Контроллер флэш памяти с USB интерфейсом Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

136

www.finestreet.ru

компоненты

микроконтроллеры

Олег ВАЛЬПА

sandh@narod.ru

Контроллер флэш-памяти

с интерфейсом USB

В данной статье кратко описаны преимущества современных флэш-дисков и рассматривается микросхема контроллера, на основе которой можно создавать устройства флэш-памяти с интерфейсом USB. Кроме того, автор данной статьи предлагает собственный вариант практической реализации такого устройства.

Введение

В настоящее время устройства флэш-памяти приобрели большую популярность и завоевали всеобщее признание пользователей персональных компьютеров. Это стало возможно благодаря таким качествам накопителей данного типа, как компактность, малое энергопотребление, большой объем памяти, отсутствие движущихся частей, высокая надежность и простота использования. Самое широкое распространение получил вариант исполнения «memory stick» — память-палочка (рис. 1).

Кроме того, флэш-диски выпускаются в виде брелоков, авторучек, складных ножей, зажигалок, пластиковых карточек, наручных часов и т. п. (рис. 2).

Подобные варианты исполнения появились ради удобства пользования, для того, чтобы флэш-память была всегда под рукой, скрытно размещаясь в привычных предметах нашего быта. Все эти устройства имеют встроенный интерфейс USB, который обеспечивает связь флэш-диска с компьютером для записи и чтения данных. Флэш-диски гораздо удобнее и практичнее привычных, но морально устаревающих дискет, не говоря уже о гораздо большем объеме памяти и надежности хранения информации, чем у последних.

Рис. 1

Существует также отдельная группа флэш-памяти в виде карточек, которые являются сменными носителями информации и вставляются в цифровые фотоаппараты, видеокамеры и даже в сотовые телефоны. К их числу относятся такие карточки, как CF (Compact Flash), MMC (Multi Media Card), SD (Secure Digital), XD (XD-Picture Card) и др. Эти накопители информации не имеют встроенного интерфейса USB и поэтому для связи с компьютером используют интерфейс устройства, в которое они включаются. Как правило, это тот же интерфейс USB или FireWire. Кроме того, для удобства пользования такими карточками уже созданы различные адаптеры, имеющие интерфейс USB для подключения к компьютеру и соединители для подключения флэш-карточек (рис. 3).

Рис. 3

Благодаря таким адаптерам флэш-карточки могут быть использованы как миниатюрные автономные носители информации с объемом памяти в сотни мегабайт.

Несмотря на то, что в настоящее время в мире существует множество производителей флэш-дисков и всевозможных адаптеров для флэш-карточек, продолжается разработка новых видов и вариантов исполнения данных устройств. И на то есть веские причины. Все чаще и все большему количеству людей приходится работать с информацией. Это и обычные электронные документы, создаваемые в редакторах, и справочные данные, и различная конфиденциальная информация в виде логических имен и паролей для электронных почтовых ящиков и т. п. Кроме информации, флэш-диски могут хранить разные полезные программы, сканированные документы, электронные фотографии, музыку и даже фильмы. А присутствие интерфейса ШВ практически во всех современных компьютерах и его высокая скорость передачи данных позволяют сделать перенос информации с помощью флэш-дисков простой, удобной и быстрой операцией.

Многие отечественные предприятия, занимающиеся разработкой и производством электронной техники, могут наладить собственное производство подобных флэш-накопителей или внедрять их в собственные изделия. Ведь в настоящее время стоимость комплектующих для флэш-диска объемом 128 Мбайт составляет уже около $10, в то время как рыночная цена такого изделия может превышать $20. Кроме того, многочисленная армия

микроконтроллеры

любителей электроники вполне может самостоятельно изготовить простейший вариант флэш-диска для собственных нужд.

В связи с этим в рамках данной статьи автор предлагает рассмотреть собственный вариант практической реализации флэш-диска на основе одного из специализированных котроллеров флэш-памяти.

Обзор контроллеров

В настоящее время существует несколько производителей контроллеров флэш-памяти с интерфейсом USB 2.0 (USB 2.0 Flash Drive Controller). Например, компания Genesys Logic производит контроллер GL814E, а фирма SMSC — USB97C242. В начале 2004 года фирма Sigmatel анонсировала новый контроллер флэш-памяти STBD2010. В отличие от вышеназванных, данный контроллер максимально интегрирован и включает в себя все необходимые компоненты для построения готового устройства флэш-памяти с минимальным набором внешних элементов. Кроме того, он имеет современный малогабаритный корпус (рис. 4), что позволяет создавать на его основе миниатюрные устройства памяти.

USBÎ

Voltage

Regulators

PLL

High

Performance

Microcontroller

3,3 В 1,8 В

НОН

24 МГц

При этом цена микросхемы составляет всего $1,7. Единичные образцы данного контроллера можно заказать на сайте компании-производителя (www.sigmatel.com).

Контроллер имеет две модификации: 8ТБ02010 и 8ТБ02011. Последняя модификация имеет некоторые преимущества перед первой. Поскольку обе модификации контроллеров имеют одинаковую структуру и полностью совместимы по выводам корпуса, здесь приводится обзор для обеих моделей контроллера с указанием отличий.

Вначале рассмотрим основные характеристики контроллера. Контроллер 8ТБ02010/2011 имеет встроенный интерфейс ШВ и полностью совместим со спецификацией ШВ 2.0 для высокоскоростных операций. Он обеспечивает управление микросхемами флэш-памяти с архитектурой ЫЛЫБ. Имея очень маленький размер корпуса, контроллер позволяет создавать устройства с миниатюрными размерами. Встроенный в контроллер интерфейс внешней флэш-памяти обеспечивает обслуживание от одной до четырех микросхем памяти с 8- и 16-битной организацией шины данных. Объем каждой из четырех микросхем памяти может достигать 2 Гбит. Таким образом, суммарный объем поддержи-

Рис. 5

ваемых контроллером микросхем памяти может достигать 8 Гбит. Контроллер обладает свойством автоматического конфигурирования типа памяти и обеспечивает поддержку следующих типов микросхем флэш-памяти:

• флэш-память NAND с технологией Binary или SLC (Single Level Cell);

• флэш-память NAND с технологией MLC (Multi-Level Cell) (только STBD2011);

• флэш-память AG-AND (только STBD2011). К числу изготовителей подобных типов

микросхем памяти относятся такие известные фирмы, как Samsung, Toshiba, SanDisk, ST Microelectronics и др.

Контроллер обладает блоком аппаратной коррекции ошибок (ECC), что обеспечивает достоверность переносимых данных без необходимости дополнительной программной обработки данных.

Встроенный в контроллер регулятор напряжения обеспечивает подключаемые микросхемы флэш-памяти необходимым для них напряжением питания 3,3 и 1,8 В без использования внешних стабилизаторов напряжения и других дополнительных элементов. Входным источником питания для контроллера служит источник напряжения 5 В интерфейса USB.

Для синхронизации всех процессов внутри контроллера имеется встроенный синтезатор частот, который работает совместно с внешним кварцевым резонатором, задающим тактовую частоту 24 МГц.

Контроллер STBD2010/2011 не требует никакого дополнительного программного обеспечения в своей работе и допускает использование на компьютерах с операционными системами MAC OS, Windows ME/2000/XP. Кроме того, для более ранней версии Windows 98 SE на сайте компании www.sigmatel.com свободно доступен драйвер контроллера STBD2010/2011.

Рассмотрим структурную схему контроллера (рис. 5).

Как видно из структуры контроллера, в его состав входят блоки для поддержки интерфейса USB и работы с флэш-памятью. Протокол

интерфейса USB и флэш-памяти поддерживается встроенным микроконтроллером High Performance Microcontroller, который использует для своей работы встроенную постоянную память программ ROM и оперативную память RAM. Поддержка интерфейса USB осуществляется с помощью блока высокоскоростного приемопередатчика USB2.0 Hi-Speed Transceiver и устройства управления USB2.0 Hi-Speed Device Controller. Внутренний синтезатор частот PLL обеспечивает необходимую синхронизацию работы всех внутренних устройств с помощью внешнего кварцевого резонатора на 24 МГц. Блок GPIO обеспечивает внешнее управление и индикацию режима работы контроллера. Связь контроллера с флэш-памятью осуществляется через интерфейс памяти Flash Memory Interface. Встроенный регулятор напряжения Voltage Regulators формирует из входного напряжения 5 В, поступающего от интерфейса USB, необходимые для работы ядра контроллера и внешних микросхем памяти напряжения питания 3,3 и 1,8 В.

Контроллер выпускается в современном малогабаритном 48-выводном корпусе типа QFN размером всего 7x7 мм.

В таблице 1 приведены основные эксплуатационно-технические характеристики данной микросхемы.

Типовая структурная схема подключения микросхем памяти к контроллеру показана на рис. 6.

Таблица 1. Эксплуатационно-технические

характеристики микросхемы

Значение

Параметр Мини- мальное Типовое Макси- мальное

Рабочий температурный диапазон,°С 0 - 70

Температура хранения, °С -40 - 125

Напряжение источника питания, В 4,35 5,0 5,25

Напряжение питания входов-выходов, В 2,97 3,3 3,6

Напряжение питания ядра, В 1,62 1,8 1,98

Ток потребления в рабочем режиме, мА 100 120 160

Ток потребления в режиме ожидания, мА 1 1,5 2,5

138

компоненты I микроконтроллеры

STBD2010/2011

SM_CE3n SM_CE2n SM_CE1n SM CEOn

SM_D[0:7]

SM_D[8:15]

CE

Y

CE

CE

SM_ALE ALE CLE WE RE R/E

W

SM REn

SM_READY

I0[0:7] IO[8:15]

Рис. 6

Таблица 2. Перечень элементов

Поз. обозна- Наименование Кол. Приме-

чение

BQ1 Резонатор кварцевый 24000 кГц 1 HC-49

ЧИП-конденсаторы 0805

C1, C4-C6 0,1 мкФ _4“

C2, C3 22 нФ 2

CP1 ЧИП-конденсатор электролитический КУЕ-6,3-10 1 10 мкФ 6,3 В

Микросхемы

D1 STBD2011N ~Т~ QFN-48

D2 К9К2Э08иХМ-У 1 TSOP-48

L1 ЧИП-индуктивность 1812 100 мкГн 1

ЧИП-резистор 0805

R1, R2 45 Ом±5% ~г~

R3 620 Ом±1% 1

R4-R6, R8 10 кОм±5% 4

R7 510 Ом±5% 1

HL1 ЧИП-светодиод КР-1608 1

Соединители

X1 Вилка USB А-4 на плату, тип А ^В А-1.1) 1

SA1 Переключатель типа SS22 ~г~

Практическая реализация

Принципиальная электрическая схема устройства, разработанная автором данной статьи, приведена на рис. 7.

В этой схеме используется описанная выше микросхема контроллера Б1 и всего одна микросхема флэш-памяти Б2.

Перечень элементов устройства с указанием типа применяемых электронных компонентов, их номиналов и типов корпусов приведен в таблице 2.

Вместо микросхемы флэш-памяти Б2 может быть использована микросхема с меньшим объемом памяти. При использовании всех 16 разрядов ввода-вывода контроллера в устройстве можно применить микросхемы памяти с 16-разрядной шиной данных. Это повысит скорость обмена с микросхемами, но несколько усложнит топологию печатной платы.

Напряжение питания поступает на устройство от интерфейса ШБ через разъем XI. Элементы Ь1, СР1 и С1 обеспечивают фильтрацию этого напряжения по высокой и низкой частоте. Контроллер Б1 формирует из него напряжения питания 3,3 и 1,8 В, необходимые для питания ядра самого контроллера, а также для питания микросхем памяти. Дополнительную фильтрацию напряжений питания осуществляют блокировочные конденсаторы С4-С6. Переключатель БЛ1, который управляет выводом ОР1 контроллера, позволяет запретить запись в микросхемы памяти с целью защиты информации от стирания. Вывод контроллера СР0 управляет через ограничительный резистор R7 светодиодом НЬ1, отвечающим за индикацию режима работы контроллера (хранение-обращение). Резисторы R1 и R2 обеспечивают согласование входов контроллера с дифференциальными сигналами

БМ и ЭР интерфейса ШБ. Остальные резисторы устройства служат в качестве опорных сопротивлений, подтягивающих уровни сигналов контроллера к напряжению питания или к заземляющему потенциалу. Кварцевый резонатор BQ1 совместно с конденсаторами С2 и С3 обеспечивает формирование задающей частоты контроллера 24 МГц.

Схема не требует наладки и при правильной сборке начинает работать сразу при подключении устройства к интерфейсу ШБ компьютера. При первом подключении операционная система компьютера обнаружит новое устройство и произведет установку необходимых для его работы драйверов в автоматическом режиме. В дальнейшем устройство будет включено в состав компьютера в качестве сменного диска, с которым можно осуществлять любые операции чтения, записи и стирания информации, как с обычным жестким диском. ■

DM

DP

СР1^ ± _ Lei

. GND

OND-

c2_L !сэ

Твен

да

DM

АІ.Е

3V3

GP1

3V3

47

40

XTALI XTALO Flash CTRL DO D1

5VIN D2

DP D3

DM D4

GND D5

О WEn D6

ALE D7

CLE D8

О CEOn D9

О CE1n D10

О CE2n D11

С) СЕЗп D12

RDY D13

О REn D14

RES D15

TMCLK VddIO

GPO VddIO

GP1 VddIO

GP2 GND

VddC D1 GND

VddC GND

1 V8 C4| j

39 100

37 101

35 102

33 103

29 104

27 105

25 106

23 107

38

36

34

32

28

26

24

22

2U _ 3V3

45

ОМР

GP1

;6^T_3Z_ -Г із ^ 36

-Е —R -W AL CL —WP

Vdd

Vdd

Vss

Vss

FLASH

HL1

100

101

102

103

104

105

106 107

-RB

29 100

30 101

31 102

32 103

41 104

42 105

43 106

44 107

>7 * RDY

чжь

-TR7T-

TR8l— 3 SA1

GPO

Рис. 7