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）、使用安裝方便等優點而得到了廣泛的應用。目前USB2.0標準的傳輸速度已達480Mb/s，這使得USB可以推廣到硬盤、信息家電網絡產品和其它快速外設。在某些應用場合，如基于硬盤的大容量數據采集與分析系統中，為了使用方便，需要將普通硬盤轉化成海量存儲器，這樣在使用時就不需關機重啟或打開機箱來安裝。本文介紹一種利用帶USB接口的單片機芯片CY7C68013來控制普通硬盤的讀寫，從而半普通硬盤轉化為USB2.0海量存儲器的可行方案，本系統可擴展，完全可用于實現基于硬盤的大容量數據采集與分析系統。2 硬件設計
2．1 USB接口芯片
本設計選用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013，這是一種帶USB接口的單片機芯片，雖然采用低價的8051單片機，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，本設計選用占用電路板空間較少的56SSOP封裝。如果要進行擴展，也可選用128TQFP封裝。
2．2 ATA接口
ATA 接口是在ST506的基礎上改進而成的，它將控制器集成到驅動器中，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。本設計采用的DMA傳輸模式不需要處理器參與整個數據傳輸過程，而是由I/O口直接將數據傳送到存儲器中，從而節約大量的CPU 時間以更好的處理其它事件。控制器對硬盤的操作分為兩種：8位數據的命令操作和16位數據的數據傳輸操作。在對硬盤輸出控制命令之前，程序需對端口完整輸出7字節的命令塊。其中前六個端口為參數，最后一個端口為命令碼。讀寫操據端口一般以512字節作為數據塊進行。硬盤執行命令后發出中斷請求以表示操作結束（結束傳輸），也可以置控制器狀態為空閑，以表示扇區請求傳輸（數據傳輸）。最后，由控制器讀取硬盤狀態寄存器，以檢測硬盤操作的成功與否。如操作正常，則進行下一次動作；否則進入錯誤處理程序。
2．3 GPIF與ATA接口
FX2芯片的最主要特點是可通過USB2.0的通用可編程接口（GPIF）為特定的應用接口編程，以便使用多種協議完成與外圍器件的無縫連接，如 EIDE/ATAPI， IEEE1284，Utopia等。其編程可以根據需要進行，且其中不需要CPU的干預，只是通過一些CPU標志和中斷即可與增強型8051內核進行通訊。系統結構框圖如圖1所示。
本設計采用“GPIF主控”接口模式，并使用PORTB和PORTD雙向FIFO數據線來構成通向四個FX2端點FIFO（EP2、EP4、EP6、 EP8）的16位數據接口，以用來連接數據線DD[15:0]并進行數據的傳送；GPIF作為內部主控器與FIFO相連，并通過產生用戶可編程的控制主控器與FIFO相連，并通過產生用戶可編程的控制信號CTL[2：0]與外部接口進行通信。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。這些波形描述符可動態的配置給任何一個端點FIFO。配置后，GPIF將依據波形描述符產生相應的控制邏輯CTL及握手信號RDY來和外界接口，以滿足向FIFO讀寫數據的需要。GPIF的數據總線可以是8位FD[7：0]，也可以是16位FD[15：0]，本設計采用 16位數據總線。其硬盤讀數據控制波形如圖2所示。
每個波形描述符包含了S0~S6七個有效狀態和一個空閑狀態。在每個有鏟狀態對應的時間段里，經過預先設置，GPIF可以做出以下幾件事件；驅動（使高或低）或浮接CTL輸出、采樣或驅動FIFO的數據總線、增加GPIF地址總線的值、增加指向當前FIFO指針的值和啟動GPIFWF（GPIF波形）中斷。除此之外，在每個狀態，GPIF還可以對以下幾個信號中的任意兩個進行采樣，它們是：RDYX輸入端、FIFO狀態標志位、內部RDY標志位和傳輸計數終止標志位。每個GPIF動作都由七段組成，每個狀態都可以定義為Non- Decision Interval (NDP)或Decision Point Interval(DP)。當某個狀態定義為NDP時，在執行此狀態動作時，系統只是用簡單的延時來確定產生指定電平的延續時間；而當執行DP狀態時，它將根據RDY0、RDY1上的輸入信號狀態把其中的兩個信號相與、相或或者相異，然后根據結果跳轉到其它任意一個狀態或延遲1~256個IFCLK時鐘周期。當然也可根據輸入端信號進行跳轉或延遲。
圖2中，在第一個DP時刻，若硬盤中數據已準備就緒，硬盤會傳給GPIF一個負脈沖信號RDY0，根據此信號，波形將按順序轉入2、3、4狀態，并使指向內部FIFO的指針在每個時鐘上升沿加1，然后依次讀取四個數據，讀取完數據后再利用CTL0的上升沿啟動下一次讀寫操作。若在狀態1時沒有出現負脈沖，則直接跳轉到狀態6，之后重復此波形描述符。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現，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來進行配置，它是一個可以運行于Windows平臺的應用程序。
3 系統軟件設計與實現
本系統軟件設計包括：固件、應用程序和驅動程序的設計。其中，固件程序是指運行在設備CPU中的程序，是整個程序設計的核心，可采用匯編語言和C語言設計。只有在該程序運行時，外設才能稱之為具有給定功能的外部設備。
3．1 USB設備固件程序設計
設備固件程序的主要功能是控制EZ-USB FX2接收并處理USB驅動程序的請求（如請求設備描述符或設置設備狀態，請求或設置設備接口等USB2.0標準請求）、控制芯片中應用程序控制指令的接收、控制硬盤數據的讀寫等。該固件程序除能夠使內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、通過控制端點0來響應主機請求、控制和監測GPIF的活動等。其固件程序框圖如圖形所示。
設計時可采用PIO和UDMA兩種模式，FX2芯片的BULK端點大小可設置為512字節或1024字節。為實現UDMA功能，應將GPIF中的 Slave FIFO與USB通訊中的端點BUFFER直接連接，數據的傳送不再需要CPU的參考。當BUFFER寫滿后，置BUFFER滿標志位，以使GPIF停止動作。實際上，也可運用GPIF的Re-execute功能（重復執行功能）。設定此功能后，GPIF可以不經過IDLE狀態而僅根據采樣RDY信號即可重復下次動作。直到出現指定的標志位后才停止動作。這項功能一般用于大批量數據的連續讀寫。如在UDMA模式下對一個或多個扇區的讀寫操作。如在UDMA 模式下對一個或多個扇區的讀寫操作。為了實現UDMA模式下的CRC校驗，還需設備特殊寄存器來完成CRC校驗工作。
3．2 驅動程序設計
該系統需要兩個驅動程度，即通用驅動和下載固件驅動。通用驅動用于完成與外設和用戶程序的通信及控制；而下載固件驅動程序則負責在外連接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的重新設置，這種即可使主機能夠根據新的設置來安裝通用驅動程序，重新格舉外設為一個新的USB設備。通用驅動程序一般不需要重新編寫，可以使用Cypress公司已經編好的驅動ezusb.sys。由于在Winsows2000操作系統中已經新增了媒體存儲（Mass Stroage）設備的驅動程序，并可使用批量傳輸功能，所以可以直接選擇BULKUSB.SYS驅動程序，而下載固件驅動則必須定做。
3．3 用戶程序的設計
用戶程序是系統與用戶的接口，這通過通用驅動程序來完成對外設的控制和通信。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設的連接，然后才能實施數據的傳輸。本設計使用Visual Basic6. 0編譯環境中的API函數來將ATI函數包裝成一個VB.DLL連接程序文件，其編程方法與串口編程類似；首先查找設備，打開設備的句柄，然后進行讀寫和控制操作，最后關閉設備句柄。程序中主要用到的兩個API函數CreatFile()和DeviceIoControl()就是根據該句柄完成數據傳輸的。
4 結語
本設計利用CY7C68013芯片的ATA接口將普通硬盤轉化為具有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計，提高了系統穩定性，同時也有利于PCB板的制作和調試。另外，USB設備的可熱插拔特性使該系統具有了便攜式的特點，而且使用方便，無需關機重啟或打開機箱即可進行安裝。該系統可采用PIO和UDMA兩種模式實現。為了實現UDMA方式，所采用的 Conductors導線部分為80-pin，而不是傳統的40-pin，但是Cable (也就是排線的連接頭部分)還是40-pin。本設計支持全速和高速傳輸兩種狀態，如果PC機是USB1.1的，它也能向下兼容USB1.1，而且速度遠高于采用純粹的USB接口芯片加外微處理器所構成的系統。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據線在此基礎上進行其它擴展，從而實現基于硬盤的大容量數據采集與分析。