基于層次模型的USB2.0接口芯片IP核固件的設(shè)計(jì)

該固件涉及到對(duì)4個(gè)主要中斷的處理，即 Com mand端點(diǎn)0的In 中斷和Out中斷、Bulk-In端點(diǎn)中斷和Bulk-Out端點(diǎn)中斷。其中端點(diǎn)0主要用于設(shè)備枚舉過程中主機(jī)與設(shè)備的交互，Bulk端點(diǎn)則用于枚舉成功后主機(jī)與設(shè)備的交互。

3.2 設(shè)備枚舉層流程

圖3所示為USB設(shè)備的枚舉流程。設(shè)備從接入 USB電纜開始，依次經(jīng)過Attached、Powered、Default和Addressed幾個(gè)狀態(tài)，最終進(jìn)入Configured態(tài)成為可用設(shè)備。

枚舉過程中所需的各種描述符表可由用戶設(shè)置后存放在指定存儲(chǔ)單元。

3.3 Bulk-Only傳輸控制層流程

設(shè)備枚舉成功后Bulk端點(diǎn)開始工作。設(shè)備端 Bulk-Only工作流程如下：
1.主機(jī)通過Bulk-Out端點(diǎn)發(fā)出命令包CBW；
2.設(shè)備接收CBW，解析其中包含的SCSI命令；
3.設(shè)備執(zhí)行SCSI命令，如需要，通過Bulk端點(diǎn)完成Data交換；
4.設(shè)備根據(jù)SCSI命令執(zhí)行情況通過Bulk-In端點(diǎn)返回命令狀態(tài)包CSW給主機(jī)；

5.設(shè)備等待主機(jī)的下一個(gè)CBW。

圖4所示為Bulk-In和Bulk-Out中斷服務(wù)流程。其中涉及到USB設(shè)備的幾種工作狀態(tài)有：

（1）命令接收態(tài)：本次命令處理完（已返回 CSW），設(shè)備等待下一次主機(jī)命令。在該狀態(tài)下，設(shè)備將等待Bulk-Out中斷，試圖從Bulk-Out端點(diǎn)接收一個(gè)有效的CBW。

（2）狀態(tài)發(fā)送態(tài)：本次命令已執(zhí)行完畢，等待主機(jī)索要CSW。在該狀態(tài)下，設(shè)備將等待Bulk-In中斷，試圖從Bulk-In端點(diǎn)發(fā)送一個(gè)有效的CSW 給主機(jī)。

（3）數(shù)據(jù)接收態(tài)：設(shè)備通過解析主機(jī)命令得知主機(jī)將發(fā)送數(shù)據(jù)，于是設(shè)備等待接收數(shù)據(jù)。在該狀態(tài)下，設(shè)備將等待Bulk-Out中斷，試圖從Bulk-Out端點(diǎn)接收一個(gè)或一批數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完后設(shè)備將根據(jù)具體情況確定命令執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)。

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送態(tài)：設(shè)備通過解析主機(jī)命令得知主機(jī)將索要數(shù)據(jù)，于是設(shè)備準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。在該狀態(tài)下，設(shè)備將等待Bulk-In中斷，試圖從Bulk- In端點(diǎn)發(fā)送一個(gè)或一批數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完設(shè)備將根據(jù)具體情況確定命令執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)。

（5）異常狀態(tài)：當(dāng)發(fā)生某些不可預(yù)知的錯(cuò)誤時(shí)，設(shè)備進(jìn)入異常態(tài)，并將根據(jù)不同錯(cuò)誤類型采取不同措施試圖從錯(cuò)誤中恢復(fù)。

3.4 SCSI命令解析（層）流程

對(duì)某種特定的大容量存儲(chǔ)設(shè)備來說，一些無意義的SCSI命令可以不必處理（實(shí)際上主機(jī)也不會(huì)使用這些命令）。設(shè)備在接收到有效的SCSI命令后，將根據(jù)命令的不同要求為數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收做好準(zhǔn)備，并切換到下一個(gè)有效的工作狀態(tài)，如圖5 所示。

3.5 對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的讀寫操作及優(yōu)化

設(shè)備固件在正確分析主機(jī)送來的SCSI命令后，可能會(huì)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行讀、寫、擦除等操作。為進(jìn)一步提高存儲(chǔ)介質(zhì)的讀寫速度，本固件方案還對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)操作進(jìn)行了有效的優(yōu)化：

（1）大批量數(shù)據(jù)讀寫時(shí)采用了DMA方式；
（2）對(duì)寫操作需時(shí)較長(zhǎng)的存儲(chǔ)介質(zhì)（如 FLASH）采用了中間緩沖，以減少寫操作次數(shù)或?qū)懖僮饕浦梁笈_(tái)進(jìn)行；
（3）對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)上的磁盤碎片定期進(jìn)行優(yōu)化整理。
合理地組合應(yīng)用這些方法可以有效地改進(jìn)介質(zhì)訪問的效率。

4結(jié)論

上述大容量存儲(chǔ)設(shè)備的IP核固件已成功實(shí)現(xiàn)，其硬件基礎(chǔ)是具有自主版權(quán)的、含MCU51核的USB設(shè)備接口IP核，固件采用Keil51C語言和51匯編語言混合完成。該固件采用分層設(shè)計(jì)，可以較容易地根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境替換其中某些層次的代碼模塊，具有較強(qiáng)的移植性和實(shí)用性。為保證IP核固件具有一定的"健壯性"，實(shí)現(xiàn)過程中還需要注意仔細(xì)設(shè)計(jì)其中的錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制，包括如何合理安排眾多的中斷源、如何充分考慮協(xié)議中規(guī)定的操作時(shí)間限制、如何處理Watch Dog溢出等等。

本文討論的USB2.0設(shè)備固件方案不僅有效改進(jìn)和提高了USB設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)水平，還可廣泛應(yīng)用于USB2.0設(shè)備接口的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì),具有良好的理論和應(yīng)用價(jià)值。