毕业论文-U盘的设计与开发

摘要 本项目主要内容是开发一个 求能实现一个市场上 够读取、能够保存、支持擦写。论文主要内容包括以下六个部分： 第一部分对 U 盘作一个初步的介绍，包括 U 盘、 发展历史， 应用领域等。 第二部分着重介绍了开发 单的介绍了其强大的功能、安装过程以及一些基本的使用，为在后期的 电路图、封装电路图、封装 第三部分详细介绍了 U 盘的运作原理、 输协议、组成原理、以及开发 第四部分根 据前面的基础画出电路图、制作电路板、锡焊芯片的过程、 成一个 最后部分是致谢、参考文献以及附录。 关键字： 芯片、 U 盘设计与开发毕业论文 1 目录 摘要 . I 第一章 . 1 么是 . 1 盘发展史 . 1 盘的用途 . 2 盘的发展趋势 . 2 第二章开发工具 介绍 . 3 解 . 3 解 . 4 第三章 . 6 盘原理 . 6 口介绍 . 6 3. . 6 盘原理 . 7 盘的文件系统与芯片 . 8 盘文件系统（ ） . 8 盘芯片介绍 . 9 第 四章 . 14 电路图及封装电路图 . 14 . 15 装及调试 . 15 致谢 . 19 参考文献 . 20 附录 . 21 第一章 U 盘 概述 么是 优盘只是 此也叫闪盘。最大的特点就是：小巧便于携带、存储容量大、价格便宜。是移动存储设备之一。 盘发展史 000 年首次面市，当时全球共有 5家企业拥有自有闪存盘品牌的销售，这 5家主要是以色列的 M 加坡 科优盘、鲁文易盘和韩国这五家推出的产品是有区别的， M 盘以及并没有实现闪存盘真正的 “ 移动存储 ” 的特点，而且当时这些厂家推出的闪存盘价格非常高，朗科优盘的 16000左右。鲁文推出的第一代闪存盘 无驱 ” 功能。无驱是指用户除了在 他的盘可即插即用，让用户真正地实现移动存储。 随着无驱型易盘面市，其他品牌也紧接其后，朗科 的第二代优盘也推出了无驱功能。随着消费者对闪存盘的认知度提高，消费者对闪存盘功能的需求也日益增多。鲁文公司在 2002 年初就推出了具有 “ 无驱、启动、硬加密 ” 功能三项功能于一体的 “ 三合一 ” 型 U 盘。此三合一 U 盘是指 U 盘除了具有无驱功能，还具有启动系统功能，可将 项功能使得软盘没有存在的意义了；值得一提的是“ 硬加密 ” 功能，此功能使得易盘具有私密性，用户必须键入正确的密码方可使用 样可以防止用户私密性的资料被其他人窃取。 U 盘已不仅仅具有存储功能，而具有了更多的个性化特色。 U 盘设计与开发毕业论文 1 盘 的用途 从只有几家生产厂家到现在数以万计，从几 甚至更大，从几百上千的价格 昂贵价格 到现在几十元，从有驱动到无驱动，正真实现可移动存储，这些到现都只不过短短的几年时间；相信你手中拥有至少一个的 主要由 外 ，那 怕这也正是好多朋友经常思考的一个问题吧。 最初 在已经很少使用了，不过还有可用之处，比如做成 动盘，放进去 具，来恢复 统，也很实用的，这很适合小 如 32盘。目前的好多主板都支持 启动，只要用专门的软件 ， 如 具，可以 直接 把 式的 镜像 系统 文件做成启动盘，安装操作系统。 盘的发展趋势 目前最典型和主流的方向是：在 U 盘存储空间上专门辟出一块很小的区域，预装(个软件系统，以其来实现系统引导、查杀病毒、信息加密等各类丰富的功能，甚至能使 U 盘在不同的 统里成为一个相对独立的系统，以跨平台特性来保护其数据的私密性；而其余主要的存储空 间，则用于存储数据。这种 U 盘在插入 统之后，往往就显示两个盘符，分别对应上述两个相互独立的区域。 如通过一个单色屏幕，在不必连接盘内的大约剩余容量，甚至能显示 过硬件设计上的多功能化，目前多数见诸于国际展会上，市面上并不多。多种附加功能设计，一些特殊的 某些用户群体应该有着较强的吸引力；类似查杀病毒、信息加密、平台独立性、容量显示等功能， 这些功能都 可能被将来的微型移动硬盘等设备所借鉴。消费者 面对的将不只是一个功能单调的资料存储工具，还将是一个用处多样、并且充满情趣的多功能存储平台。 U 盘设计与开发毕业论文 2 第二章 开发工具 解 电子设计自动化（ 件系统。其中包括三个主要部分： （ 1）锁定元件信息系统的原理图输入器（ （ 2）模拟和混合信号仿真（ ）和其高级分析（ （ 3）印刷电路板设计（ 成 件可与 与 计系统（ 接口，形成了完整的输入、分析、编辑和制造的全线电子设计自动化辅助 于它能够提供直观界面和具有丰富的特点，从而使其成为原理图设计输入的工业标准。 内置的元件高级文档管理系统 , 不仅提供 完整功能，更是提供了一个完美的 管理接口，它可以通过 口去连结不同 合 用这个功能全面的设计输入工具和管理环境，可以减少查找和手工输入元器件资料的时间及人为的错误，在绘图完成后可利用 择要压缩的相关档案类型及其文件名和路径也可把外部的档案如零件规格、相关程序代码等等一起压缩成 ，在项目的管理和备份上更加便利。 统总体输入器，利用 完成 0种平板和分层格式（电路），可用于电路图、 以建立完整的组件数据减少以后出错的风险，提供多重的 电路图产生更多有效的数据，更容易与快速的获得组件数据，生成具有报价水平的元器件清单 口等 40多种文件，支持所有的公用程序，包括 ；网上提供了 72000 个启动数据库，可以免费下载到弹性的结合所选 择的数据库，可以在 用到不同区段的图表页，提高图表页编辑速度；还可方便的设定信号属性参数流程，提高高速电子的运行限制，确保输出到 U 盘设计与开发毕业论文 3 件工具的 安装 说明 （ 1） 录拷贝到硬盘，用写字板打开 件，将第一行 280 的 为你的电脑名字 后 存。 （ 2） 在环境变量（右键我的电脑 /属性 /高级 /环境变量） 里面新建 名： ： 5280电脑名字 （ 3） 开始安装。 定 件，电脑报错，不管它，继续。电脑提示说找不到一个 空这一栏就可以了， 解 司推出的优秀 计软件，目前已成为众多 受用户的喜爱。 页的原理图设计输入工具，为 提供了一个高效的、简单的、前端设计环境。 线元件编辑和方便的库管理，以及快速的帮助向导。与 全的集成提高了原理图设计到 计的转化效率， 许您快速地识别相应的元件放置和精确度。 过自动的编排管脚和门的序号，通过整个设计连接信号名，以及使用宏命令自动进行重复的任务，结束了设计输 入的苦差事。 主要特点如下： （ 1）易用的 令以及快速的编辑 （ 2）详细的属性和设计规则定义和控制 （ 3）简单的目标选择选项 （ 4）自动对脚连接功能 （ 5）支持中文字体输入 （ 6）智能化的输出 档格式 （ 7）支持输出 式 （ 8）用户化的字母参考指示 U 盘设计与开发毕业论文 4 （ 9）生成用户报告文件的向导 （ 10）自动的无缝连接 有简单的设计规则输入，用来定义物理设计的要求。所有的设计规则都可以自动地被传输到 ，并可以利用在线的设计规则检查的功能进行监视，以确保设计的正确性 ,还一个强有力的原理图输入功能和高效率的特点以保证快速、准确地完成整个设计任务。复杂的 级 规则驱动的设计工具， 含了许多高级的属性定义功能，它将在整个设计过程中确保你的数据的准确性。 器件库管理模块，支持对库文件的添加、删除，以及对库中元器件封装符号的添加、删除、编辑等操作，支持从 件工具的安装说明 在安装文件下 的找到 件夹下的 件，把它删掉，装时载入 中新生成的 盘设计与开发毕业论文 5 第三章 U 盘 原理及芯片 盘原理 口介绍 通用串行总线（ 一种快速灵活的接口，当一个 备插入主机时，由于 备硬件本身的原因，它会使 主机会经常扫描 发现电平有 变化时，它即知道有设备插入。当认为地址是 0。也就是没有分配地址，这有点象刚进校的大学生没有学号一样。正如有一个陌生人闯入时我们会问 “ 你是什么人 ” 一样，当一个 备插入主机时，它也会问： “ 你是什么设备 ” 。并接着会问，你使用什么通信协议等等。当这一些信息都被主机知道后，主机与 这些信息是通过描述符实现的， 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。当一个 立 即会发现你的资源管理器里多了一个可移动磁盘 。 输 协议 由于 初在设计时，即是为了能够针对具备如传输率、响应时间以及错误帧错等特性的许多不同的外围类型来加以考虑的。而其中， 包含了 4 种数据传输 ， 每一 种传输 能够掌握不同的需求。在此，根据不同外围设 备 的类型与应用，定义了 4 种传输类型，分别是控制传输（ 中断传输（ 批量传输（ 及等时传输（ 其中，需要 特别注意的是低速设各仅支持控制传输与中断传输。 控制传输是 输中最重要的传输类型，只有正确执行控制传输 后 ，才能进一步执行 其他的传输类型。这种传输是用来提供给介于主机与设 备 之间的配置 、命令或状态的通信协议之用的。控制传输能够使能主机去读取与此设 备 相关的信号，并去设置设备地址，以及选择配置与其他的设置等。此外，控制传输也能够送出自定义的要求， 针U 盘设计与开发毕业论文 6 对 性的 送出与接收数据 到达目的地 。因此须以双向传输来达到这个要求。当然，所有的 备 必须支持控制传输 。 中断传输原本属于单向传输 （ ， 现已属于 双向传输，增加 了 （ 的传送模式 。这是由于最早在开发 围设备时，先以人工接口设 备 为设计考虑，其数据只须做输入传输，如鼠标或键盘等设备。而由于 支持硬件的中断，所以必须靠机以周期性的方式加以查询，以便获知是否有设 备 需要传送数据给 果因为错误而发生传送失败的话，可以在下一个查询的期间重新再传送一次。 批量传输属于单向或双向的传输。顾名思义，这类型的传输用来传送大量的数据。这些大量的数据必须准确地加以传输，但相对的却无传输速度上的限制（即没有固定传输的速率）。例如，送出一个文件给打印机，或是从扫描机 扫描一张图片，并传送至机上。这是由于批量传输是针对未使用到 宽来向主机提出要求的。如此，须根据目前的总线的拥挤状态或是可用的带宽，以所有可使用到的 带宽为基准，不断地调整本身的传输速率。因此，如果总线上充满了具 备 保证带宽的其他传输的话，如等时传输或是中断传输，那么批量传输就必须持续地加以等待。反之，如果整个总线是处于闲置状态的话，批量传输就可以传输得非常快。 等时传输可以是单向或双向的传输。此种传输需要维持一定的传输速度，因此相对的就须牺牲些微错误的发生。而它采用了预先与 机协议好的固定带宽， 以确保发送端与接收端的速度能相互吻合。换而言之，就算发生了传输上的错误，也不会重新传送。应用这类型传输的设各有： 克风、喇叭或是 设备，如此可以确保播放的频率或是传输的影像不会被扭曲。 盘原理 输入电压为 5v，但芯片接受电压为 以用 下一章的 ， 电源进行电压的转化， 地， D+、 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 ” ， 主芯片就 是 大脑 ” ； 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 在通电以后改变状态，U 盘设计与开发毕业论文 7 不通电就固定状态 ， 所以断电以后资料能够长期保存； 将各部件连接在一起。当 用者下达数据存取的动作指令后， 在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择 /控制栅。数据是 0或 1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为 0，无电子为 1。闪存就如同其名字一样，写入前删除数据进行初始化。具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归 “1” 。写入时只有数据为 0时才进行写入，数据为 1时则什么也不做。写入 0 时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。读取数据 时，向栅电极施加一定的电压，电流大为 1，电流小则定为 0。浮动栅没有电子的状态（数据为 1）下，在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态（数据为 0）下，沟道中传导的电子就会减少 ,实现读、存 ，擦 、 写 等 功能 。 盘 的 文件系统与芯片 盘文件系统 优盘上的数据按照其不同的特点和作用大致可分为 5 部分： 、 、 、 。 （ 1）主引导记录 (绝对扇区号为： 是主引导记录 ,等同位于硬盘的 0 磁道 0 柱面 1 扇区。在总共 512 字节的主引导扇区中， 占用了其中的 446个字节（ - 另外的 64个字节（ 给了 分区表 ),最后两个字节“ 55 分区的结束标志。 系统引导记录 (对扇区号为： 是 同位于硬盘的 0 磁道 1 柱面 1 扇区 (512 字节 ),是操作系统可以直接访问的第一个扇区，它包括一个引导程序和一个被称为 本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当 断本分区跟目录前两个U 盘设计与开发毕业论文 8 文件是不是操作系统的引导文件（以 例，即是 如果确定存在，就把其读入内存，并把控制权交给该文件。 数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、 数，分配单元的大小等重要参数。 （ 2） 文件分配表 (绝对扇区号为： 是文件分配表，是 件组织结构的主要组成部分。我们知道 行分配的最基本单位是簇。文件分配表是反映硬盘上所有簇的使用情况，通过查文件分配表可以得知任一簇的使用情况。 给一个文件分配空间时总先扫描 到第一个可用簇，将该空间分配给文件，并将该簇的簇号填到目录的相应段内。即形成了“簇号链”。 是记录文件簇号的一张表。 头两个域为保留域， 对 说是 3 个字节， 说是 4 个字节。其中头一个字节是用来描述介质的，其余字节为 质格式与 同。 （ 3）文件目录表 (绝对 扇区号为： 是 文件目录表， 件组织结构的又一重要组成部分 。文件目录分为两类：根目录，子目录。根目录有一个，子目录可以有多个。子目录下还可以有子目录，从而形成“树状”的文件目录结构。子目录其实是一种特殊的文件， 目录项分配 32 字节。 （ 4）数据区 ( 数据区绝对扇区号根目录绝对扇区号（ 32根目录中目录项数） / 每扇区字节数 表达式： （ 32 * / 盘 芯片介绍 部的芯片有 主芯片、 片。 （ 1） 主芯片 在这里使用的是 芯片， U 盘设计与开发毕业论文 9 图 以处理多达 4 兼容 符合 多高 科技接口技术 的结合 ，提供磨损控制和快速切换纠错编码，这提高磁盘的寿命。对于数据安全性， 低保护大的状态时 ，磁盘中的数据完全访问 ，此时 ，磁盘是只读 ， 保护免受病毒和意外的文件清除。在高保护水平，硬盘上的数据不能访问。 在 也支持 支持 多操作系统平台 8/K/上操作系统 。 征 ： a 系统功能 兼容 容 ，支持 b 多级安全保护 支持只读权限 和不可读权限 ， 98/K/ ， 配置可移动或固定驱动器类型在 持独有的序号为每个磁盘支持自定义的磁盘的 读取速 “1000K 字节 /秒写入速度 “80 万字节 /秒写保护开关准备 /忙发光二极管 。 c 闪光控 制 支持 32兆到 2并且 连接多达 4个闪存芯片 ， 磨损控制时间延长产品寿命 ， 拥有的 块隐瞒缺陷和动态缺陷块处理 可支持 高速 U 盘设计与开发毕业论文 10 d 芯片硬件 芯 片上电源电压检测复位 ， 6平， 32针 表 脚编号 管脚 名 称 管脚作用 功能 2个 管 脚 ） 25 拟 + 24 拟 - 时钟（ 2引脚） 9 钟输入 68 钟输出 6 17引脚） 3、 5、 4、6、 11、 12、13、 14 / 30 、 29、 28、 27 低电平芯片信号 启动 5 输出缓冲区 4指令传输到 6 址 20 电平 时 能使 读取 21 电平 时能使 信号 有效写入 18 T 输入与入到内部触发器 系统控制引脚 17 / 该引脚控制可编程上拉的 连接到 阻 32 出缓冲区 8该引脚控制 光二级管） 。工作 时 闲 时暗。 电源和地（ 9针） 7, 19, 22 源 0, 31 地 接地 1, 26 源 2, 23 地 模拟 接 地 表 （ 2） U 盘设计与开发毕业论文 11 读写直接调用两个函数和 即可，他们可以一次写入 528个字节（ 512 16）的内容。但是注意必须在写数据之前首先将相应的簇擦除，擦除之前又需 要先将不覆盖的数据保存。 在这里选用 盘的存储介质 9 图 片 各引脚做介绍及作用 I/，地址和数据，并输出数据在读取操作。那个 I / O 引脚芯片浮动 大 时，取消选择 或者 被禁用。 在 高有效，通过在 址锁存 对上升 到 边缘。 输入设备选择控制。当设备处于繁忙状态时，输入设备选择控制被忽略， 该设备不返回到待机模式在程序或清除操作。 可再生能源输入的串行数据输出控制 。 在我们输入控制写入 I / 令，地址和数据被锁存的上升沿 脚提供的疏忽写 /擦除茶 电源保护。内部高压发电机重置时 脚低电平。当 一个逻辑高可湿性粉剂是一个逻辑低 ,所有块进入锁定状态。 R/B: 输出显示设备的运行状态。当低，则表明一个程序，删除或随机读操作完成后，U 盘设计与开发毕业论文 12 在 制造工艺和高回报的状态。输出不浮动高阻状态时，芯片被取消选中或输出将中止。 电源输出缓冲区 ， 内部连接至 源接口 地 否是内部链接 断开 启用和禁用锁定机制和自动读取电源。当 块锁定模式和上电自动读取模式的启用，并在 48 个管脚， 32该器件采用 的 与非 单元提供了最具成 本效益的固态大容量存储市场的有效解决方案。一个程序可以在 200行 ， 典型表现在 528字节（ 264 字 节 （ 除操作。页面中的数据可以在 50期时间读出（ 50纳秒）每字。在 I / 输出以及命令的输入。 芯 片上 支持 写 入 控制和擦除所有脉冲重复，包括在必要的功能，内部核查。 支持 ，可以充分利用 长程序 /擦除周期提供 32兆字节的物理空间需要 25个 地址，因此需要 3个字节寻址级别周期： 列地址，行地址低和高行地址。 盘的存储介质具有以下两个特点： 点，所以适合 固态文件存储及其它便携式非易失性存储应用 。 ， 在复制回程序配置为迅速有效地重写 ， 数据存储在一个阵列内的 单元 到另一个 单元 内 ， 同一阵列无需利用外部存储器 ，得到时间的节能 。由于时间节能 ， 读 取 和删除系统的性能得到提高 。U 盘设计与开发毕业论文 13 第四章 U 盘 的 封装与测试 电路图及封装电路图 根据前几章介绍的 和学习 可以画出 路图 ， 如图 图 盘电路图 首先是打开 的 具新建一个项目按照电路图，画出两个芯片，但必须注意芯片是属于器件 ，必须先在 调出一个类似的芯片，然后在对这个芯片进行编辑，即选中芯片选择 再 刷新就完整画出了一个芯片 。 画好芯片后在个原件添加到项目中，按照电路图画好，再编辑各个元件和芯片的 称，必须与 则不能在显示 元件，如果一些芯片在 装库里面有，那么必须新建这个库，新建时必须严格按照芯片对应的参数进 行编辑；最后就是封装电路图了，选择整个项目，工具中选中 再 选择 确定这样就完成了一个电路图的封装了。 U 盘设计与开发毕业论文 14 封装 行 的 封装好的电路图导入进 ， 画出板框，把所有的 封装好的电路图都放在里面，并且把局布好，在电板分成 4层，顶层与底层用来布线，其他两层分别作电源和接地用；设置各个参数，如：线宽度，过孔大小等；最后是按照各个部件上的走线进行连线，注意的是 线不能交叉，如要交叉必须打过孔 进行走线，布线不能走 90 度的直角，画好后进行错误检测，用工具中的检验设计选项对 安全间距和连通性进行检测，再用工具中的比较 /具对封装好的电路图与 比较，看是否相符合；完成后进行 图 图 调试 U 盘 所需硬件： 确保 确的情况下 ， 就是 联系 厂家加工成电路板 了 ， 还需要