【连载】【FPGA黑金开发板】NIOSII那些事儿--USB主机模式（二十一）

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      上一节，我们讲了USB的设备模式，可以实现计算机与黑金开发板的数据通信。这一节，我们以上一节为基础，研究一下如何利用CH376芯片来实现U盘的读写。

大家都知道，不管是U盘，SD卡，还是我们经常用到的电脑硬盘，都存在文件的建立，存取，修改等操作。从系统角度来说，负责管理这些工作的我们称之为文件管理系统，简称文件系统。经常用电脑的人对这个概念一定很熟悉，比如我们在装系统的时候，不可避免的会遇到选择何种文件系统（除非你用GHOST，呵呵），FAT32还是NTFS等等，这个就是文件系统。文件系统是对文件存储器空间进行组织和分配，负责文件的存储并对存入的文件进行保护和检索的系统，具体地说，他负责为用户建立文件、存入、读出、修改、转储文件爱你，控制文件的存取，当用户不再使用时撤销文件等。

      在U盘中，同样存在文件系统。大家熟知的，当我们想格式化U盘的时候，我们也需要选择文件系统类型，如下图所示

      因此，如果要想通过U盘来实现开发板与电脑之间的数据交换，那么，在开发板上也也应该在FAT规范下通过文件的形式存取U盘中的数据。不过，CH376已经把这个工作为我们做好了。

CH376在芯片内部集成了FAT文件系统，支持 FAT32、FAT16和FAT12，符合WINDOWS的文件系统格式。这种无微不至的“关怀”实在令我们感动啊，因为这样我们就不需要在自己动手编写了文件系统了，为我们减少了很多的工作量，剩下的时间看看世界杯还是很不错哦，呵呵。

      CH376对U盘文件的读写方式分为两种：扇区模式和字节模式。

      扇区模式下，以扇区（每扇区通常是512字节）为基本单位对U盘文件进行读写，所以读写速度略快，但是通常情况下需要额外的文件数据缓冲区，额外的文件数据缓冲区必须是扇区长度512 的整数倍，所以适用于RAM多、数据量大、频繁读写数据的单片机系统。扇区读写的子程序主要有扇区读CH376SecRead 和扇区写CH376SecWrite。

      字节模式下，以字节为基本单位对U盘文件进行读写，少则 1 字节，多则 65535字节，读写速度略慢，但是不需要额外的文件数据缓冲区，使用方便，适用于 RAM 少（从几字节到几十 K 都可以）、数据量小或者数据零碎、不经常读写数据的单片机系统。但是，因为闪存只能进行有限次擦写，如果频繁地向U盘写入零碎的数据，可能会缩短U 盘中闪存的使用寿命。

      下面，我们就通过我们黑金开发板来实践一下，看如何使用CH376来实现U盘的读取的。

在南京沁恒的官方网站上，为我们提供了CH376相关的例程，不过都是基于单片机的，我们需要移植到NIOS II下实现。

      首先，我们需要自己来写USB的底层驱动，这个跟上一节的USB驱动稍有不同。我们在driver下建立hal.c文件，如下所示

/*
 * =====================================================================================
 *
 *       Filename:  usb.c
 *
 *    Description:  ch376底层驱动
 *
 *        Version:  1.0.0
 *        Created:  2010.4.16
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  Nios II 9.0 IDE
 *
 *         Author:  马瑞 (AVIC)
 *          Email:  [email protected]  
 *
 * =====================================================================================
 */
//-----------------Include files-------------------------//
#include "../inc/hal.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "sys/alt_irq.h"
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include "../inc/ch376inc.h"
#include "system.h"

//-----------------Function Prototype--------------------//
void xWriteCH376Cmd(unsigned char command);
void xWriteCH376Data(unsigned char data);
unsigned char xReadCH376Data(void);
unsigned int mInitCH376Host(void);
void delay(void);
int set_usb_mode(unsigned char type);
unsigned char Query376Interrupt(void);
void irq_usb(void * context,unsigned int id);
void mDelaymS(int ms);
//-----------------Variable------------------------------//

USB_T usb;
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  set_usb_mode
 *  Description:  设置工作模式 
 * =====================================================================================
 */
int set_usb_mode(unsigned char type)
{

    xWriteCH376Cmd(SET_USB_MODE);
    xWriteCH376Data(type);
    xReadCH376Data();

    if((xReadCH376Data()) == CMD_RET_SUCCESS)
        return 0;
    else 
        return -1;
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  xWriteCH376Cmd
 *  Description:  写命令 
 * =====================================================================================
 */
void xWriteCH376Cmd(unsigned char command)
{
    //A0
    PIO_USB_A0=1;

    //DB DIR output
    PIO_USB_DB_DIR=0xff;

    PIO_USB_DB=command;

    PIO_USB_WR=0;
    PIO_USB_WR=1;
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  delay
 *  Description:  延时 
 * =====================================================================================
 */
void delay(void)
{
    int i;
    for(i=0;i<1000;i++);
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  xWriteCH376Data
 *  Description:  写数据 
 * =====================================================================================
 */
void xWriteCH376Data(unsigned char data)
{
   //A0
   PIO_USB_A0=0;

   //DB DIR output
   PIO_USB_DB_DIR=0xff;

   PIO_USB_DB=data;   
   usleep(20);
   PIO_USB_WR=0;
   delay();
   usleep(20);
   PIO_USB_WR=1;
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  xReadCH376Data
 *  Description:  读数据 
 * =====================================================================================
 */

unsigned char xReadCH376Data(void)
{
    unsigned char data=0;
     //A0
    PIO_USB_A0=0;
    
    //DB DIR output
    PIO_USB_DB_DIR=0;

    PIO_USB_RD=0;
    delay();
    data=PIO_USB_DB;
    PIO_USB_RD=1;

    return data;
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  mInitCH376Host
 *  Description:  初始化
 * =====================================================================================
 */
unsigned int mInitCH376Host(void)
{
    PIO_USB_RD=1;
    PIO_USB_WR=1;
    PIO_USB_A0=1;
    usb.receive_ok_flag=0;
    usb.send_ok_flag=0;
    //enable the io interrupt

    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(USB_NINT_BASE,0);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(USB_NINT_BASE,0);
    
    set_usb_mode(USB_HOST);
    
    return USB_INT_SUCCESS;
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  Query376Interrupt
 *  Description:  读取中断引脚 
 * =====================================================================================
 */
unsigned char Query376Interrupt( void )
{
    return(PIO_USB_NINT?TRUE:FALSE);
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  mDelaymS
 *  Description:  延时 
 * =====================================================================================
 */
void mDelaymS(int ms)
{
    usleep(1000*ms);   
}

接下来，我们需要在inc下建立hal.h文件

/*
 * =====================================================================================
 *
 *       Filename:  hal.c
 *
 *    Description:  ch376底层驱动
 *
 *        Version:  1.0.0
 *        Created:  2010.4.16
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  Nios II 9.0 IDE
 *
 *         Author:  马瑞 (AVIC)
 *          Email:  [email protected]  
 *
 * =====================================================================================
 */
#ifndef __usb_h__
#define __usb_h__

//-----------------Include files-------------------------//
#include "system.h"

//------------------Data struct--------------------------//

//----------------- CH375 DEFINE-------------------------//

//common
#define USB_HOST    0X06
#define USB_DEVICE  0x02
#define USB_DISABLE 0X00

#define RESET_ALL   0X05
#define CHECK_EXIST 0X06
#define SET_USB_ID  0X12
#define SET_USB_MODE    0X15
#define GET_STATUS  0X22
#define UNLOCK_USB  0X23
#define RD_USB_DATA 0X28
#define WR_USB_DATA5    0X2A
#define WR_USB_DATA7    0X2B
#define GET_IC_VER  0X01
#define ENTER_SLEEP 0X03
#define CHK_SUSPEND 0X0B
#define RD_USB_DATA0    0X27

#define RET_SUCCESS 0X51
#define RET_ABORT   0X5B

#define INT_EP2_OUT 0x02
#define INT_EP2_IN  0x0a

//host
#define DISK_READ   0X54
#define DISK_RD_GO  0X55

#define DISK_READY  0X59
#define DISK_INIT   0X51

//status

#define USB_INT_CONNECT 0x15

//----------------------------USB HOST---------------------------//
#define CMD_RET_SUCCESS     0x51            /* 命令操作成功 */
#define CMD_RET_ABORT       0x5F            /* 命令操作失败 */

//------------------------bus define----------------------------//
//usb
#define PIO_USB_DB      *(volatile unsigned long int *)USB_DB_BASE
#define PIO_USB_WR      *(volatile unsigned long int *)USB_WR_BASE
#define PIO_USB_RD      *(volatile unsigned long int *)USB_RD_BASE
#define PIO_USB_A0      *(volatile unsigned long int *)USB_A0_BASE
#define PIO_USB_NINT     *(volatile unsigned long int *)USB_NINT_BASE

#define PIO_USB_DB_DIR  *(volatile unsigned long int *)(USB_DB_BASE+4)

#define VID 0X0FFE
#define PID 0X1000

typedef struct{
	char receive_buffer[200];
    int send_ok_flag;
	int receive_ok_flag;

}USB_T;
//-----------------Extern function------------------------//

extern USB_T usb;
extern void xWriteCH376Cmd(unsigned char command);
extern void xWriteCH376Data(unsigned char data);
extern unsigned char xReadCH376Data(void);
extern unsigned int mInitCH376Host(void);
extern unsigned char Query376Interrupt(void);
extern void mDelaymS(int ms);

#endif //__usb_h__

上面属于底层驱动部分，如果想实现U盘的读取，还需要处理文件系统子程序file_sys.c，官方已有提供，我们将其加入到drvier下。将头文件file_sys.h放到inc下。

将上述内容都设置好以后，我们需要编写一个测试程序。官方提供了很多的例程，大家可以讲我们编写的底层驱动替换下自带的就可以 。

下面程序演示字节读写，文件枚举，用于将U盘中的/C51/CH376HFT.C文件中的前200个字符显示出来，如果找不到原文件CH376HFT.C，那么该程序将显示C51子目录下所有以CH376开头的文件名，如果找不到C51子目录，那么该程序将显示根目录下的所有文件名。

/*
 * =====================================================================================
 *
 *       Filename:  host.c
 *
 *    Description:  
 *
 *        Version:  1.0.0
 *        Created:  2010.4.16
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  Nios II 9.0 IDE
 *
 *         Author:  马瑞 (AVIC)
 *          Email:  [email protected]  
 *
 * =====================================================================================
 */
#include "../inc/ch376inc.h"
#include "../inc/hal.h"
#include "../inc/file_sys.h"
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

UINT8 buf[64];

void host(void) {
    UINT8   i, s;
    UINT8   TotalCount;
    UINT16  RealCount;
    P_FAT_DIR_INFO  pDir;

    s = mInitCH376Host( );  /* 初始化CH376 */

    while ( 1 ) {
        printf( "Wait Udisk/SD\n" );
        /* 检查U盘是否连接,等待U盘插入*/
        while (CH376DiskConnect()!=USB_INT_SUCCESS ){              
            usleep( 1000*100 );  /* 没必要频繁查询 */
            printf("USB FAILURE\n");
       }

        for ( i = 0; i < 100; i ++ ) {  /* 最长等待时间,100*50mS */
            usleep( 1000*50 );
            printf( "Ready ?\n" );
            s = CH376DiskMount( );  /* 初始化磁盘并测试磁盘是否就绪 */
            if ( s == USB_INT_SUCCESS ) break;  /* 准备好 */
            else if ( s == ERR_DISK_DISCON ) break;  /* 检测到断开,重新检测并计时 */
            if ( CH376GetDiskStatus( ) >= DEF_DISK_MOUNTED && i >= 5 ) break;  /* 有的U盘总是返回未准备好,不过可以忽略,只要其建立连接MOUNTED且尝试5*50mS */
        }
        if ( s == ERR_DISK_DISCON ) {  /* 检测到断开,重新检测并计时 */
            printf( "Device gone\n" );
            continue;
        }
        if ( CH376GetDiskStatus( ) < DEF_DISK_MOUNTED ) {  /* 未知USB设备,例如USB键盘、打印机等 */
            printf( "Unknown device\n" );
            goto UnknownUsbDevice;
        }
        i = CH376ReadBlock( buf );  /* 如果需要,可以读取数据块CH376_CMD_DATA.DiskMountInq,返回长度 */
        if ( i == sizeof( INQUIRY_DATA ) ) {  /* U盘的厂商和产品信息 */
            buf[ i ] = 0;
            printf( "UdiskInfo: %s\n", ((P_INQUIRY_DATA)buf) -> VendorIdStr );
        }

        /* 读取原文件 */
        printf( "Open\n" );
        strcpy( buf, "\\C51\\CH376HFT.C" );  /* 源文件名,多级目录下的文件名和路径名必须复制到RAM中再处理,而根目录或者当前目录下的文件名可以在RAM或者ROM中 */
        printf("buf:%s\n",buf);
        s = CH376FileOpenPath( buf );  /* 打开文件,该文件在C51子目录下 */
        if ( s == ERR_MISS_DIR || s == ERR_MISS_FILE ) {  /* 没有找到目录或者没有找到文件 */
            /* 列出文件,完整枚举可以参考EXAM13全盘枚举 */
            if ( s == ERR_MISS_DIR ) strcpy( buf, "\\*" );  /* C51子目录不存在则列出根目录下的文件 */
            else strcpy( buf, "\\C51\\CH376*" );  /* CH376HFT.C文件不存在则列出\C51子目录下的以CH376开头的文件 */
            printf( "List file %s\n", buf );
            s = CH376FileOpenPath( buf );  /* 枚举多级目录下的文件或者目录,输入缓冲区必须在RAM中 */
            while ( s == USB_INT_DISK_READ ) {  /* 枚举到匹配的文件 */
                CH376ReadBlock( buf );  /* 读取枚举到的文件的FAT_DIR_INFO结构,返回长度总是sizeof( FAT_DIR_INFO ) */
                pDir = (P_FAT_DIR_INFO)buf;  /* 当前文件目录信息 */
                if ( pDir -> DIR_Name[0] != '.' ) {  /* 不是本级或者上级目录名则继续,否则必须丢弃不处理 */
                    if ( pDir -> DIR_Name[0] == 0x05 ) pDir -> DIR_Name[0] = 0xE5;  /* 特殊字符替换 */
                    pDir -> DIR_Attr = 0;  /* 强制文件名字符串结束以便打印输出 */
                    printf( "*** EnumName: %s\n", pDir -> DIR_Name );  /* 打印名称,原始8+3格式,未整理成含小数点分隔符 */
                }
                xWriteCH376Cmd( CMD0H_FILE_ENUM_GO );  /* 继续枚举文件和目录 */

                s = Wait376Interrupt( );
            }
        }
        else {  /* 找到文件或者出错 */
            TotalCount = 200;  /* 准备读取总长度 */
            printf( "从文件中读出的前%d个字符是:\n",(UINT16)TotalCount );
            while ( TotalCount ) {  /* 如果文件比较大,一次读不完,可以再调用CH376ByteRead继续读取,文件指针自动向后移动 */
                if ( TotalCount > sizeof(buf) ) i = sizeof(buf);  /* 剩余数据较多,限制单次读写的长度不能超过缓冲区大小 */
                else i = TotalCount;  /* 最后剩余的字节数 */

                s = CH376ByteRead( buf, i, &RealCount );  /* 以字节为单位读取数据块,单次读写的长度不能超过缓冲区大小,第二次调用时接着刚才的向后读 */
                                
                TotalCount -= (UINT8)RealCount;  /* 计数,减去当前实际已经读出的字符数 */
  
                for ( s=0; s!=RealCount; s++ ) printf( "%C", buf[s] );  /* 显示读出的字符 */
                    //printf("%s",buf);
                if ( RealCount < i ) {  /* 实际读出的字符数少于要求读出的字符数,说明已经到文件的结尾 */
                    printf( "\n" );
                    printf( "文件已经结束\n" );
                    break;
                }
            }
            printf( "Close\n" );
            s = CH376FileClose( FALSE );  /* 关闭文件 */

        }

UnknownUsbDevice:
        printf( "Take out\n" );
        while ( CH376DiskConnect( ) == USB_INT_SUCCESS ) {  /* 检查U盘是否连接,等待U盘拔出 */
            usleep( 1000*100 );
        }
        usleep( 1000*100 );
    }
}

好了，这节内容就到此结束了。有关FAT文件系统部分内容，建议大家自己搜索相关资料，对它进一步了解，对程序的理解很有好处。谢谢大家！