基于層次模型的USB2.0接口芯片IP核固件的設(shè)計

該固件涉及到對4個主要中斷的處理，即 Com mand端點0的In 中斷和Out中斷、Bulk-In端點中斷和Bulk-Out端點中斷。其中端點0主要用于設(shè)備枚舉過程中主機與設(shè)備的交互，Bulk端點則用于枚舉成功后主機與設(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幾個狀態(tài)，最終進入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單元。

3.3 Bulk-Only傳輸控制層流程

設(shè)備枚舉成功后Bulk端點開始工作。設(shè)備端 Bulk-Only工作流程如下：
1.主機通過Bulk-Out端點發(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端點返回命令狀態(tài)包CSW給主機；

5.設(shè)備等待主機的下一個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端點接收一個有效的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端點發(fā)送一個有效的CSW 給主機。

（3）數(shù)據(jù)接收態(tài)：設(shè)備通過解析主機命令得知主機將發(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端點接收一個或一批數(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)備通過解析主機命令得知主機將索要數(shù)據(jù)，于是設(shè)備準備發(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端點發(fā)送一個或一批數(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)：當發(fā)生某些不可預(yù)知的錯誤時，設(shè)備進入異常態(tài)，并將根據(jù)不同錯誤類型采取不同措施試圖從錯誤中恢復。

3.4 SCSI命令解析（層）流程

對某種特定的大容量存儲設(shè)備來說，一些無意義的SCSI命令可以不必處理（實際上主機也不會使用這些命令）。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)送或接收做好準備，并切換到下一個有效的工作狀態(tài)，如圖5 所示。

3.5 對存儲介質(zhì)的讀寫操作及優(yōu)化

設(shè)備固件在正確分析主機送來的SCSI命令后，可能會對存儲介質(zhì)進行讀、寫、擦除等操作。為進一步提高存儲介質(zhì)的讀寫速度，本固件方案還對存儲介質(zhì)操作進行了有效的優(yōu)化：

（1）大批量數(shù)據(jù)讀寫時采用了DMA方式；
（2）對寫操作需時較長的存儲介質(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_進行；
（3）對存儲介質(zhì)上的磁盤碎片定期進行優(yōu)化整理。
合理地組合應(yīng)用這些方法可以有效地改進介質(zhì)訪問的效率。

4結(jié)論

上述大容量存儲設(shè)備的IP核固件已成功實現(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，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，具有較強的移植性和實用性。為保證IP核固件具有一定的"健壯性"，實現(xiàn)過程中還需要注意仔細設(shè)計其中的錯誤檢測和錯誤恢復機制，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和提高了USB設(shè)備的設(shè)計開發(fā)水平，還可廣泛應(yīng)用于USB2.0設(shè)備接口的實際應(yīng)用設(shè)計,具有良好的理論和應(yīng)用價值。