将 FatFs FAT 文件系统模块与 CH375/CH376 USB 控制器集成

Minh Danh Nguyen (ToughDev)

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2023 年 5 月 4 日

CPOL

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5072

如何将 FatFs FAT 文件系统模块与 CH375/CH376 USB 控制器集成

在最近的一个嵌入式项目中，我需要使用 dsPIC33EP512MC502 访问存储在 USB 闪存驱动器上的数据。您可能已经猜到，我选择的 PIC，尽管功能非常强大，但没有集成的 USB 控制器，需要我使用外部 USB 模块。经过一些研究，我决定选择 CH376，这是一种 8051 内核 USB 接口芯片，提供 SOP-28 和 SSOP-20 封装。支持三种主机接口模式，即 UART、SPI 和 8 位并行（仅限 SOP-28 封装）。 CH376 是 CH375 的后续产品，除了 USB 闪存驱动器外，还增加了对 SD 卡的支持。 CH375 通常用于构建 ISA 到 USB 的适配器，我已经在之前的文章中介绍过。

这是从数据手册中提取的 CH376S (SOP-28) 和 CH376T (SSOP-20) 的引脚排列。正如你所看到的，CH376T 中缺少并行引脚。

所需连接在数据手册的“功能描述”和“SPI 串行接口”部分中进行了描述，但为了方便起见，这里也将进行总结。要使用 SPI，请将 WR# 和 RD# 引脚接地（# 表示低电平有效引脚）。尽管数据手册还声明 PCS#/TXD#/RXD#/A0# 应连接到 VCC，但这些引脚已经具有内部上拉电阻，因此在 SPI 模式下不需要这些引脚的外部连接。还建议使用 5V 操作 CH376，因为在我的测试中，当在 3.3V 上运行 CH376 时，我遇到了一些奇怪的问题，而使用 5V 时不会发生这种情况。 CH376 还支持 SPI 中断（当输入数据可用时），可以通过专用引脚或通过 MISO 引脚，可以在初始化期间指定。

这是我使用的电路图

通过使用来自这个 Github 仓库的示例代码，通过在 SPI 初始化期间设置 CKE=CKP=SMP=1，我可以在发送 CMD_CHECK_EXIST 命令后快速从 CH376 检索到 SPI 响应。

SPI2CON1bits.CKE = 1;
SPI2CON1bits.CKP = 1;
SPI2CON1bits.SMP = 1;

接下来，我通过发送 CMD_DISK_MOUNT 命令安装了我的驱动器，该命令在包含单个 FAT16/FAT32 分区的 USB 闪存驱动器上运行良好，并且我能够从我的闪存驱动器中读取一个简单的文本文件。然而，经过一些实验，很明显，CH376 对读取/写入文件/目录的支持非常有限，缺乏文件复制、长文件名 (LFN) 支持等等。由于 CH376 支持原始扇区访问（通过 CMD_DISK_READ 和 CMD_DISK_WRITE），我决定将我的 CH376 库与 FatFs（一个通用的 FAT 文件系统模块）集成，以便更方便地管理 USB 驱动器上的文件。

默认情况下，FatFs 附带示例代码，用于使用 PIC 的集成 SPI 控制器与 SD 卡连接（文件 *mm_pic.h*、*diskio.h* 和 *diskio.c*），必须对其进行修改以允许输入源选择（SD 卡或通过 CH376 的 USB），并在必要时将数据路由到 CH376。为此，我将 setFatFsIsUsb 添加到 *diskio.c*

void setFatFsIsUsb(unsigned char isUSB)
{
    isUsingCH376 = isUSB;
}

当然，FatFS 初始化代码（以及其他内容）必须更改

DSTATUS disk_initialize(BYTE pdrv) {
    // SendUARTStr("disk_initialize");

    if (isUsingCH376)
    {
        // SendUARTStr("Init USB");
        return disk_initialize_usb();
    }
    else {
        // SendUARTStr("Init SD");
        return disk_initialize_sd(pdrv);
    }
}

需要注意的是，函数 disk_read() 和 disk_write() 也必须重写以允许 SD 和 USB 源。这是必需的，因为在读取/写入扇区数据时，FatFs 支持读取/写入任意数量的扇区，而 CH376 只能支持 1 个或 4 个扇区。因此，读取/写入（比如）3 个扇区的请求必须作为三个不同的请求发送。

DRESULT disk_read_usb (
	BYTE *buff,			/* Pointer to the data buffer to store read data */
	DWORD sector,		/* Start sector number (LBA) */
	UINT count			/* Sector count (1..128) */
)
{
    // CH376 only supports reading 1 or 4 sectors at the same time
    // But FATFS may read 3, we therefore read only 1 sector at a time 
    // for cases of 3 sectors.
    BYTE *buffPT = buff;
    UINT c = 0;
    UINT readCnt = 0;
    UINT cnt = 0;
    if (count == 1 || count == 4)
    {
        cnt = ch376_sectorRead(sector, count, buffPT);
        readCnt += cnt;
        buffPT += cnt;

        if (cnt != SECTOR_SIZE)
        {
            // read 0 bytes indicating error
            SendUARTStr("sctRdE1");
            return RES_ERROR;
        }
    }
    else {
        for (c = 0; c < count; c++)
        {
            cnt = ch376_sectorRead(sector + c, 1, buffPT);
            readCnt += cnt;
            buffPT += cnt;

            if (cnt != SECTOR_SIZE)
            {
                // read 0 bytes indicating error
                SendUARTStr("sctRdE2");
                return RES_ERROR;
            }
        }
    }

    return RES_OK;
}

尽管 CH376 也支持 SD 卡，可以通过类似于 USB 驱动器的方式访问 SD 卡，只需切换操作模式 (CMD_SET_USB_MODE)，但根据我的经验，通过 CH376 访问 SD 卡会消耗不必要的额外电流。因此，我直接使用我的 PIC 访问 SD 卡，并且仅使用 CH376 访问 USB 闪存驱动器。

通过这些更改，FatFs 函数现在可用于使用以下代码片段访问存储在我的 USB 驱动器上的文件

setFatFsIsUsb(TRUE);
SPI2STATbits.SPIEN = 1;
ch376_clearvars();
ch376_reset();                          

FRESULT res = f_mount(&fs, "", 1);
if (res == FR_OK)
{
   SendUARTStr("USB Mounted");
}

通过 FatFs 成功挂载驱动器后，您可以使用类似于 C 语言的函数（f_read、f_write、f_open、f_close 等）访问 USB 文件系统，而不必担心 CH376 上有限的文件系统支持。

您可以从这里下载完整的源代码以及 CH375 和 CH376 数据手册。我的代码改编自 Ch376msc 存储库，通过 SPI 初始化 CH376，并允许您仅使用 CH376 的扇区读取/写入命令来使用 FatFs 访问 USB 文件系统。为了简单起见，其他未使用的功能已被删除。

另请参阅

使用 CH375 ISA 到 USB 适配器在 8 位 ISA 总线上使用 USB 闪存驱动器