U盘芯片

智能仪器作业

U盘原理

一、U盘的结构。

U盘的结构基本上由五部分组成：USB端口、主控芯片、FLASH（闪存）

芯片、PCB底板、外壳封装。其中USB端口负责连接电脑，是数据

输入或输出的通道；主控芯片负责各部件的协调管理和下达各项动作

指令，并使计算机将U盘识别为“可移动磁盘”，是U盘的“大脑”；

FLASH芯片与电脑中内存条的原理基本相同，是保存数据的实体，其

特点是断电后数据不会丢失，能长期保存；PCB底板是负责提供相应

处理数据平台，且将各部件连接在一起。

1、USB端口：

常见的USB端口有以下几种：

USBA型插座引脚分布USBA型插头引脚分布

USBB型插座引脚分布USBB型插头引脚分布

USBmini-B插座引脚分布USBmini-B插头引脚分布

U盘接口上一般都有四条线：电源线、地线、两根信号线。

2、主控芯片：

此款U盘我们采用安国出产的芯片：AU9380。对于此款芯片有几个特

性要介绍一下：（以下摘自AU9380的技术手册第6页）

“1、Supportupto4NANDFlashmemorychipswith

write-protectedcapability；

2、Runsat12MHz,built-in48MHzPLL；

3、Built-in3.3Vregulator；”

这说明了几点：该款芯片能够自动提供稳压电源3.3V，支持多达4个

NAND闪存芯片与写保护功能，另外外加晶振是12MHz。有了以上三个

特性和以下的引脚功能就可以构造我们基本的电路。引脚功能如下：

3、flash芯片：

这里采用K9F5608。这是一款32M8位数据宽度的存储芯片。关于该芯

片的一些重要引脚功能如下（摘自K9F5608芯片手册第5页）

“CommandLatchEnable(CLE)

TheCLEinputcontrolstheactivatingpathforcommandsnttothe

tivehigh,commandsarelatched

intothecommandregisterthroughtheI/Oportsontherisingedgeof

theWEsignal.

AddressLatchEnable(ALE)

TheALEinputcontrolstheactivatingpathforaddresstotheinternal

sarelatchedontherisingedgeofWE

withALEhigh.

ChipEnable(CE)

goeshigh

duringareadoperationthedeviceisreturnedtostandbymode.

However,whenthedeviceisintheBusystateduringprogramor

era,CEhighisignored,anddoesnotreturnthedeviceto

standbymode.

WriteEnable(WE)

TheWEinputcontrolswritestotheI/ds,address

anddataarelatchedontherisingedgeoftheWEpul.

TheWEmustbeheldhighwhenoutputsareactivated.

ReadEnable(RE)

TheREinputistherialdata-outcontrol,andwhenactivedrives

thedataontotheI/validtREAafterthefallingedge

ofREwhichalsoincrementstheinternalcolumnaddresscounter

byone.

GND(Pin#6)

ConnectthisinputpintoGNDorttostaticlowstateunlessthe

quentialreadmodeexcludingspareareaisud.

I/OPort:I/O0~I/O7

TheI/Opinsareudtoinputcommand,addressanddata,andto

/Opinsfloattohigh-z

whenthechipisdelectedorwhentheoutputsaredisabled.

WriteProtect(WP)

TheWPpinprovidesinadvertentwrite/eraprotectionduring

ernalhighvoltagegeneratorisretwhen

theWPpinisactivelow.

Ready/Busy(R/B)

TheR/

low,itindicatesthataprogram,eraorrandomreadoperationis

open

drainoutputanddoesnotfloattohigh-zconditionwhenthechip

isdelectedorwhenoutputsaredisabled.”根据以上信息和主控

芯片的资料可以连接二者的电路。

对于U盘的其他结构不再多讲了，还提一下电路图中有多个滤波除噪

电路，保证整个电路工作在稳定的环境下。

二、U盘的原理：

U盘的基本工作原理比较简单，具体如下:

当Ｕ盘连接到电脑主机的USB接口中，电脑USB接口的5V电压

通过U盘的USB接口的供电针脚为U盘供电电路提供供电，产生VCC

电压。接着USB接口电路中的USB插座的数据输入针脚为高电平，而

数据输出引脚为低电平:当电脑主板的USB模块检测到数据线上的一

高一低电平信号后，就认为USB设备连接好，向USB设备发出准备好

信号。接着U盘的主控芯片调取存储器中的基本信息及文件信息，通

过USB接口发送给电脑主机的USB总线，电脑主机接收数据后，就会

提示发现新硬件，并开始安装U盘的驱动程序。驱动程序安装完成之

后，接着用户就看见U盘存储器中的文件了。

当用户向U盘中存储数据文件时，主控芯片首先检测其写保护端

口的电平信号。若写保护端口为高电平信号，则主控芯片接着向闪存

芯片发送一个读写信号，接着闪存将数据存入其中。若写保护端口为

低电平信号，则主控芯片向闪存芯片发送一个写保护信号，闪存将拒

绝数据的存储。U盘在与主机交互时遵循一定的通信协议。

上面所说的U盘是通过描述符实现的，USB描述符主要包括：设备描

述符，配置描述符，接口描述符，端点描述符等。当U盘插入主机

时，主机首先就会要求对方把它的设备描述符传回来，这些设备描述

符中就包含了设备类型及制造商信息。又如传输所采用的协议是由接

口描述符确定，而传输的方式则包含在端点描述符中。

USB设备分很多类:显示类,通信设备类,音频设备类,人机接口类,海

量存储类。特定类的设备又可分为若干子类,每一个设备可以有一个

或多个配置，配置用于定义设备的功能。配置是接口的集合，接口是

指设备中哪些硬件与USB交换信息。每个与USB交换信息的硬件是一

个端点。因些，接口是端点的集合。usb设备的结构从上到下依次为：

用户-->应用程序-->usb驱动程序-->usbcore-->usb主控制器

-->usb设备-->接口(多个)-->端点(多个)

U盘属于海量存储类。USB海量存储设备又包括通用海量存储子

类,CDROM,Tape等，U盘实际上属于海量存储类中通用海量存储子类。

通用海量存储设备实现上是基于块/扇区存储的设备。

USB组织定义了海量存储设备类的规范，这个类规范包括4个独立的

子类规范。主要是指USB总线上的传输方法与存储介质的操作命令。

海量存储设备只支持一个接口,即数据接口,此接口有三个端点Bulk

input,Bulkoutput,中断端点。这种设备的接口采用SCSI-2的直接

存取设备协议,USB设备上的介质使用与SCSI-2以相同的逻辑块方式

寻址。

对于Flash的读写：针对NANDFlash读写的特点再结合时序图（手

册上16页~30页都是关于操作的时序图），特别是其可随机读，但无法

随机写的问题，需要通过设置缓冲区来解决。在与USBHost进行数

据交换的过程中，最小的单位是扇区：512字节。由于NANDFlash在

写之前必须先擦除，而一擦又必须擦一个Block，因此在擦除某Block

之前必须保存同一个Block中有关扇区的数据。因此，如果每收到一

个扇区的内容就进行一次擦、保存、写的操作，系统任务将十分繁重，

无法及时响应USBHost端的请求。因此，在系统中设置32K的缓冲

区，每完成一次数据传输后，记下本次要写的开始扇区和总扇区数，

将本次要写的数据所涉及的扇区以外的数据从NANDFlash中读出来，

存放在缓冲区中对应位置，然后擦除一个Block，再将缓冲区中内容

一次全部重新写入NANDFlash。

三、电路中各个模块电路的解析：

1、滤波稳压供电电路模块

图1图2

图中的磁珠是用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还

具有吸收静电脉冲的能力。

图3

该图的VCC是从主机的USB插座得来的，但是担心电压有一些干扰，

所以通过左边的滤波稳压得到真正的VCC（5V），同样从主控芯片

VCCIO输出的是3.3V电压经过稳压滤波得到稳定的VCC3.3。

另外图3的一个注意点便是当U盘插入主机时，主机便可检测出

USB-DP引脚是高电平，USB-DM低电平，这就表示有设备在USB

总线，进而执行接下去的动作-----读取U盘信息。

2、主控芯片电路模块

该芯片的连接是根据AU9380的技术手册连接的。这里不再赘述。这

里的21管脚是检测flash芯片是否处于忙状态。如果忙的话flash的

R/nB端是低电平，则21引脚是低电平，否则不检测的话是保持在高

电平状态下。

3、flash芯片模块：

这是根据前面说的连接的，注意flash的供电是依靠VCC2FM。对于

那些重要的引脚连接参看前面的主控芯片的引脚分配说明。

4、晶振电路和LED工作灯模块：

电路外加晶振12MHz，主控芯片内部有PLL，将其倍频，同时提供

给flash频率。

以上就是U盘原理图的各模块解析。

除了硬件外还得有软件，这里省略。

以下附录U盘完整原理图