usb通信程序开发设计.doc

大学毕业设计（论文） 第 64 页
目录

第一章 绪论 1
1.1 PC接口简介 1
1.2 USB 接口分析 1
1.3 USB 器件的选择 1
1.4 Mass Storage协议与FAT16文件系统 2
第二章 USB总线结构 3
2.1 总线拓扑结 3
2.2 USB设备 3
2.2.1 USB HUB 4
2.2.2 即插即用 5
2.2.3 设备电源 6
2.2.4 设备的挂起 6
2.3 USB主机 6
2.4 USB数据流 7
2.5 USB的端点 9
第三章 协议 12
3.1 Mass Storage 协议 12
3.2 Bulk－Only传输协议 16
3.3 SCSI指令集 18
3.4 FAT16 文件系统 21
3.4.1 FAT 文件系统结构 21
3.4.2 Flash盘的FAT结构 26
第四章 程序实现与调试 29
4.1 固件程序的实现 29
4.1.1 主循环——MAINLOOP.C 29
4.1.2 中断服务程序——D12ISR.C 29
4.1.3 标准设备请求处理——D12SETUP.C 33
4.1.4 NAND FLASH操作程序——NFLASH32.C 38
4.2 固件调试 42
4.2.1 检查USB器件是否正常工作 42
4.2.2 设备枚举 43
4.2.3 BULK_ONLY传输协议命令处理 43
4.2.4 FLASH的读写 45
结论 46
致谢 47
参考文献 48
附录 49
附录 A USB接口芯片命令总汇 49
A1．初始化命令 50
A2．数据流命令 54
A3．数据流命令 59
附录 B U盘固件程序源码清单 60

第一章 绪论
1.1 PC接口简介
PC中的接口有两类：串行接口和并行接口。计算机内部总线，如CPU与存储器之间匀采用并行接口，这样速度快；但外设却以串行接口比较占优势。传统的打印机接口为并行接口。SCSI标准的全名是小型设备通用接口标准，其传输速率为10M，早期的扫描仪一般使用此接口，硬盘与主机的联接也使用这种接口。串行接口出现最早，使用最广的RS232接口，但其速度太慢，现在已经逐渐被淘汰。USB接口和IEEE1394接口是两种速度比较高的串行接口，还有局域网中的以太网接口，它们具有较广阔的发展前景和应用潜力。USB适用于低档外设与主机之间的高速数据传输，USB1.1可以达到1.5Mbps或12Mbps的传输率，而1394更是可达100／200／400Mbps。USB2.0将速度定位在480Mbps，而IEEE1394也推出了1394b 1.3.1 版草案，速度从800Mbps起步，最高可达3.2Gbps。局局域中用得最多的是以太网接口，速度可达100Mbps，当使用光纤传输时，速度可达1000Mbps。
1.2 USB 接口分析
通用串行总线(Universal Serial Bus USB），是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口比较，USB接口的最大特点是易于使用，这也是USB的主要设计目标。作为一种高速总线接口，USB适用于多种设备，如数码相机、MP3播放机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在USB接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。USB接口支持1.5Mb/s(低速)、12Mb/s(全速)和高达480Mb/s(USB 2.0规范)的数据传输速率，扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据传输，USB的最大理论传输速率仍达1.2Mb/s或9.6Mb/s，远高于一般的串行总线接口。USB接口芯片价格低廉，一个支持USB 1.1 规范的USB接口芯片价格大多在人民币（2004年）15～30元之间，这也大大促进USB设备的开发与应用。
1.3 USB 器件的选择
在进行一个USB设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的USB控制器。目前，市场上供应的USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机（MCU）或纯粹的USB接口芯片。带USB接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于USB控制的单片机另一类是增加了USB接口的普通单片机，如Cypress公司的EZ－USB(基于8051），选择这类USB控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但对于简单或低成本系统。但价格因素也是在实际选择过程中需要考虑的因素。纯粹的USB 接口芯片仅处理USB通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。典型产品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD12(并行接口），NS公司的USBN9603/9604(并行接口），NetChip公司的NET2888 等。USB接口芯片的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高，尤其适合于产品的改型设计（硬件上仅需对并行总线和中断进行改动，软件则需要增加微处理器的USB中断处理和数据交换程序、PC机的USB接口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动）。
1.4 Mass Storage协议与FAT16文件系统
USB组织定义了海量存储设备类（Mass Storage Class）的规范，这个类规范包括四个独立的子类规范，即：1. USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport 2. USBMass Storage Class Bulk-Only Transport 3. USB Mass Storage Class ATA Command Block 4.USB Mass Storage Class UFI Command Specification。前两个子规范定义了数据/命令/状态在USB上的传输方法。Bulk- Only传输规范仅仅使用Bulk端点传送数据/命令/状态，CBI传输规范则使用Control/Bulk/Interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态传送。后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。ATA命令规范用于硬盘，UFI命令规范是针对USB移动存储。Microsoft Windows中提供对Mass Storage协议的支持，因此USB移动设备只需要遵循Mass Storage协议来组织数据和处理命令，即可实现与PC机交换数据。而Flash的存储单元组织形式采用FAT16文件系统，这样，就可以直接在Windows的浏览器中通过可移动磁盘来交换数据了，Windows负责对FAT16文件系统的管理，USB设备不需要干预FAT16文件系统操作的具体细节。

第二章 USB总线结构
2.1 总线拓扑结

USB总线的物理连接是一种有层次性的星型结构，集线器（HUB）是每个星型结构的中心。PC机就是主机和根HUB，用户可以将外设或附加的HUB与之相连，这些附加的HUB可以连接另外的外设以及下层HUB。USB支持最多5个HUB层以及127个外设。从下图描述了总线的这种物理拓扑结构。

图2.1 USB总线拓扑结构
2.2 USB设备
USB设备包括HUB和功能设备，而功能设备又可以细分为定位设备、字符设备等等。为了进一步叙述，这里给出端点（endpoint）和管道（pipe）的概念。
端点：每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合，主机只能通过端点与设备进行通讯，以使用设备的功能。每一个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区，这些端点在设备出厂时就已经定义好了。在USB系统中，每一个端点都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的特性。其中包括：传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等等。除端点0外，其它端点必须在设备配置后才能生效。
端点0通常为控制端点，用于设备初始化参数等，端点1、2等一般用作数据端点，存放主机与设备间往来的数据。
管道：一个USB管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接，它代表了一种在两者之间移动数据的能力。一旦设备被配置，管道就存在了。管道由两种类型，数据流管道（其中的数据没有USB定义的结构）与消息管道（其中的数据必须由USB定义的结构）。管道只是一个逻辑上的概念。
所有的设备必须支持端点0以作为设备的控制管道。通过控制管道可以获取完全描述USB设备的信息，包括：设备类型、电源管理、配置、端点描述等等。只要设备连接到USB上并上电，端点0就可以被访问，与之对应的控制管道就存在了。
一个USB设备可以分为三个层。最底层是总线接口，用来发送与接收包。中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流通。一个端点是数据最终的使用者或提供者，它可以看作是数据源或是数据接收端。最上层就是USB设备所提供的功能，比如鼠标或键盘等。

图2.2 USB设备层次结构
2.2.1 USB HUB
HUB在USB结构中是一个关键，它提供了附加的USB节点，这些节点被称为端口。HUB可以检测出每一个下行端口的状态，并且可以给下端的设备提供电源。从下图描述了一个典型的HUB结构。

图2.3 USB HUB
2.2.2 即插即用
USB设备可以即插即用，但在可以使用之前，必须对设备进行配置。一旦设备连接到某个USB的节点上，USB就会产生一系列的操作，来完成对设备的配置，这种操作被称为总线枚举过程：
1. 设备所连接的HUB检测出端口上由设备连接，通过状态变化管道向主机报告；
2. 主机通过询问HUB以获得确切的信息；
3. 主机这时知道设备连接到那个端口上，于是向这个端口发出复位命令；
4. HUB发出的复位信号结束后，端口被打开，HUB向设备提供100mA的电源，这时设备上电，所有的寄存器复位，并且以缺省地址0以及端点0响应命令；
5. 主机通过缺省地址与端点0进行通讯，赋予设备一个唯一的地址，并且读取设备的配置信息；
6. 最后主机对设备进行配置，该设备就可以使用了。
当该设备被移走时，HUB依然要报告主机，并且关闭端口。一旦主机接收到设备移走的报告，就会改写当前结构信息。
2.2.3 设备电源
USB设备的电源可以由USB总线供给，也可以自备电源。一个USB设备可以具有这两种供电方式，但同一时刻只能由一种方式供电。这两种供电方式是可以切换的。
2.2.4 设备的挂起
为了节电，当设备在指定的时间内没有总线传输，USB设备自动进入挂起状态。如果设备所接的HUB的端口被禁止了，设备也将进入挂起状态（称之为选择挂起）。当然主机也可以进入挂起状态。
USB设备当总线活动时，就会离开挂起状态。一个设备也可以通过电信号来远程唤醒进入挂起状态的主机。这个能力是可选的，如果一个设备具有这个能力，主机有能力禁止或允许使用这种能力。
2.3 USB主机
USB主机在USB系统中处于中心地位，并且对USB及其连接的设备有着特殊的责任。主机控制着所有对USB的访问，一个外设只有主机允许才有访问总线的权利。主机同时也检测着USB的结构。
USB主机包括三层：设备驱动程序，USB系统软件，USB主控制器（主机的总线接口）。另外，还有两个软件接口：USB驱动（USBD）接口，主机控制驱动（HCD）接口。

图2.4 主机的层次结构
2.4 USB数据流

图2.5 USB数据流过程
从逻辑上讲，USB数据的传输是通过管道进行的。USB系统软件通过缺省管道（与端点0相对应）管道设备，设备驱动程序通过其它的管道来管理设备的功能接口。实际的数据传输过程是这样的：设备驱动程序通过对USBD接口（USB driver interface）的调用发出输入输出请求（IRP, I/O Request Packet）；USB驱动程序接到请求后，调用HCD接口（host controller driver interface），将IRP转化为USB的传输（transfer），一个IRP可以包含一个或多个USB传输；然后HCD将USB传输分解为总线操作（transaction），由主控制器以包（packet）的形式发出。需要注意的是：所有的数据传输都是由主机开始的，任何外设都无权开始一个传输。
IRP是由操作系统定义的，而USB传输与总线操作是USB规范定义的。为了进一步说明USB传输，这里引出帧（frame）的概念。
帧：USB总线将1ms定义为一帧，每帧以一个SOF包为开始，在这1ms里USB进行一系列的总线操作。引入帧的概念主要是为了支持与时间有关的总线操作。
为了满足不同外设和用户的要求，USB提供了四中传输方式：控制传输；同步传输；中断传输；批传输。它们在数据格式、传输方向、数据包容量限制、总线访问限制等方面有着各自不同的特征：
控制传输（Control Transfer）
1. 通常用于配置、命令、状态等情形；
2. 其中的设置操作（setup）和状态操作（status）的数据包具有USB定义的结构，因此控制传输只能通过消息管道进行；
3. 支持双向传输；
4. 对与高速设备，允许数据包最大容量为8，16，32或64字节，对于低速设备只有8字节一种选择；
5. 端点不能指定总线访问的频率和占用总线的时间，USB系统软件会做出限制；
6. 具有数据传输保证，在必要时可以重试。
同步传输（Isochronous Transfer）
1. 是一种周期的、连续的传输方式，通常用于与时间有密切关系的信息的传输；
2. 数据没有USB定义的结构（数据流管道）；
3. 单向传输，如果一个外设需要双向传输，则必须使用另一个端点；
4. 只能用于高速设备，数据包的最大容量可以从0到1023个字节；
5. 具有带宽保证，并且保持数据传输的速率恒定（每个同步管道每帧传输一个数据包）；
6. 没有数据重发机制，要求具有一定的容错性；
7. 与中断方式一起，占用总线的时间不得超过一帧的90％。
中断传输（Interrupt Transfer）
1. 用于非周期的、自然发生的、数据量很小的信息的传输，如键盘、鼠标等。
2. 数据没有USB定义的结构（数据流管道）；
3. 只有输入这一种传输方式（即外设到主机）；
4. 对于高速设备，允许数据包最大容量为小于或等于64字节，对于低速设备只能小于或等于8字节；
5. 具有最大服务周期保证，即在规定时间内保证有一次数据传输；
6. 与同步方式一起，占用总线的时间不得超过一帧的90％；
7. 具有数据传输保证，在不要时可以重试。
批传输（Bulk Transfer）
1. 用于大量的、对时间没有要求的数据传输；
2. 数据没有USB定义的结构（数据流管道）；
3. 单向传输，如果一个外设需要双向传输，则必须使用另一个端点；
4. 只能用于高速设备，允许数据包最大容量为8，16，32或64字节；
5. 没有带宽的保证，只要有总线空闲，就允许传输数据（优先级小于控制传输）；
6. 具有数据传输保证，在必要时可以重试，以保证数据的准确性。

图2.6 USB数据传输
2.5 USB的端点

端点是USB中一个独特的概念，它是一个可以与USB Host交换数据的硬件单元。USB
Host与USB设备之间都是通过端点来传输数据的，端点是桥梁和纽带，不同的端点其传输数据的能力不同，适于不同的应用场合。
PDIUSBD12的端点适用于不同类型的设备，例如图像打印机、海量存储器和通信设备。
端点可通过Set Mode命令配置为4种不同的模式，分别为：
1. 模式0 Non-ISO 模式：非同步传输
2. 模式1 ISO-OUT 模式：同步输出传输
3. 模式2 ISO-IN 模式：同步输入传输
4. 模式3 ISO-IO 模式：同步输入输出传输
这几种模式下可得到的端点情况如下表2.1：
表2.1 端点模式

端点2（主端点）是进行吞吐大量数据的主要端点。主端点执行主机的特性以减轻传输大数据的任务，包括：
1. 双缓冲。允许USB与本地CPU之间的并行读写操作，增加了数据的吞吐量。缓冲区切换是自动处理的，导致了透明的缓冲区操作。
2. 支持DMA（直接存储器访问）操作，可以和对其他端点的正常I/O操作交进行。
3. DMA操作中的自动指针处理，在跨过缓冲区边界时不需要本地CPU的干预。
4. 可配置为同步传输或非同步（批量和中断）传输。

第三章 协议
3.1 Mass Storage 协议
USB协议能够在启动或是当设备插入系统时对设备进行备置，这就是USB设备为什么可以执插拨的原因。USB设备被分成以下几类：显示器（Monitors）、通讯设备（Communication devices）、音频设备（Audio）、人机输入（Human input）、海量存储（Mass storage）。特定类（class）的设备又可划分成子类（subclass），划分子类的后软件就可以搜索总线并选择所有它可以支持的设备。每个设备可以有一个或多个配置（Configuration），配置用于定义设备的功能。如果某个设备有几种不同的功能，则每个功能都需要一个配置。配置（configuration）是接口（interface）的集合。接口指定设备中的哪些硬件与USB交换数据。每一个与USB交换数据的硬件就叫做一个端点（endpoint）。因此，接口是端点的集合。USB的设备类别定义（USB Device Class Definitions）定义特定类或子类中的设备需要提供的缺省配置、接口和端点。描述符（descriptor）描述设备、配置、接口或端点的一般信息，下图为USB 描述符的层次结构。

图3.1 USB描述符层次结构

USB（Host）唯一通过描述符了解设备的有关信息，根据这些信息建立起通信，在这些描述符中，规定了设备所使用的协议、端点情况等。因此，正确地提供描述符，是USB设备正常工作的先决条件。USB海量存储设备（USB Mass Storage Class）包括General Mass Storage Subclass、CD－ROM、Tape、Solid State。Mass Storage Class只需要支持一个接口，即数据（Data）接口，选择缺省配置时此接口即被激活。数据接口允许与设备之间进行数据传输，它提供三个端点：Bulk Input 端点、Bulk Output 端点和中断端点。通用海量存储设备（General Mass Storage Device）是随机存取、基于块／扇区存储的设备。它只能存储和取回来自CPU 的数据。这种设备的接口遵循SCSI－2标准的直接存取存储设备（Direct Access Storage Device）协议。USB设置上的介质使用与SCSI－2设备相同的逻辑块（logical blocks）方式寻址。下面介绍基于Bulk Only（批量传输）模式的Mass Storage 设备的描述符：每个USB设备都必须有一个设备描述符。

图3.2 设备（Device）描述符
Mass Stroage设备的设备类型和子类代码均在接口描述符中设置，这里置0。其中iSerialNumber可为零，即不指定Serial Number。
配置描述符如下图：

图3.3 配置（Configuration）描述符
这里配置所支持的接口数应为1。即设置至少支持一个接口，这里为Bulk－Only Data接口，此接口使用三个端点：控制端点（默认）、Bulk－In和Bulk－Out。其中bInterfaceSubClass指定所使用的工业标准命令块，bInterfaceProtocol为所使用的传输协议。

图3.4 bInterfaceSubClass 处的工业标准命令块代码

图3.5 Mass Storage 传输协议
接口描述符如下图：

图3.6 接口（Interface）描述符
由于控制端点为每个设备都使用的缺省端点，因此不需要定义，只需定义Bulk－In和Bulk－Out两个端点，其端点描述符如下：

图3.7 Bulk－In端点描述符

图3.8 Bulk－Out端点描述符
3.2 Bulk－Only传输协议
设备插入到USB后，USB即对设备进行搜索，并要求设备提供相应的描述符。在USB Host 得到上述描述符后，即完成了设备的配置，识别出为Bulk－Only的Mass Storage设备，然后即进入Bulk－Only传输方式。在此方式下，USB与设备间的所有数据均通过Bulk－In和Bulk－Out来进行传输，不再通过控制端点传输任何数据。在这种传输方式下，有三种类型的数据在USB和设备之间传送，CBW、CSW 和普通数据。CBW（Command Block Wrapper，即命令块包）是从USB Host发送到设备的命令，命令格式遵从接口中的bInterfaceSubClass 所指定的命令块，这里为SCSI传输命令集。USB设备需要将SCSI命令从CBW中提取出来，执行相应的命令。完成以后，向Host发出反映当前命令执行状态的CSW（Command Status Wrapper，即命令状态包），Host根据CSW来决定是否继续发送下一个CBW或是数据。Host要求USB设备执行的命令可能为发送数据，则此时需要将特定数据传送出去，完毕后发出CSW，以使Host进行下一步的操作。USB设备所执行的操作可用下图描述：

图3.9 USB 设备所执行的操作
USB Host 按照下面的格式向设备端发送CBW，

图3.10 CBW
其中dCBWSignature的值为43425355h（LSB），表示当前发送的是一个CBW；dCBWTag的内容需要原样作为dCSWTag再发送给Host；dCBWDataTransferLength为本次CBW需要传输的数据长度，bmCBWFlags反映数据传输的方向，0表示来自Host，1表示发至Host；bCBWLUN一般为零，但当设备有多个逻辑单元时，用此位指定本次命令是发给谁的；bCBWCBLength为本次命令字的长度；CBWCB即为真正的传输命令集的命令。设备得到一个CBW后，解析出CBWCD中所代表的命令，然后按照SCSI命令集中的定义来执行相应的操作，或是需要接收下一个Bulk－Out发来的数据，或是需要向Host传送数据，完成以后需要向USB Host发送CSW，反映命令执行的状态。USB也是通过此来了解设备的工作情况的。USB设备按照下面的格式向主机端发送CBW，

图3.11 CSW
其中dCSWSignature的值为53425355h（LSB），表示当前发送的是一个CSW；dCSWTag的内容为dCBWTag的内容，dCSWDataResidue为还需要传送的数据，此数据根据dCBWDataTransferLength减去本次已经传送的数据得到。Host端根据此值决定下一次CBW的内容，如果没有完成则继续；如果命令正确执行，则bCSWStatus返回0。设备按这个规则组装好CSW后，通过Bulk－In端点将其发送给主机。
3.3 SCSI指令集
Bulk-Only的CBW中的CBWCB中的内容即为如下格式的命令块描述符（Command Block Descriptor）。SCSI-2有三种字长的命令，6位、10位和12位，Microsoft Windows环境下支持12 位字长的命令。

图3.12 命令块描述符（Command Block Descriptor）
Operation Code是操作代码，表示特定的命令。高3位为Group Code，共有8 种组合，即8个组，低5五位为Command Code，可以有32种命令。Logicol unit Number是为了兼容SCSI－1而设的。Logical block address为高位在前，低位在后的逻辑块地址，即扇区地址。Transfer length为需要从逻辑块地址处开始传输的扇区数（比如在Read 和Write 命令中）；Parameter list length为需要传输的数据长度（比如在Mode Sense 命令中）；Allocation length为初始程序为返回数据所分配的最大字节数，此值可以为零，表示不需要传送数据。SCSI指令集的Direct Accesss类型存储介质的传输命令有许多，所幸运的是Mass Storage协议只用到了其中的一些。下面黑体部分即为需要USB设备作出响应的请求，一般是要求向Host发送一些有关设备的数据：

表3.1 SCSI指令集

对于不同的命令，其命令块描述符略有不同，其要求的返回内容也有所不同，根据相应的文档，可以对每种请求作出适当的回应。下面以INQUIRY请求为例，给出该命令块的命令块描述符和其返回内容的数据格式，其它命令块格式和返回内容请参考Information technology - SCSI Primary Commands - 2(SPC-2)。

图3.13 INQUIRY命令块描述符
图3.14 INQUIRY命令返回数据格式
Host会依次发出INQUIRY、READ CAPACITY、UFI MODE SENSE请求，如果上述请求的返回结果都正确，则Host会发出READ命令，读取文件系统0簇0扇区的MBR数据，进入文件系统识别阶段。对于PREVENT-ALLOW MEDIUM REMOVAL 和TEST UNIT READY命令，只需直接返回CSW即可，对于后者，由于Flash盘总是处于READY状态，故可直接返回CSW。
3.4 FAT16 文件系统
3.4.1 FAT 文件系统结构
一个FAT（FAT12／FAT16／FAT32）文件系统卷（卷可以理解为是一张软盘、一个硬盘或是一个Flas电子盘）由四个部分组成：
3.4.1.1 保留区（Reserved Region）
分区的保留区（Reserved Region）中的第一个扇区必须是BPB(BIOS Parameter Block)，此扇区有时也称作“引导扇区”、“保留扇区”或是“零扇区”，因为它含有对文件系统进行识别的关键信息，因此十分重要。下表是此扇区的结构：
表3.2 引导扇区结构（一）
表3.3 引导扇区结构（二）

表3.4 引导扇区结构（三）

3.4.1.2 FAT 区
FAT即File Allocation Table，文件分配表。操作系统分配磁盘空间按簇来分配的。因此，文件占用磁盘空间时，基本单位不是字节而是簇，即使某个文件只有一个字节，操作系统也会给他分配一个最小单元——即一个簇。为了可以将磁盘空间有序地分配给相应的文件，而读取文件的时候又可以从相应的地址读出文件，我们把整个磁盘空间分成32K字节长的簇来管理，每个簇在FAT表中占据着一个16位的位置，称为一个表项。对于大文件，需要分配多个簇。同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，而往往会分成若干段，像一条链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。为了实现文件的链式存储，硬盘上必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对一个文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的，FAT表的对应表项中记录着它所代表的簇的有关信息：诸如是否空，是否是坏簇，是否已经是某个文件的尾簇等。FAT区的结构如下：
表3.5 FAT区结构

FAT的项数与硬盘上的总簇数相关（因为每一个项要代表一个簇，簇越多当然需要的FAT表项越多），每一项占用的字节数也与总簇数有关（因为其中需要存放簇号，簇号越大当然每项占用的字节数就大）。FAT的格式有多种，最为常见是FAT16和FAT32，其中FAT16是指文件分配表使用16位，由于16位分配表最多能管理65536（即2的16次方）个簇，又由于每个簇的存储空间最大只有32KB，所以在使用FAT16管理硬盘时，每个分区的最大存储容量只有（65536×32 KB）即2048MB，也就是我们常说的2G。现在的硬盘容量是越来越大，由于FAT16对硬盘分区的容量限制，所以当硬盘容量超过2G之后，用户只能将硬盘划分成多个2G的分区后才能正常使用。由于FAT对于文件管理的重要性，所以FAT有一个备份，即在原FAT的后面再建一个同样的FAT。
3.4.1.3 根目录区（Root Directory Region）
紧接着第二个FAT表的后面一个扇区，就是根目录区了。根目录区中存放目录项，每个目录项为32个字节，记录一个文件或目录的信息(长文件名例外)。以下是目录项的结构：
表3.6 目录项结构

目录项所占的扇区数与有多少个目录项有关，它将占用（目录项＊32／512）个扇区。
3.4.1.4 文件和目录数据区
目录项的所占的最后一个扇区之后，便是真正存放文件数据或是目录的位置了。
3.4.2 Flash盘的FAT结构
Flash硬盘与普通的磁头、柱面式介质不一样。在开发U盘的过程中，使用Flash作为存储介质。它有其特定的结构特点。以32M的三星K9F5608U0A-YCB0 Flash为例，它有2048个Block，每个Block 有32个Page，每个Page有512+16＝528个字节。

图3.15 Flash 的结构
Flash的读写有其自身特点：
1. 必须以Page为单位进行读写；
2. 写之前必须先擦除原有内容；
3. 擦除操作必须对Block进行，即一次至少擦除一个Block的内容。
针对这种情况，将Flash的一个Page定为1个扇区，将其2个Block，64个扇区定为一个簇，这样，簇的容量刚好为512＊64＝32K，满足FAT16对簇大小的要求。FAT分配空间的时候，是按簇来分配的，但是其给出的地址却是LBA（Logical BlockAddress），即它只给出一个扇区号，比如对此Flash而言，若给出LBA为0x40，实代表簇1的扇区1。因此需要将Logical Block Address转换为物理地址，这样，才可以对数据进行存取操作。根据上面定义的结构，转换公式为：
Flash 的Block ＝ Logical Block Address／0x20 （1）
Flash 的Page ＝ Logical Block Address %0x20 （2）
实际上，如果定义每个簇为32 个扇区是最好的，因为这样物理结构和逻辑结构刚好一致。但是这也无防，因为不管Logical Block Address给出什么值，只要按上述公式，总可以得到物理上正确的Block 和Page，再使用Flash的读写命令读取对应的Block和Page就可以了，因此簇和扇区的概念只是在BPB中给出存储介质信息的时候告之系统就可以了，这里只要做好LBA与物理地址间的转换就可以了。由于做为U盘的Flash不要求启动，因此可以没有MBR 区，只包含DBR、FAT、DIR和DATA四个区。因此，Flash的前两个Block的内容如下：
表3.6 Flash的前两个Block
LBA
Block/Page
长度
内容说明
0H
0/0
512字节
MBR＝BPB+Excutable Code+55AA
1-2H
0/1-0/2
1024字节
FAT区（第一份FAT）
3-4H
0/3-0/4
1024字节
FAT区备份（第二份FAT）
5-39H

目录区
40H

数据区

当主机发出READ命令后，Flash读写操作即告开始，主机首先读取MBR，得到有关存储介质的有关信息，诸如扇区长度、每簇扇区数以及总扇区数等内容，以便知道此盘有多大。如果读取正确，会接着读取文件分配表，借以在PC 机上的可移动盘符中显示文件目录，并可以复制、删除或是创建文件。系统自动将这些命令都转换成READ或WRITE两种命令，通过USB的READ或WRITE命令块描述符来从Flash中相应扇区读取数据，或是将特定长度的数据写入Flash相应地址中。

第四章 程序实现与调试
4.1 固件程序的实现
4.1.1 主循环——MAINLOOP.C
主循环检查事件标志并进入子程序进行进一步的处理。MCU一但上电就需要初始化其所有端口、存储区、定时器和中断服务程序。之后MCU将重新连接USB，包括将Soft_Connect寄存器设置为ON，因为这些过程确保了在MCU准备好服务D12之前D12不会进行操作，所以是很重要的。下图为主循环流程：
Yes
主循环开始
初始化I/O端口、定时器和中断，重新连接到USB总线

循环
USB中断
中断服务程序
No

图4.1 主循环流程图
4.1.2 中断服务程序——D12ISR.C
中断服务程序代码处理由D12产生的中断，它将数据从D12的内FIFO取回到CPU存储器，并建立正确的事件标志，以通知相应的子程序进行处理。下图为中断服务程序流程图：
中断服务
读取D12中断寄存器
控制输入
控制输出
端点1输入
端点1输出
端点2输入
端点2输出
DMA传输结束
挂起改变
总线复位
中断服务结束
控制端点发送数据处理
控制端点接收数据处理
DMA传输技术处理
端点2接收数据处理

端点2发送数据处理

端点1发送数据处理

端点1接收数据处理

设置挂起改变标志
设置总线复位标志
No
No
No
No
No
No
No
No
No
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes

图4.2 中断服务程序流程图
4.1.2.1 控制端点处理
控制传输总是在SETUP阶段开始，之后为可选的DATA阶段，然后在STATUS阶段结束。固件使用这3个状态来正确处理控制传输。下图为控制端点处理程序流程图：
控制输出入口
读端点处理状态清中断标志
SETUP包？
SETUP处理程序
控制输出子程序结束
No
Yes

图4.3 控制输出程序流程图
控制输入入口
清中断标志位
数据提交处理
控制输入子程序结束

图4.4 控制输入程序流程图
4.1.2.2 普通端点处理
对于普通输出端点（本项目中为BULK_OUT端点）配置为从主机接收数据包。当MCU从主机接收输出中断标志（通过读中断寄存器识别）时，D12中断位清零。选择端点将清零缓冲区，接下来MCU需要确认数据的长度并把数据读出，然后进入数据处理子程序。
对于普通输入端点（本项目中为BULK_IN端点）的中断，只要读取端点号的最后处理状态寄存器来清除中断寄存器的相应位，并把状态清零即可。输入端点中断是在发送完数据后才产生的，当还有数据要发送时，可以在中断程序程序里接着继续发送。
下图为普通端点处理程序流程图：
.普通输入入口
清中断标志读取缓