1 引言
　　 USB （Universal Serial Bus）接口以其速度快,、功耗低、支持即插即用（Plug & Play）,、使用安裝方便等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用,。目前USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速度已達(dá)480Mb/s，這使得USB可以推廣到硬盤,、信息家電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和其它快速外設(shè),。在某些應(yīng)用場合，如基于硬盤的大容量數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)中,，為了使用方便,，需要將普通硬盤轉(zhuǎn)化成海量存儲器，這樣在使用時就不需關(guān)機(jī)重啟或打開機(jī)箱來安裝,。本文介紹一種利用帶USB接口的單片機(jī)芯片CY7C68013來控制普通硬盤的讀寫,，從而半普通硬盤轉(zhuǎn)化為USB2.0海量存儲器的可行方案,，本系統(tǒng)可擴(kuò)展，完全可用于實(shí)現(xiàn)基于硬盤的大容量數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng),。2 硬件設(shè)計
2．1 USB接口芯片
　　本設(shè)計選用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013,，這是一種帶USB接口的單片機(jī)芯片，雖然采用低價的8051單片機(jī),，但仍然能獲得很高的速度,。它包括一個8051處理器、一個串行接口引擎（SIE）,、一個USB收發(fā)器,、一個8.5kB片上RAM、一個4 kB FIFO存儲器及一個通用可編程接口（GPIF）,。FX2可提供全面集成的解決方案,。它有56SSOP、100TQFP,、128TQFP三種封裝,，本設(shè)計選用占用電路板空間較少的56SSOP封裝。如果要進(jìn)行擴(kuò)展,，也可選用128TQFP封裝,。
　　
　　
　　

　　 2．2 ATA接口
　　 ATA 接口是在ST506的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，它將控制器集成到驅(qū)動器中,，采用8個端口寄存器（即命令寄存器）來完成對硬盤的讀寫,，ATA有兩種工作模式： PIO模式和DMA模式。本設(shè)計采用的DMA傳輸模式不需要處理器參與整個數(shù)據(jù)傳輸過程,，而是由I/O口直接將數(shù)據(jù)傳送到存儲器中,，從而節(jié)約大量的CPU 時間以更好的處理其它事件?？刂破鲗τ脖P的操作分為兩種：8位數(shù)據(jù)的命令操作和16位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸操作,。在對硬盤輸出控制命令之前，程序需對端口完整輸出7字節(jié)的命令塊,。其中前六個端口為參數(shù),，最后一個端口為命令碼。讀寫操據(jù)端口一般以512字節(jié)作為數(shù)據(jù)塊進(jìn)行,。硬盤執(zhí)行命令后發(fā)出中斷請求以表示操作結(jié)束（結(jié)束傳輸）,，也可以置控制器狀態(tài)為空閑，以表示扇區(qū)請求傳輸（數(shù)據(jù)傳輸）,。最后,，由控制器讀取硬盤狀態(tài)寄存器，以檢測硬盤操作的成功與否,。如操作正常,，則進(jìn)行下一次動作,；否則進(jìn)入錯誤處理程序。
　　 2．3 GPIF與ATA接口
　　 FX2芯片的最主要特點(diǎn)是可通過USB2.0的通用可編程接口（GPIF）為特定的應(yīng)用接口編程,，以便使用多種協(xié)議完成與外圍器件的無縫連接,，如 EIDE/ATAPI， IEEE1284,，Utopia等,。其編程可以根據(jù)需要進(jìn)行，且其中不需要CPU的干預(yù),，只是通過一些CPU標(biāo)志和中斷即可與增強(qiáng)型8051內(nèi)核進(jìn)行通訊,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
　　本設(shè)計采用“GPIF主控”接口模式,，并使用PORTB和PORTD雙向FIFO數(shù)據(jù)線來構(gòu)成通向四個FX2端點(diǎn)FIFO（EP2,、EP4、EP6,、 EP8）的16位數(shù)據(jù)接口,，以用來連接數(shù)據(jù)線DD[15:0]并進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送,；GPIF作為內(nèi)部主控器與FIFO相連,，并通過產(chǎn)生用戶可編程的控制主控器與FIFO相連，并通過產(chǎn)生用戶可編程的控制信號CTL[2：0]與外部接口進(jìn)行通信,。同時,，GPIF 還可以通過RDY[1：0]引腳采用外部信號并等待外部事件。由于GPIF的運(yùn)算速度比FIFO快得多,，因此其時序信號具有很好的編程分辨率,。
　　 FX2 用4個波形描述符來控制各個狀態(tài)。這些波形描述符可動態(tài)的配置給任何一個端點(diǎn)FIFO,。配置后,，GPIF將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯CTL及握手信號RDY來和外界接口，以滿足向FIFO讀寫數(shù)據(jù)的需要,。GPIF的數(shù)據(jù)總線可以是8位FD[7：0],，也可以是16位FD[15：0]，本設(shè)計采用 16位數(shù)據(jù)總線,。其硬盤讀數(shù)據(jù)控制波形如圖2所示,。

　　每個波形描述符包含了S0~S6七個有效狀態(tài)和一個空閑狀態(tài)。在每個有鏟狀態(tài)對應(yīng)的時間段里,，經(jīng)過預(yù)先設(shè)置,，GPIF可以做出以下幾件事件；驅(qū)動（使高或低）或浮接CTL輸出,、采樣或驅(qū)動FIFO的數(shù)據(jù)總線,、增加GPIF地址總線的值,、增加指向當(dāng)前FIFO指針的值和啟動GPIFWF（GPIF波形）中斷。除此之外,，在每個狀態(tài),，GPIF還可以對以下幾個信號中的任意兩個進(jìn)行采樣，它們是：RDYX輸入端,、FIFO狀態(tài)標(biāo)志位,、內(nèi)部RDY標(biāo)志位和傳輸計數(shù)終止標(biāo)志位。每個GPIF動作都由七段組成,，每個狀態(tài)都可以定義為Non- Decision Interval (NDP)或Decision Point Interval(DP),。當(dāng)某個狀態(tài)定義為NDP時，在執(zhí)行此狀態(tài)動作時,，系統(tǒng)只是用簡單的延時來確定產(chǎn)生指定電平的延續(xù)時間,；而當(dāng)執(zhí)行DP狀態(tài)時，它將根據(jù)RDY0,、RDY1上的輸入信號狀態(tài)把其中的兩個信號相與,、相或或者相異，然后根據(jù)結(jié)果跳轉(zhuǎn)到其它任意一個狀態(tài)或延遲1~256個IFCLK時鐘周期,。當(dāng)然也可根據(jù)輸入端信號進(jìn)行跳轉(zhuǎn)或延遲,。
　
　　

　　圖2中，在第一個DP時刻,，若硬盤中數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒,，硬盤會傳給GPIF一個負(fù)脈沖信號RDY0，根據(jù)此信號,，波形將按順序轉(zhuǎn)入2,、3、4狀態(tài),，并使指向內(nèi)部FIFO的指針在每個時鐘上升沿加1,，然后依次讀取四個數(shù)據(jù)，讀取完數(shù)據(jù)后再利用CTL0的上升沿啟動下一次讀寫操作,。若在狀態(tài)1時沒有出現(xiàn)負(fù)脈沖,，則直接跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)6，之后重復(fù)此波形描述符,。在這種情況下,，所有的讀寫及控制邏輯均可通過CY7C68013的GPIF以軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，且控制邏輯的變換非常方便靈活（只需改變接口的一個配置寄存器的值）,。GPIF波形描述符可用Cypress公司的GPIF工具GPIFTOOL來進(jìn)行配置,，它是一個可以運(yùn)行于Windows平臺的應(yīng)用程序。
　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
　　 本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：固件、應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的設(shè)計,。其中,，固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序，是整個程序設(shè)計的核心,，可采用匯編語言和C語言設(shè)計,。只有在該程序運(yùn)行時，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備,。
　　 3．1 USB設(shè)備固件程序設(shè)計
　　 設(shè)備固件程序的主要功能是控制EZ-USB FX2接收并處理USB驅(qū)動程序的請求（如請求設(shè)備描述符或設(shè)置設(shè)備狀態(tài),，請求或設(shè)置設(shè)備接口等USB2.0標(biāo)準(zhǔn)請求）、控制芯片中應(yīng)用程序控制指令的接收,、控制硬盤數(shù)據(jù)的讀寫等,。該固件程序除能夠使內(nèi)置的通用可編程接口（GPIF）在沒有CPU的干涉下通過四個大的端點(diǎn)FIFO（EP2、EP4,、 EP6,、EP8）來處理高速寬帶外，還有如下固定的工作：配置端點(diǎn),、通過控制端點(diǎn)0來響應(yīng)主機(jī)請求,、控制和監(jiān)測GPIF的活動等。其固件程序框圖如圖形所示,。
　　設(shè)計時可采用PIO和UDMA兩種模式,，F(xiàn)X2芯片的BULK端點(diǎn)大小可設(shè)置為512字節(jié)或1024字節(jié)。為實(shí)現(xiàn)UDMA功能,，應(yīng)將GPIF中的 Slave FIFO與USB通訊中的端點(diǎn)BUFFER直接連接,，數(shù)據(jù)的傳送不再需要CPU的參考,。當(dāng)BUFFER寫滿后,，置BUFFER滿標(biāo)志位，以使GPIF停止動作,。實(shí)際上,，也可運(yùn)用GPIF的Re-execute功能（重復(fù)執(zhí)行功能）。設(shè)定此功能后,，GPIF可以不經(jīng)過IDLE狀態(tài)而僅根據(jù)采樣RDY信號即可重復(fù)下次動作,。直到出現(xiàn)指定的標(biāo)志位后才停止動作。這項(xiàng)功能一般用于大批量數(shù)據(jù)的連續(xù)讀寫,。如在UDMA模式下對一個或多個扇區(qū)的讀寫操作,。如在UDMA 模式下對一個或多個扇區(qū)的讀寫操作。為了實(shí)現(xiàn)UDMA模式下的CRC校驗(yàn),，還需設(shè)備特殊寄存器來完成CRC校驗(yàn)工作,。
　　 3．2 驅(qū)動程序設(shè)計
　　該系統(tǒng)需要兩個驅(qū)動程度，即通用驅(qū)動和下載固件驅(qū)動。通用驅(qū)動用于完成與外設(shè)和用戶程序的通信及控制,；而下載固件驅(qū)動程序則負(fù)責(zé)在外連接USB總線后把特定的固件程序下載到FX2的RAM中使FX2的CPU重啟,，同時模擬斷開與USB總線的連接以完成對外設(shè)的重新設(shè)置，這種即可使主機(jī)能夠根據(jù)新的設(shè)置來安裝通用驅(qū)動程序,，重新格舉外設(shè)為一個新的USB設(shè)備,。通用驅(qū)動程序一般不需要重新編寫，可以使用Cypress公司已經(jīng)編好的驅(qū)動ezusb.sys,。由于在Winsows2000操作系統(tǒng)中已經(jīng)新增了媒體存儲（Mass Stroage）設(shè)備的驅(qū)動程序,，并可使用批量傳輸功能，所以可以直接選擇BULKUSB.SYS驅(qū)動程序,，而下載固件驅(qū)動則必須定做,。

　　

　　 3．3 用戶程序的設(shè)計
　　用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，這通過通用驅(qū)動程序來完成對外設(shè)的控制和通信,。在編寫用戶程序時,，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸,。本設(shè)計使用Visual Basic6. 0編譯環(huán)境中的API函數(shù)來將ATI函數(shù)包裝成一個VB.DLL連接程序文件,，其編程方法與串口編程類似；首先查找設(shè)備,，打開設(shè)備的句柄,，然后進(jìn)行讀寫和控制操作，最后關(guān)閉設(shè)備句柄,。程序中主要用到的兩個API函數(shù)CreatFile()和DeviceIoControl()就是根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?br /> 　　4 結(jié)語
　　本設(shè)計利用CY7C68013芯片的ATA接口將普通硬盤轉(zhuǎn)化為具有USB2.0接口的海量存儲器,，其靈活的接口和可編程特性簡化了外部硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,，同時也有利于PCB板的制作和調(diào)試,。另外，USB設(shè)備的可熱插拔特性使該系統(tǒng)具有了便攜式的特點(diǎn),，而且使用方便,，無需關(guān)機(jī)重啟或打開機(jī)箱即可進(jìn)行安裝。該系統(tǒng)可采用PIO和UDMA兩種模式實(shí)現(xiàn),。為了實(shí)現(xiàn)UDMA方式,，所采用的 Conductors導(dǎo)線部分為80-pin，而不是傳統(tǒng)的40-pin,，但是Cable (也就是排線的連接頭部分)還是40-pin,。本設(shè)計支持全速和高速傳輸兩種狀態(tài)，如果PC機(jī)是USB1.1的,，它也能向下兼容USB1.1,，而且速度遠(yuǎn)高于采用純粹的USB接口芯片加外微處理器所構(gòu)成的系統(tǒng)。從該方案可以看出，如果采用128TQFP封裝的EZ-SUB FX2系列芯片,，還可利用其地址線和數(shù)據(jù)線在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其它擴(kuò)展,，從而實(shí)現(xiàn)基于硬盤的大容量數(shù)據(jù)采集與分析。