凌阳USB to SATA Bridge-SPIF216的综合应用 (毕业论文60页、21542字)

摘要：本论文是在串行革命者USB和Serial ATA已经先后取得成功之后提出来的一个综合应用。凌阳科技推出的USB to Serial-ATA Device桥接控制晶片SPIF216A，以应硬盘与光驱接口转换到高速串行接口Serial-ATA之市场需求。凌阳SPIF216A除了标准USB-SATA桥接功能外，更提供密码保护等多种附加功能，符合客制化需求，可加快储存媒体产品升级速度。SPIF216A均可支援各大厂品牌SATA的硬碟，整体外接硬碟的存取速度与性能较传统USB-IDE的晶片更好，不仅耗电量低，提供了更高的资料传输速度，且USB端与SATA端皆可支持热插拔功能。SPIF216A除提供密码保护等附加功能并拥有完整的API、Demo Source Code等范例；预留特殊介面，供SATA新增指令集时扩充使用，以因应客户不同设计。SPIF216A除支援USB全速(12Mbps)与高速(480Mbps)传输模式，更可适用在Window、Linux、Mac 10等不同作业系统。

关键词： USB；Serial ATA；SATA；SPIF216A；API；密码保护
The Synthetic Application of USB to SATA Bridge-SPIF216A of Sunplus Technology

Abstract：This thesis proposed a comprehensive application, after the serial revolutionaries USB and SATA attained success successively. In order to satisfy the market requirement of changing the interface of the hard disks and optical disk devices from Parallel-ATA to Serial-ATA, SPIF216A, which is the USB to Serial-ATA Device bridge connected chip, was released by Sunplus Technology Co., Ltd. SPIF216A has the standard function of USB-SATA bridge connection, furthermore, provides the password protection and various additional functions, so as to match customize requirement to speed up the products of storage media upgrade. SPIF216A can support the SATA hard disk of any famous brand. The speed of the whole extended hard disk is higher than the USB-IDE chips of ordinary function, not only has lower power consumption, provides a higher speed for transmitting data, but also both USB and SATA ports support hot plug. Besides the additional function of password protection, SPIF216A holds the complete paradigm of API, Demo Source Code and so on, and take specific interfaces for new instruction set of SATA, in order to tackle the different design customers. SPIF216A supports USB full speed (12Mbps) and high speed (480Mbps) transmission mode, in addition, it is more applicable in Window 98/ME/2K/XP/2003, Linux, and Mac OS 10 platforms .

Keyword:   USB, Serial ATA, SATA, SPIF216A, API, password protect
 
目  录

第1章  绪  论 1
1.1  课题背景、目的及意义 1
1.1.1  课题的背景 1
1.1.2  课题的目的 2
1.1.3  课题的意义 3
1.2  设计将要达到的技术要求 3
1.3  论文的主要内容 3
第2章  USB和SATA简介 4
2.1  USB简介 4
2.1.1  USB诞生 4
2.1.2  USB系统组成 5
2.1.3  USB通信流 6
2.1.4  USB的传输方式 8
2.1.5  USB交换的包格式 9
2.2  SATA简介 13
2.2.1  SATA的由来 13
2.2.2  SATA规范分析 14
第3章  利用SPIF216A实现USB到SATA桥接 22
3.1  系统组成 22
3.2  SPIF216A功能介绍 22
3.2.1  SPIF216A功能总述 22
3.2.2  SPIF216A功能特点 23
3.2.3  SPIF216A内部结构 24
3.2.4  SPIF216A管脚介绍 24
3.3  系统原理图 25
3.3.1  电源模块 25
3.3.2  硬件复位模块 26
3.3.3  时钟电路模块 27
3.3.4  SPIF216A主体电路 27
3.3.5  接口模块 28
3.3.6  外部FLASH 29
3.3.7  外部EEPROM 29
3.3.8  其它 30
3.4  PCB绘制 30
3.4.1  生成网表 导入网表 30
3.4.2  元件布局与布线 30
3.4.3  验证设计 32
3.5  焊接调试 33
第4章  用VC编程实现SPIF216A对硬盘加密 35
4.1  SATA的安全机制 35
4.2  SPIF216A  API编程向导 35
4.2.1  BOOL GetSecurityStatus函数 35
4.2.2  BOOL SecuritySetPassword函数 36
4.2.3  BOOL SecurityUnlock函数 37
4.2.4  BOOL SecurityDisablePassword函数 37
4.3  程序的实现 37
4.3.1  程序流程图 37
4.3.2  VC程序功能模块 38
4.4  其它 40
结  论 42
致  谢 43
参考文献 44
附录Ⅰ： 45
附录Ⅱ： 47
 
第1章  绪  论
1.1  课题背景、目的及意义
1.1.1  课题的背景
随着PC技术的飞速发展，数据存储设备也在不断地更新换代。就大家熟悉的硬盘而言，自1959年诞生以来经历了翻天覆地的变化。第一套硬盘系统由IBM设计生产，容量只有5MB(Megabyte)，而体积却非常庞大，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，那时主要用于飞机预约、自动银行、医学诊断及太空领域内，普通用户是不可能用得到。随后的几十年间，由于市场的迫切需求推动了硬盘技术不断推陈出新，直到有了近代被大家追捧的IDE(Integrated Device Electronics)硬盘。IDE硬盘不只是容量大、体积小，而且还十分稳定；但是由于其数据传输线的硬伤导致了IDE硬盘数据传输速度难以得到继续提升，最终结束了它十多年的统治地位。取而代之的是速度更高、容量更大、接口更为简单并支持热插拔的SATA（Serial ATA）硬盘。
回顾硬盘五十多年的发展历史，其成长经历可以归纳为四个方面的技术发展。第一个技术是盘片技术，第二个是磁头技术，第三个是电机技术，第四个则是接口技术。SATA则是第四项技术的产物。IDE硬盘采用并行接口，其数据线最长可以达到45cm，能支持的数据传输率最高为133MBps（Megabytes per second），一台PC最多可以管理四个IDE设备，且分Master和Slave，两者共享带宽，不支持热插拔；与之不同的SATA硬盘则采用串行总线，数据线长度最长可以支持到2m，第一代的数据传输速度为1.5Gbps( Gigabits per second)，第二代为3Gbps，第三代为6Gbps，并且是点对点传输，不再受端口多少的限制，也不再区分Master和Slave，每个SATA设备独享带宽，并且支持热插拔。
随着当前硬盘的数据传输速率越来越高，传统的并行ATA接口日益逐渐暴露出一些设计上的缺陷，其中最致命的莫过于并行线路的信号干扰问题：随着接口工作频率的提升，数据线路中电气性质的任何差异都可能令各线路的时钟信号不匹配，从而导致数据到达时间不一致，甚至造成数据传输错误；此外，当数据在数据线中传递的时候，并行ATA的数据线就会因为线缆的长度和电压的变化而形成一个不断变化的电磁场，进而影响到其它数据线中的数据传递，这种干扰的影响会随着总线频率的提升逐渐增大，而这些都是并行ATA所无法克服的设计上的缺陷。
为避免上述问题，不得不在旧有的40Pin排线的基础上增加了40根屏蔽地线，实践证明，这种设计是成功的，但随着ATA-100再度将总线时钟频率升至25MHz，信号干扰现象又开始变得严重起来。 在继续改造线路不太现实的情况下，Seagate和Intel所倡导的SATA接口几乎成为IDE设备物理接口的唯一可行化解决方案。
而正当SATA在取代IDE的时候，USB(Universal Serial Bus)早已发展成熟。USB的对象最初瞄准的是诸如调制解调器、扫描仪、键盘、个人数字助理（PDA）、鼠标、操纵杆等这样的低速设备。通过不断的发展，USB已能胜任更高速度的数据传输，因此使用的范围也逐步扩大到了如外置大容量存储器、数码相机、视频系统等这样需要大量传输数据的外部设备当中去。
在这些基础上，凌阳科技（SUNPLUS Technology）推出了一系列的和SATA相关的接口芯片，从数据安全角度入手并且借势USB技术的发展，其中的SPIF216- A不仅能够实现USB到SATA桥接，并且还能够支持硬盘数据加密。
1.1.2  课题的目的
该课题能成功地解决SATA硬盘和PC机互联的问题。在稍微旧一些的母板上没有SATA数据接口，如果要接SATA硬盘那么就需要用扩展板卡来扩展，或者是通过已有的接口资源如USB接口来转接SATA设备。相对而言，USB接口转接SATA设备拥有许多扩展卡不具备的优点，比如便携性、通用性等等，况且USB还支持热插拔，不用重新启动操作系统就可以方便地添加和移除设备，方便至极，而且电路设计会简化许多，自然成本也相当低，设备接口也非常简单。
该课题除了能解决SATA硬盘和PC机互联之外还能解决硬盘数据的安全问题。随着人们对识产权保护意识的增强，某些个人的劳动成果可能不希望被别人轻易获得，那么该方案成功地解决了该问题。不用再为移动存储设备泄密而烦恼，只要没有密码，那么想要获取硬盘内的数据绝非易事。如果用户不小心记不住密码了也没有太大的关系，在该设计中对这种情况已经加以考虑，可以给SPIF216A外接一颗I2C接口的EEPROM（如24C02），以用来备份用户的密码，当然如果用户密码毫无修改地写入EEPROM那么意义也不大，因为很容易就被别人读出来导致加密失败。用户可以简单地把自己地密码再编一次码，举个简单例子把所有密码的所有位取反，那么别人读出来的密码就不再是真正的密码了，这样做可以保证用户的数据万无一失。EEPROM还能够存储客制化的一些信息，如PID、VID、产品描述符等等，把凌阳的产品变成自己的产品。另外SPIF216A还能提供8个GPIO（General Purpose Input/Output），并且提供相应的API（Application Program Interface），供用户做个性化设计，比如做一键还原或者其它用户喜好的东西；SPIF216A还能扩展一个大至1MB的FLASH存储器，该FLASH可以被虚拟成一个光驱，即虚拟光驱，其内部数据制作也可以客制化，比如最简单的就是把SPIF21- 6A加密程序放进去，在任意PC上都可以对硬盘数据做到最有效的保护。
1.1.3  课题的意义
该课题涉及到了1.5Gbps的高速电路的设计，然而从成本角度考虑这样的电路最终会在双面电路板上实现，从而使得设计的难度大大提高，因而在电路设计的时候要十分谨慎。另外需要对VC++有一个深入地了解，通过由凌阳提供的SPIF216A的API编程实现对硬盘数据的加密保护。所以该课题既能从软硬两个方面锻炼设计者，又有很好的应用前景，具有相当大的实际应用意义。
1.2  设计将要达到的技术要求
该设计的USB端应该满足USB 2.0 HIGH SPEED的要求，即满足480Mbps的传输率，且向下兼容；SATA端应满足SATA 1.0规范的规定，如支持热插拔、数据传输速率达到1.5Gbps等等。能在Window 98/ME/2K/XP/2003 , Linux 以及Mac OS 10等多种操作系统平台下使用。
1.3  论文的主要内容
论文的第二章主要介绍USB和SATA相关内容，第三章介绍SPIF216A从硬件上实现从USB到SATA桥接，包括详细的原理图设计以及印制电路板（PCB）设计。第四章详细介绍使用VC++编程实现在Windows操作系统下对硬盘数据加密。第五章对论文总体有一个综合性的总结