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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）、使用安装方便等优点而得到了广泛的应用。目前USB2.0标准的传输速度已达480Mb/s，这使得USB可以推广到硬盘、信息家电网络产品和其它快速外设。在某些应用场合，如基于硬盘的大容量数据采集与分析系统中，为了使用方便，需要将普通硬盘转化成海量存储器，这样在使用时就不需关机重启或打开机箱来安装。本文介绍一种利用带USB接口的单片机芯片CY7C68013来控制普通硬盘的读写，从而半普通硬盘转化为USB2.0海量存储器的可行方案，本系统可扩展，完全可用于实现基于硬盘的大容量数据采集与分析系统。
2 硬件设计
2．1 USB接口芯片
本设计选用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013，这是一种带USB接口的单片机芯片，虽然采用低价的8051单片机，但仍然能获得很高的速度。它包括一个8051处理器、一个串行接口引擎（SIE）、一个USB收发器、一个8.5kB片上RAM、一个4 kB FIFO存储器及一个通用可编程接口（GPIF）。FX2可提供全面集成的解决方案。它有56SSOP、100TQFP、128TQFP三种封装，本设计选用占用电路板空间较少的56SSOP封装。如果要进行扩展，也可选用128TQFP封装。
2．2 ATA接口
ATA 接口是在ST506的基础上改进而成的，它将控制器集成到驱动器中，采用8个端口寄存器（即命令寄存器）来完成对硬盘的读写，ATA有两种工作模式： PIO模式和DMA模式。本设计采用的DMA传输模式不需要处理器参与整个数据传输过程，而是由I/O口直接将数据传送到存储器中，从而节约大量的CPU 时间以更好的处理其它事件。控制器对硬盘的操作分为两种：8位数据的命令操作和16位数据的数据传输操作。在对硬盘输出控制命令之前，程序需对端口完整输出7字节的命令块。其中前六个端口为参数，最后一个端口为命令码。读写操据端口一般以512字节作为数据块进行。硬盘执行命令后发出中断请求以表示操作结束（结束传输），也可以置控制器状态为空闲，以表示扇区请求传输（数据传输）。最后，由控制器读取硬盘状态寄存器，以检测硬盘操作的成功与否。如操作正常，则进行下一次动作；否则进入错误处理程序。
2．3 GPIF与ATA接口
FX2芯片的最主要特点是可通过USB2.0的通用可编程接口（GPIF）为特定的应用接口编程，以便使用多种协议完成与外围器件的无缝连接，如 EIDE/ATAPI， IEEE1284，Utopia等。其编程可以根据需要进行，且其中不需要CPU的干预，只是通过一些CPU标志和中断即可与增强型8051内核进行通讯。系统结构框图如图1所示。
本设计采用“GPIF主控”接口模式，并使用PORTB和PORTD双向FIFO数据线来构成通向四个FX2端点FIFO（EP2、EP4、EP6、 EP8）的16位数据接口，以用来连接数据线DD[15:0]并进行数据的传送；GPIF作为内部主控器与FIFO相连，并通过产生用户可编程的控制主控器与FIFO相连，并通过产生用户可编程的控制信号CTL[2：0]与外部接口进行通信。同时，GPIF 还可以通过RDY[1：0]引脚采用外部信号并等待外部事件。由于GPIF的运算速度比FIFO快得多，因此其时序信号具有很好的编程分辨率。
FX2 用4个波形描述符来控制各个状态。这些波形描述符可动态的配置给任何一个端点FIFO。配置后，GPIF将依据波形描述符产生相应的控制逻辑CTL及握手信号RDY来和外界接口，以满足向FIFO读写数据的需要。GPIF的数据总线可以是8位FD[7：0]，也可以是16位FD[15：0]，本设计采用 16位数据总线。其硬盘读数据控制波形如图2所示。
每个波形描述符包含了S0~S6七个有效状态和一个空闲状态。在每个有铲状态对应的时间段里，经过预先设置，GPIF可以做出以下几件事件；驱动（使高或低）或浮接CTL输出、采样或驱动FIFO的数据总线、增加GPIF地址总线的值、增加指向当前FIFO指针的值和启动GPIFWF（GPIF波形）中断。除此之外，在每个状态，GPIF还可以对以下几个信号中的任意两个进行采样，它们是：RDYX输入端、FIFO状态标志位、内部RDY标志位和传输计数终止标志位。每个GPIF动作都由七段组成，每个状态都可以定义为Non- Decision Interval (NDP)或Decision Point Interval(DP)。当某个状态定义为NDP时，在执行此状态动作时，系统只是用简单的延时来确定产生指定电平的延续时间；而当执行DP状态时，它将根据RDY0、RDY1上的输入信号状态把其中的两个信号相与、相或或者相异，然后根据结果跳转到其它任意一个状态或延迟1~256个IFCLK时钟周期。当然也可根据输入端信号进行跳转或延迟。
图2中，在第一个DP时刻，若硬盘中数据已准备就绪，硬盘会传给GPIF一个负脉冲信号RDY0，根据此信号，波形将按顺序转入2、3、4状态，并使指向内部FIFO的指针在每个时钟上升沿加1，然后依次读取四个数据，读取完数据后再利用CTL0的上升沿启动下一次读写操作。若在状态1时没有出现负脉冲，则直接跳转到状态6，之后重复此波形描述符。在这种情况下，所有的读写及控制逻辑均可通过CY7C68013的GPIF以软件编程的方式实现，且控制逻辑的变换非常方便灵活（只需改变接口的一个配置寄存器的值）。GPIF波形描述符可用Cypress公司的GPIF工具GPIFTOOL来进行配置，它是一个可以运行于Windows平台的应用程序。
3 系统软件设计与实现
本系统软件设计包括：固件、应用程序和驱动程序的设计。其中，固件程序是指运行在设备CPU中的程序，是整个程序设计的核心，可采用汇编语言和C语言设计。只有在该程序运行时，外设才能称之为具有给定功能的外部设备。
3．1 USB设备固件程序设计
设备固件程序的主要功能是控制EZ-USB FX2接收并处理USB驱动程序的请求（如请求设备描述符或设置设备状态，请求或设置设备接口等USB2.0标准请求）、控制芯片中应用程序控制指令的接收、控制硬盘数据的读写等。该固件程序除能够使内置的通用可编程接口（GPIF）在没有CPU的干涉下通过四个大的端点FIFO（EP2、EP4、 EP6、EP8）来处理高速宽带外，还有如下固定的工作：配置端点、通过控制端点0来响应主机请求、控制和监测GPIF的活动等。其固件程序框图如图形所示。
设计时可采用PIO和UDMA两种模式，FX2芯片的BULK端点大小可设置为512字节或1024字节。为实现UDMA功能，应将GPIF中的 Slave FIFO与USB通讯中的端点BUFFER直接连接，数据的传送不再需要CPU的参考。当BUFFER写满后，置BUFFER满标志位，以使GPIF停止动作。实际上，也可运用GPIF的Re-execute功能（重复执行功能）。设定此功能后，GPIF可以不经过IDLE状态而仅根据采样RDY信号即可重复下次动作。直到出现指定的标志位后才停止动作。这项功能一般用于大批量数据的连续读写。如在UDMA模式下对一个或多个扇区的读写操作。如在UDMA 模式下对一个或多个扇区的读写操作。为了实现UDMA模式下的CRC校验，还需设备特殊寄存器来完成CRC校验工作。
3．2 驱动程序设计
该系统需要两个驱动程度，即通用驱动和下载固件驱动。通用驱动用于完成与外设和用户程序的通信及控制；而下载固件驱动程序则负责在外连接USB总线后把特定的固件程序下载到FX2的RAM中使FX2的CPU重启，同时模拟断开与USB总线的连接以完成对外设的重新设置，这种即可使主机能够根据新的设置来安装通用驱动程序，重新格举外设为一个新的USB设备。通用驱动程序一般不需要重新编写，可以使用Cypress公司已经编好的驱动ezusb.sys。由于在Winsows2000操作系统中已经新增了媒体存储（Mass Stroage）设备的驱动程序，并可使用批量传输功能，所以可以直接选择BULKUSB.SYS驱动程序，而下载固件驱动则必须定做。
3．3 用户程序的设计
用户程序是系统与用户的接口，这通过通用驱动程序来完成对外设的控制和通信。在编写用户程序时，首先要建立与外设的连接，然后才能实施数据的传输。本设计使用Visual Basic6. 0编译环境中的API函数来将ATI函数包装成一个VB.DLL连接程序文件，其编程方法与串口编程类似；首先查找设备，打开设备的句柄，然后进行读写和控制操作，最后关闭设备句柄。程序中主要用到的两个API函数CreatFile()和DeviceIoControl()就是根据该句柄完成数据传输的。
4 结语
本设计利用CY7C68013芯片的ATA接口将普通硬盘转化为具有USB2.0接口的海量存储器，其灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件设计，提高了系统稳定性，同时也有利于PCB板的制作和调试。另外，USB设备的可热插拔特性使该系统具有了便携式的特点，而且使用方便，无需关机重启或打开机箱即可进行安装。该系统可采用PIO和UDMA两种模式实现。为了实现UDMA方式，所采用的 Conductors导线部分为80-pin，而不是传统的40-pin，但是Cable (也就是排线的连接头部分)还是40-pin。本设计支持全速和高速传输两种状态，如果PC机是USB1.1的，它也能向下兼容USB1.1，而且速度远高于采用纯粹的USB接口芯片加外微处理器所构成的系统。从该方案可以看出，如果采用128TQFP封装的EZ-SUB FX2系列芯片，还可利用其地址线和数据线在此基础上进行其它扩展，从而实现基于硬盘的大容量数据采集与分析。
工商网监
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