān)的操作。提供描述符USB設(shè)備的調(diào)試過程其實(shí)就是根據(jù)主機(jī)的請求，不斷地向主機(jī)提供各種信息的過程。因此，了解主機(jī)按照什么樣的順序向設(shè)備發(fā)出請求，即Windows對USB設(shè)備的枚舉順序是非常有必要的：GetDeviceDescriptor。主機(jī)主要對Length域感興趣，發(fā)送內(nèi)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(jī)將不響應(yīng)，或這時由于主機(jī)對Device的描述符將有多長實(shí)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。硬件設(shè)計TIMSP430F149MCU，CypressSL811HSUSB充分發(fā)揮各自優(yōu)勢滿足低功耗要求。MSP430TIMSP430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，MSP43016位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使其能達(dá)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6μs的時間內(nèi)激活到活躍的工作方式，非常的內(nèi)/外設(shè)和I/O端口資源，端口P1和P2支持中斷喚醒。SL811HSCypressSL811HSUSB/控制，USB/從設(shè)備控制器支持全高速和低速數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)部256SRAM動加8DMA。六、系統(tǒng)軟件設(shè)計為了使上位PC機(jī)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。USB協(xié)議通用串行總線）USB接口的外圍設(shè)備連接到主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠靠偩€結(jié)構(gòu)，是一種快速、靈活的總線接口，USB的傳輸類型有控制（control）（bulk）、中斷（interrupt）和同步（synchronous）傳輸4種，它最大的特點(diǎn)是易于使用，即插即用，主要是用在中速和低速的外設(shè)。USB控制傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸不會丟失數(shù)據(jù)。通過在硬件中實(shí)現(xiàn)差錯檢測功能，并且有選擇地進(jìn)行一定的應(yīng)進(jìn)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(shè)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(shè)備在任意時刻發(fā)起，而且USB總線以不低于設(shè)備說明的速率進(jìn)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(shí)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(yīng)的時鐘信息，為了保持定時關(guān)系，同步數(shù)據(jù)必須按照接收的速率進(jìn)行傳輸。BULK_ONLY和UFI協(xié)議USB5U4個獨(dú)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(diǎn)傳送數(shù)據(jù)/命令/CBIControl/bulk/interrupt三種類型的端點(diǎn)進(jìn)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(zhì)的操作命令，ATA協(xié)議用于硬盤，UFIUSBUBulk-OnlyUFIUFI命令塊規(guī)范是針對USB1912字節(jié)長度的操作命令。Bulk-Only事務(wù)以主機(jī)向設(shè)備發(fā)送CBW(CommandBlockWarp)包，并以建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸開始的，設(shè)備接收到CBW包，檢查并解釋它，試圖滿足主機(jī)的要求，并通過CSW(CommandStateWrap)包向主機(jī)返回狀態(tài)信息。CBWBulk-OutCBW域指明期待的傳輸，CBW31CSWCBW包必須按低字節(jié)在前的次序傳輸。CBW包結(jié)構(gòu)如圖2所示，各域含義如下：字節(jié)7字節(jié)76543210～3命令塊包標(biāo)識4～7命令塊標(biāo)記8～11數(shù)據(jù)傳輸長度12命令塊標(biāo)旗13預(yù)留邏輯單元號1415～30預(yù)留CBWCBCBWCB長度命令塊包標(biāo)識。CBW包標(biāo)記，表明這是一個CBW包，這個域的值為43425355H。命令塊標(biāo)記。當(dāng)設(shè)備返回相應(yīng)的CSWBulkCBWCSW值。命令塊標(biāo)旗。方向位規(guī)定了Bulk端點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，其他位預(yù)留。0。CBWCBCBWCB的有效長度，合法值為1-16。CBWCB。由設(shè)備執(zhí)行的命令，由設(shè)備解釋。CSW向主機(jī)表明來自于CBW包的命令塊的執(zhí)行狀態(tài)。設(shè)備收到CBW包解析處理后將通過Bulk-In端點(diǎn)發(fā)送一個CSW包。CSW開始于包邊界，并以13字節(jié)的短包結(jié)束，結(jié)構(gòu)如圖3所示，各域含義如下：表4命令狀態(tài)包結(jié)構(gòu)字節(jié)字節(jié)765432100～3命令狀態(tài)包標(biāo)識4～7命令狀態(tài)標(biāo)記8～11數(shù)據(jù)殘余12命令執(zhí)行狀態(tài)命令狀態(tài)包標(biāo)識。CSWCSW53425355H。命令狀態(tài)標(biāo)記。次域的值域CBW包的命令塊標(biāo)記相同。CBW包中規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸長度的差值。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(jī)和設(shè)備進(jìn)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(shè)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(shè)備將命令的執(zhí)行狀態(tài)封裝成CSW返回給主機(jī)。UFI1241）操作命令代碼。指明所需要執(zhí)行的操作命令；邏輯單元號。指明命令將發(fā)送到哪個邏輯單元，如果設(shè)備只有一個邏輯單元，則此域的值為0。邏輯塊地址。命令操作的起始地址。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(biāo)識，若此域的值為0，則表面沒有數(shù)據(jù)需要傳輸。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。分配長度，指明主機(jī)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5UFI結(jié)構(gòu)字節(jié)字節(jié)765432100操作命令代碼1邏輯單元號預(yù)留2～5邏輯塊地址6預(yù)留7～8傳輸長度或參數(shù)列表長度或分配長度9～11預(yù)留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(yīng)用于個人電腦尤其是移動存儲設(shè)備中，F(xiàn)AT由引導(dǎo)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(shè)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(jìn)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(jìn)行磁盤的分配，是因?yàn)楫?dāng)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(xiàng)數(shù)和大文件存取的消耗，使文件系統(tǒng)效率不高。引導(dǎo)扇區(qū)DBR（DOSBootRecord）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(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)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(dǎo)代碼找到相關(guān)參數(shù)的消息，通常稱之為BPB。最后是引導(dǎo)程序代碼以及扇區(qū)結(jié)束標(biāo)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。軟件系統(tǒng)模塊USB讀寫器軟件由主模塊、USB模塊、BULK模塊、FATU盤文件的讀寫創(chuàng)建。USBUSB設(shè)備的移入/配置設(shè)備接口端點(diǎn)描述符，建立BULK_ONLY輸入/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CBWCBWCB信息確定對U盤讀/寫操作的扇區(qū)位置和大小，F(xiàn)ATUBPB外部中斷喚醒。中斷處