Контроллер флэш памяти с интерфейсом USB

KiT#50(6)_web.qxd
136
9/5/2005
www.finestreet.ru
5:30 PM
Page 136
компоненты
микроконтроллеры
Контроллер флэш!памяти
с интерфейсом USB
Олег ВАЛЬПА
sandh@narod.ru
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. 2
Рис. 1
Существует также отдельная группа флэшпамяти 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 USB 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
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 '2005
KiT#50(6)_web.qxd
9/5/2005
5:30 PM
Page 137
микроконтроллеры
компоненты
137
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.
Рис. 4
При этом цена микросхемы составляет всего $1,7. Единичные образцы данного контроллера можно заказать на сайте компании-производителя (w
ww
.sigmatel.com).
Контроллер имеет две модификации:
STBD2010 и STBD2011. 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 STBD2010/2011
имеет встроенный интерфейс USB и полностью совместим со спецификацией USB 2.0
для высокоскоростных операций. Он обеспечивает управление микросхемами флэш-памяти с архитектурой NAND. 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-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 '2005
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 МE/2000/XP.
Кроме того, для более ранней версии Windows
98 SE на сайте компании w
ww.
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 7\7 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. Эксплуатационнотехнические
характеристики микросхемы
Значение
Параметр
Рабочий температурный
диапазон, °C
Температура хранения, °C
Напряжение источника питания, B
Напряжение питания
входоввыходов, B
Напряжение питания ядра, B
Ток потребления
в рабочем режиме, мА
Ток потребления
в режиме ожидания, мА
Мини!
Макси!
мальное Типовое мальное
0
–
70
–40
4,35
–
5,0
125
5,25
2,97
3,3
3,6
1,62
1,8
1,98
100
120
160
1
1,5
2,5
KiT#50(6)_web.qxd
9/5/2005
5:30 PM
Page 138
компоненты
138
микроконтроллеры
Таблица 2. Перечень элементов
Поз.
обозна!
чение
BQ1
C1, C4–C6
C2, C3
CP1
D1
D2
L1
R1, R2
R3
R4–R6, R8
R7
HL1
X1
Рис. 6
SA1
Практическая реализация
Принципиальная электрическая схема устройства, разработанная автором данной статьи, приведена на рис. 7.
В этой схеме используется описанная выше микросхема контроллера D1 и всего одна
микросхема флэш-памяти D2.
Перечень элементов устройства с указанием типа применяемых электронных компонентов, их номиналов и типов корпусов приведен в таблице 2.
Вместо микросхемы флэш-памяти D2 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 USB через разъем X1. Элементы L1, CP1 и C1 обеспечивают фильтрацию этого напряжения по высокой и низкой
частоте. Контроллер D1 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
C4–C6. Переключатель SA1, который управляет выводом GP1 контроллера, позволяет запретить запись в микросхемы памяти с целью
защиты информации от стирания. Вывод контроллера GP0 управляет через ограничительный резистор R7 светодиодом HL1, отвечающим за индикацию режима работы контроллера (хранение-обращение). Резисторы R1
и R2 обеспечивают согласование входов контроллера с дифференциальными сигналами
Наименование
Резонатор кварцевый 24000 кГц
ЧИПконденсаторы 0805
0,1 мкФ
22 нФ
ЧИПконденсатор электролитический
KVE6,310
Микросхемы
STBD2011N
K9K2G08UXMY
ЧИПиндуктивность 1812 100 мкГн
ЧИПрезистор 0805
45 Ом±5%
620 Ом±1%
10 кОм±5%
510 Ом±5%
ЧИПсветодиод KP1608
Соединители
Вилка USB A4 на плату,
тип A (USB A1J)
Переключатель типа SS22
Кол. Приме!
чание
1
HC49
4
2
1
10 мкФ
6,3 В
1
1
1
QFN48
TSOP48
2
1
4
1
1
1
1
DM и DP интерфейса USB. 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 C2
и C3 обеспечивает формирование задающей
частоты контроллера 24 МГц.
Схема не требует наладки и при правильной
сборке начинает работать сразу при подключении устройства к интерфейсу USB 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.
■
Рис. 7
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 '2005