基于STC89C58的单片机海量储存系统设计 精灵论文

基于STC89C58的单片机海量储存系统 精灵 基于 STC89C58 的单片机海量储存系统设计 胡兵 (中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221116) 5 摘要:本文介绍一种基于 STC89C58 的单片机海量存储系统，该系统通过 USB 总线的通用 接口芯片 CH375，实现了一种外部单片机读写 U 盘的基本方法及其硬件连接方法。单片机 只要在原硬件系统中增加 1 个 CH375 芯片就可以直接调用 CH375 提供的子程序库来直接读 取 U 盘中的数据，从而实现了普通单片机与 U 盘的通讯，方法简单、便于操作、综合成本 比较低，具有较大的推广应用价值。 10 关键词:STC89C58 单片机;USB;读写 U 盘;CH375 芯片 中图分类号:TP309.1 A design of SCM mass storage system based on STC89C58 HU Bing 15 (School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou, Jiangsu 221116) Abstract: This paper describes a SCM mass storage system based on STC89C58, the system through the USB bus interface chip CH375, an external microcontroller implements the basic methods to read and write U flash disk and hardware connection. As long as the original SCM hardware system added a CH375 chip，it can directly call the subroutine library to provide a direct read the data of U flash 20 disk in order to achieve commumication between a common U flash disk and SCM, this method is simple, easy to operation and comprehensive cost Relatively low, has great application value. Key words: STC89C58 SCM; USB; read and write U flash disk;CH375-chip 0 引言 25 USB ,是英文 Universal Serial BUS(通用串行总线)的缩写，而其中文简称为“通用串行 总线”，是一个外部总线标准，用于电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在 PC 领域 接口支持设备的即插即用和热插拔功能。随着 USB 规范的完善和成熟， 的接口技术。USB USB 外设的种类不断丰富，应用领域也不断扩大。如今，USB 技术已经越来越普及和成熟， [1]低成本、高稳定性、较高的数据传输速率和即插即用的方便性，使其备受硬件厂商的青睐。 30 在传统的应用中，主要是 PC 扮演着主机的角色。根据 USB 的规范，可以看到在 USB 的拓朴结构中居于核心地位的是主机，每一次的数据传输都必须由主机发起和控制。但是随 着单片机产品应用领域的日益增长，USB 外设的应用范围也随之扩大，为此在单片机系统 中实现对 USB 外设控制也变得日益迫切。因此在一些需要转存数据的设备、仪器上使用 USB 移动存储设备接口的芯片便相继产生了，CH375 就是其中之一，它是一个 USB 总线的通用 35 接口芯片，支持 HOST 主机方式和 SLAVE 设备方式。 随着数据采集和单片机用户对移动 存储的需求越来越大，具有 USB 接口的存储设备以 其优异的性价比和灵活性常用来进行数据的存储和交换，所以在单片机系统中实现对优盘或 移动硬盘的直接读写是非常有价值的。 作者简介:胡兵(1988-)，男，硕士，主要研究方向:无线传感器与远程控制. E-mail: superbing23@126.com 1 硬件系统设计 40 1.1 通用 USB 接口芯片 CH375 介绍 CH375 是一个 USB 总线的通用接口芯片，支持 USB-HOST 主机方式和 USB-DEVICE/SLAVE 设备方式。在本地端(设备方式)，CH375 具有 8 位数据总线和读、写、 片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线 上。在 USB 主机方式下，CH375 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断 45 输出与单片机/DSP/MCU/MPU 等相连接。 CH375 的 USB 主机方式支持常用的 USB 全速设备，外部单片机可以通过 CH375 按 照相应的 USB 协议与 USB 设备通讯。CH375 还内置了处理 Mass-Storage 海量存储设备的 专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的 USB 存储设备(包 [2]括 USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘)。 50 图1 CH375A 芯片外部封装图 CH375 的 USB 主机方式支持并行接口和串行接口。在 USB 主机方式下，CH375 支 持各种常用的 USB 全速设备，外部单片机需要编写固件程序按照相应的 USB 协议与 USB 设 55 备通讯。但是对于 USB 存储设备，CH375 内置了相关协议，通常情况下，外部单片机不 需要编写固件程序，就可以直接通讯。 如果 CH375 的 TXD 引脚通过 1K? 左右的下拉电阻接地或者直接接地，那么 CH375 工 作于并口方式，如图 2 所示。 并口信号线包括:8 位双向数据总线 D7,D0、读选通输入引脚 RD#、写 选通输入引 60 脚 WR#、片选输入引脚 CS#、中断输出引脚 INT#以及地址输入引脚 A0。通过被动并行接 口，CH375 芯片可以很方便地挂接到各种 8 位单片机、 DSP、MCU 的系统总线上，并 且可以与多个外围器件共存。 如果 CH375 芯片的 TXD 引脚悬空或者没有通过下拉电阻接地，那么 CH375 工作于 串口方式如图 3 所示。串行接口只能用于 USB 主机方式，CH375 芯片的 USB 设备方式不 65 支持串口。 串口信号线包括:串行数据输入引脚 RXD、串行数据输出引脚 TXD、中断输出引脚 INT#。通过串行接口，CH375 可以用最少的连线与单片机、DSP、MCU 进行较远距 离的点对点连接。 70 图2 CH375并口实现电路图 图 3 CH375 串口实现电路图 1.2 系统硬件结构图 本系统主要有单片机控制系统、CH375 读写 U 盘模块单元、外部 SRAM 等组成，如图 [3]75 4 所示。其中，单片机系统为系统的主控制器，用以控制其他模块协调工作;CH375 采用 并口方式读写 U 盘，CH375 的 TXD 引脚通过 l K? 左右的下拉电阻接地或者直接接地，从 而使 CH375 工作于并口方式。 图4 系统硬件结构图 80 1.3 单片机最小系统 本系统使用使用 QFP-44 封装 STC89C58 单片机作为核心控制器件，外围电路包含晶振 电路、上电复位电路，电路模块所有信号口均使用排针输出，并设计其邻对脚距完全符合 [4]DIP-40 双列直插单片机，方便替换。如图 5 所示。 85 图5 单片机最小系统硬件原理图 1.4 CH375 读写 U 盘模块单元 本模块中的 CH375 是 SOP-28 封装的通用 USB 接口芯片。使用晶振为 12MHz，起振电 容 22PF，板上串口信号并口信号分别引出，方便手动短路子切换或是在系统切换，同时引 脚排序可实现在板上插拔。模块同时包含上电指示及通信指示等指示性电路。如图 6 所示。 90 图 6 CH375 读写 U 盘模块单元硬件原理图 2 系统软件设计 2.1 单片机读写 U 盘分层 95 图 7 单片机读写 U 盘层次图 一般情况下，单片机或嵌入式系统处理 USB 存储设备的文件系统需要实现图 7 左边的 4 个层次，右边是 USB 存储设备的内部结构层次。由于 CH375 不仅是一个通用的 USB-HOST 硬件接口芯片，还内置了相关的固件程序，包含了图 7 左边的 3 个层次(标为 灰色部分)，所以实际的单片机程序只需要处理 FAT 文件系统层，并且即使这一层也可以 100 由 CH375 的 U 盘文件级子程序库实现。 如果不需要处理文件系统，也就是不处理图 7 左边的最顶层，那么 CH375 直接提供了 数据块的读写接口，以 512 字节的物理扇区为基本读写单位，从而将 USB 存储设备简化为 一种外部数据存储器，单片机可以自由读写 USB 存储设备中的数据，也可以自由定义其数 [5]。 据结构105 2.2 文件系统层 文件系统层实现在读写 U 盘时，读取根目录中的首簇地址，以及文件分配中的下一 簇地址，并将簇号转换为绝对 LBA 地址，送至 SCSI/UFI/RBC 命令层。在读写完成后，文 件系统层将生成新的文件分配表和根目录。 2.3 SCSI/UFI/RBC 命令层 110 该层实现以扇区或者字节为单位对 U 盘进行读写，通过 LBA 线性地址和数据长度两个 参数对 U 盘进行读写，当完成一个单位数据的读写后，单片机会收到来自 CH375 的中断， 接着进行下一单位数据的读写，直到数据全部读写完成。 2.4 主程序 主程序流程图如图 8 所示: 115 图8 主程序软件流程图 程序可以处理 FAT 文件系统，也可以对优盘直接进行读写操作，如果不需要处理文件 系统，那么 CH375 直接提供了数据块的读写接口，以 512 字节的物理扇区为基本读写单位， 120 从而将 USB 存储设备简化为一种外部数据存储器，单片机可以自由读写 USB 存储设备中 的数据，此时可以省略打开文件与关闭文件的过程。 3 结论 本设计使用的 CH375 提供了 U 盘文件级子程序库，单片机可以直接调用子程序读写 U 盘中的文件数据，硬件上只需要在原单片机系统中增加一个 CH375 芯片，综合成本较低。 125 如果要实现高速的 USB 设备读写，只要在外部再加设一块静态内存。在一些需要将数据进 行转存的采集系统或者需要储存大量数据的设备中有一定的推广价值。 [参考文献] (References) [1] 萧世文，宋延清.USB 2.0 硬件设计[M].北京:清华大学出版社，2006. [2] 南京沁恒电子有限公司.USB 总线接口芯片 CH375 中文手册[Z].南京:沁恒电子有限公司，2004. 130 [3] 钟富昭.8051 单片机典型模块设计与应用[M].北京:人民邮电出版社，2007. [4] 李全利，迟荣强.单片机原理与接口技术[M].北京:高等教育出版社，2003. [5] 南京沁恒电子有限公司.CH375 的 U 盘文件级子程序库说明[Z]. 南京:沁恒电子有限公司,2004. 135