（信号与信息处理专业论文）嵌入式usb主机控制器的研究与设计.pdf

中文摘要 摘要 随着信息技术的飞速发展，通用串行总线( u s b ) 以其高速、支持多种传输 类型、即插即用等优点被广泛应用于便携式设备。但传统的u s b 系统采用主从的 方式进行设计，使得u s b 设备间的数据交换很难脱离p c 机在移动领域中得到广 泛的应用。所以有必要研究u s b 主机端在移动领域或嵌入式平台的实现，使得u s b 系统在移动性、便携性等方面满足新的需求。 s o p c 片上可编程系统和嵌入式系统是当前电子设计领域中最热门的概念。 n i o s i i 是a 1 t e r a 公司开发的一种嵌入式处理器软核，可以将它嵌入到f p g a 内部， 与用户自定义逻辑组建成一个基于f p g a 的片上专用系统。u s b 主机端也可以通 过s o p c 技术集成到嵌入式系统中。 论文在综合考虑各种应用情况的基础上，以u s b 技术和嵌入式系统技术为理 论基础，对u s b 主机端的工作原理进行了深入研究，合理的改进了u s b 主机端在 嵌入式环境下所需要的功能，设计一个可集成在移动便携式产品的u s b 主机控制 器。论文主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在研究u s b 系统的传输原理和通信协议的基础上，针对传统u s b 主机 端主从工作模式、不能脱离p c 机独立运行等缺点，设计基于n i o s i i 的嵌入式u s b 主机控制器的系统。 ( 2 ) 对嵌入式u s b 主机控制器的功能模块进行了详细的划分，包括：a v a l o n 总线接口模块，解码模块，编码模块，拆包模块，组包模块，控制逻辑模块，c r c 校验模块，f i f o 模块，对每一个模块的原理和功能进行了分析，并使用v 矾l o gh d l 硬件描述语言对各个功能模块进行了设计。 ( 3 ) 对嵌入式u s b 主机控制器驱动进行了详细的设计，完成了主机控制器 驱动对主机控制器的访问和控制，数据传输带宽的分配，传输列表的管理，端点 描述符的管理等功能。 ( 4 ) 对嵌入式u s b 主机控制器进行了功能仿真和f p g a 验证，实验结果表 明，数据传输正确、可靠。 实验结果表明，论文所提出的基于n i o s i i 的嵌入式u s b 主机控制器方案有效 可行，摆脱了传统u s b 系统不能脱离p c 机应用的局面，拥有广阔的发展前景。 关键词：u s b 主机控制器，u s b 设备，s o p c ，f p g a ，n i o s i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t hm er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o n n a t i o nt e c | 1 1 1 0 1 0 鼢t l l eu n i v e r s a ls 嘶a lb u s ( u s b ) h a sb e e nw i d e l yu s e di n d a t ac o m m u i l i c a t i o na r e ab e c a u s ei th a sm a l l y a d v a l l t a g e ss u c h 器l l i 曲s p e e d ，m a n yt y p e so ft r a n s f e rs u p p o r t e d ，p l a y - 锄d - p l u g 锄d e x p a n d a b i l i 吼1 1 r a d i t i o n a lu s bs y s t e i i li sc o n s i s t e do fm eu s b h o s tc o n t r o l l e ra n dm e u s bd e v i c ec o n t r o l l t h ei n c o n v e l l i e n to fp ct a l ( i n gr e s t r i c t st h e 印p l i c a t i o no fu s b d e v i c e si nm o b i l ef i e l d t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c hm ei m p l e m e l l to fh o s t c o n t i - o l l e ri nm o b i l ef i e l d 锄de i n b e d d e dp l a t f o r m ，、h i c hs a t i s f i e sm en e e do fm o b i l i t y a n dp o r t i b i l i t yo fu s bs y s t e m t h es o p co n c h i pp r o 伊a 埘m a b l es y s t e i i la i l dt h e 锄b e d d e ds y s t 锄a r ep o p u l a r c o n c 印t si nt h ee l e c 仃o n i cd e s i 朗n i o s i id e v e l o p e d b ya l t e r ai sa i l 锄b e d d e ds o r c o r e p r o c e s s o ru s i n gm ep i p e l i n et e c l l n o l o g y ，s i n 百e - i n s t m c t i o ns t r e 锄o fr i s c nc a nb e 锄b e d d e dw i t h i nt 1 1 ef p g a ，a n df o m sad e d i c a t e ds y s t e mw i t hu s e r d e f i n e d1 0 百c b a s e do nm ef p g ac h i p u s bh o s tc o n t r o u e ra l s oc a nb e 锄b e d d e di ne m b e d d e d s y s t 锄w i t hm et e c h n o l o g yo f s o p c b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no f 印p l i c a t i o n s ，it o o ku s bt e c h n o l o g ya i l de m b e d d e d s y s t e mt e c l l i l o l o g ya st h et h e o r e t i c a lb a s i s ，a i l a l y z e dt l l ew o r k i n gp r i n c i p l eo fu s b h o s t c o n t m l l i m p r o v e di t s 如n c t i o n su n d e rt h ee m b e d d e de i l v i r o 衄e n t ，a n dd e s i 印e da u s bh o s tc o n 仃o l l e rw h i c hc a nb ei n t e 伊a t e dw i mp o r t a b l ed e v i c e s ( 1 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho ft r a l l s m i s s i o nm e o 巧a 1 1 dc o 舢m u n i c a t i o np r o t o c 0 1i n u s bs y s t e m ，a n da n a l y s i so ns h o r t a g e so ft r a d i t i o n a lu s bs y s t 锄，ip r o p o s e da n e m b e d d e du s bh o s tc o n t i 0 1 1 e rb a s e do nn i o s i i ( 2 ) ic a n j e do u td e t a i l e dp a r t i t i o no nt h ef h n c t i o nm o d u l eo f 锄b e d d e du s b h o s t c o n t r o l l e r w h i c hi n c l u d e sa v al o ni n t e r f a c em o d u l e ，d e c o d em o d u l e ，e i l c o d em o d u l e ， u n p a c k i n gm o d u l e ，p a c l 【i n gm o d u l e ，c o n t r o ll o 西cm o d u l e ，c r cm o d u l e ，a n df i f o m o d u l e ip r o p o s e dt h ep r i n c i p l ea n dm n c t i o no fe v e r ym o d u l ei nd e t a i l ，a n dc 删e do u t d e s i 朗o nt h 锄u s i n gv 舐l o gh 砌w a r ed e s 嘶b el a n g u a g e ( 3 ) ig a v ed e t a i l e dd e s i 印o n 锄b e d d e du s b h o s tc o n t r o l l e r “v m a l 【i n gi tc a i l a c c e s sa n dc o n t r o lt h eh o s tc o n 仃0 l l e ra 1 1 da c h i e v i n ga s s i 印m e n to fd a t at r a n s m i s s i o n b a n d w i d t h ，a d m “s 仃a t i o no ft r a n s 衙l i s t ，m a n a g e n l e n to fe n d p o i n td e s 嘶p t o r ，a n ds o o n ( 4 ) ic a i e do u t 缸l c t i o ns i m u l a t i o na n df p g av e r i 丘c a t i o no fu s b h o s tc o n t r o l l e r i i i 重庆人学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e c o r r e c t n e s so fd a t at r a n s m i s s i o ni sc o r r e c ta n d r e l i a b l e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d 仔锄e w o r ko fm ee m b e d d e du s b h o s t c o n t r o l l e rb a s e do nn i o s i ic a ng e tr i do fp cr e s t r i c t i o n i ti se n e c t i v ea 1 1 df e a s i b l e ， w 1 1 i c hc 锄b e 如n h e rd e v e l o p e di nt h e 如t l l r e k e y w o r d s ：u s bh o s tc o n t r 0 1 l e r u s bd e v i c e ，s o p c ，f p g a ，n i o s i i l v 学位论文独创性声明 本人 声咀。所。呈交 的盟 士 学 位 论 文 犊硒u 处幽茎缸塑盈滏盘 是磊不又在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名： 纸馋 i 签字日期： 签字日期： 2 幻爱6 、争 加口7 。6 午 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程， ) ，愿意将本人的啦士学位论文鹾厶式1 2 5 6 老趣避鱼堡塑翌舅诠计 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：二与整 导师签名 各注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是上二，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书堂纽装订在提交的学位论文最后一页。 l 引言 1 引言 1 1u s b 出现及现状 随着电脑应用的拓展，p c 机的外设越来越多，但是外设常用端口局限于串口 和并口。串口的速度为1 5 k b p s 至2 3 0 k b p s ，并口数据速度为l m b p s ，显然，串口 和并口在传输速度上没有优势。每个串口或并口上都不具有扩展功能且只能连接 一个设备，易造成外接线路紊乱，不便于安装。在这个背景下，以i n t e l 为首的七 家公司1 1 1 t e l ，c o m p a q ，m i c r o s o r ，d e c ，i b m ，n o r m 锄t e l e c o m ，n e c 于1 9 9 4 年1 1 月推出了新一代标准接口总线u s b ( u m v e r s a ls 嘶a 1b u s ，通用串行总线) 的第一个草案，该总线是一种连接外围设备的总线，专用于低、中速的计算机外 设。1 9 9 6 年1 月u s b l o 协议公布，但是当时的主流操作系统w i n d o w s 9 5 不支持 u s b 功能，加之设计性能一般，致使该标准无法推广。1 9 9 8 年c o m p a q ，i n t e l ， m i c m s o r ，n e c 四个公司联合发布u s b 协议1 1 版本【1 】规定了两种速度( 低速 1 5 m b p s 和高速1 2 m b p s ) 以满足不同需要。很多厂商推出了u s b l 1 协议芯片， 促进了u s b 的发展。2 0 0 0 年4 月c o m p a q ，h e w l e t t p a c k a 订，i n t e l ，l u c e i l t ，m i c r o s o r ， n e c ，p h i l i p s 联合发布新的u s b 规范u s b 2 o 版本【2 1 ，将速度提高到4 8 0 m b p s 。 带宽( 数据的吞吐速度) 增大后，各种外设的功能扩展便显得异常容易，u s b 2 o 协议激发了新一轮u s b 高潮，扩展了u s b 的应用范围。目前，u s b 作为最流行 的接口用在需要与个人计算机进行通信的设备中，常用的u s b 设备的种类包括： u 盘，移动硬盘，u s b 接口数码相机，扫描仪，打印机，u s b 键盘鼠标等等3 】【4 】【5 1 【6 1 。为了满足更大数据传输量的要求，u s b i f 于2 0 0 8 年11 月公布了u s b 3 0 协议， 该协议提供了十倍于u s b 2 o 的传输速度和更高效的节能效率，预计支持新协议的 消费产品将有望于2 0 1 0 年上市。u s b 3 0 协议的公布，将使u s b 得到更大的发展， 将广泛用于高清电视数据的传输。 但随着u s b 接口应用的普及，基于u s b l x 和u s b 2 0 规范的u s b 接口逐渐 暴露其缺点。u s b 总线是主从式结构，且设备的主从特性在设备设计时就已经固 定，这样就很不利于设备间点对点的数据传输。这种以计算机为核心的数据传输 结构，非常不利于u s b 总线在嵌入式行业的应用，因为这些设备一般都要求具有 与计算机通信的u s b 设备功能，同时也要求具有连接其他u s b 设备的主机功能。 随着设备与设备之间直接的数据交互变得越来越频繁，为解决u s b 设备对p c 的 依赖问题，论文提出了嵌入式u s b 主机控制器的设计方案，该方案的出现解决了 u s b 设备对p c 的依赖，扩大了u s b 的应用范围。 重庆人学硕十学位论文 1 2u s b 的特点 u s b 标准可以针对不同的价格性能比要求，提供不同的选择，针对相同的系 统和部件提供不同的功能，可以说u s b 是外围设备发展的必然趋势，其特性有以 下几个点方面：【7 】【8 】【9 】【1 0 】 ( 1 ) 成本低。u s b 为外设连接到p c 提供了一种低成本的解决方案。 ( 2 ) 热插拔。u s b 可以自动检测到设备的连接，软件可以自动完成配置，完 成后即可使用，无须用户干涉。 ( 3 ) 通用的接口。u s b 诞生之初，便以尽可能的方便用户使用为目的。因此， 其接口的通用性必须是其特点之一。同时，由于越来越多的用户对u s b 的认可， 使得许多计算机设备制造商都在其产品中加入了对u s b 接口的支持。同时，这些 设备的接口机械，电气特性都是一致的，因此，在计算机可以方便的连入这些设 备。 ( 4 ) 简易的电缆。u s b 使用4 根线缆便完成了其繁重的数据传输。它们分别 是电源线，地线，两条差分的数据线，这使得u s b 接头相当小巧。单独的一条u s b 线可以支持5 米的传输距离，利用集线器，可以传输3 0 米的传输距离。 ( 5 ) 具有广泛的应用性，适应不同设备，传输率从1 0 k b p s 到4 8 0 m b p s ，并在 2 根线上支持同步传输、批量传输、控制传输、中断传输四种传输方式，可以对多 个设备同时进行操作，最多可接收1 2 7 个外围设备。 ( 6 ) 系统资源的要求降低。u s b 外设和l s a ，e i s a 和p c i 相比，不需要内 存，不需要输入输出地址空间，不需要地址请求线。 ( 7 ) 错误检测和修复。它具有事务处理错误检测机制，保证数据正确传输， 它们用以对有缺陷的设备进行认定，对错误的数据进行恢复，报告或重传。 ( 8 ) 电源稳定。外设能够由u s b 总线进行供电，并具有电源保护功能。u s b 设备3 m s 没有动作则自动进入挂起状态，这时消耗的电流不超过5 0 0 微安。 ( 9 ) 扩展总线能力。u s b 集线器可以加载以增加端口给更多的u s b 设备。 1 3 国内外研究现状 在国外，i n t e l 领导u s b 的主机控制器发展，其内建的寄存器设置为通用主机 控制器接口( u h c i ，u i l i v e r s a lh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 【j 。但是由于m i c m s o f t ， c o m p a q 等公司发展可完全不同的寄存器设置，即开放主机控制器接口( o h c i ， o p e nh o s tc o n 仃d l l e ri n t e r f a c e ) 【1 2 】，致使市场上存在许多带着各自一套不同寄存器 设置的主机控制器芯片。随后，1 1 1 t e l 研发了增强主机控制器接口( e h c i ，e n h a l l c e d h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 【1 3 】，并对外公布了寄存器的情况，使得所有公司开发的 主机控制器归于统一。这非常有利于设备驱动的发展。u s b 集成电路的最大供应 2 l 引言 商c y p r e s s 开发多款u s b 设备控制器，如最流行的e z u s bf x 2u s b 2 o 控制器【1 4 】， 它集成了8 0 5 1 处理器，串行接口引擎，u s b 2 o 收发器，内嵌r a m 和f i f o 。p h i l i p s 公司也推出了一个完整的u s b 产品系列，如主机控制器i s p l 5 6 l ，集线控制器 i s p l 5 2 1 ，收发器i s p l 5 0 l ，组成了完整的u s b 产品线【1 5 】。另外随着嵌入式技术的 迅速发展，a l t e r a 公司的m e g a c o r ei p 中提供了完整的u s b1 1 和2 oi p 系列，包 括了主机、集线器和设备，而x i l i n 】【公司也提供了6 款u s bi p 核的范例。2 0 0 3 年1 1 月c a s t 公司推出u s b1 1 f u n c t i o nc o n 缸o l l e “c u s b ) 的a l l i a n c ec o r e ，c u s b 提供u s bs i e 的功能，工作频率是4 8 m h z ，它采用h d l 建模并以网表形式提交， 额外再付费时提供i 汀l 产品。 从大量相关资料来看，在国内市场上可以看到基于u s b l 1 和u s b 2 0 的设备 控制器，在主机控制器方面的研究工作很少。中国科学院计算技术研究所对u s b l 1 主机控制器做了相关研究工作，并于2 0 0 5 年4 月发表期刊论文u s b 主机控制器 端串行接口引擎i p 的实现，2 0 0 5 年5 月发表的硕士论文基于龙芯s o c 的u s b 主机控制器的设计研究和u s b 主机控制芯片的逻辑设计与验证。 1 4 嵌入式u s b 主机的前景 自美国a 1 t e r a 公司2 0 0 0 年最早提出s o p c ( s y s t e m o n a - p r o 黟锄m a b l e c h i p ) 【l6 】的概念以来，可编程逻辑器件密度的不断提高，芯片规模的扩大和性能的提升 为s o p c 技术提供了物质基础，同时先进的工具的出现极大地提高了开发人员的 工作效率，知识产权得到充分认识，更多的设计人员以重用的方式对现有的i p 核 加以充分利用，从而提高设计效率并缩短上市时间。近年来可编程逻辑器件价格 的平民化也使得s o p c 嵌入式系统得到越来越广泛的应用。s o p c 技术是一门全新 的综合性技术，a l t e r a 公司的n i o s i i m 】系列3 2 位嵌入式处理器具有超过2 0 0 d m i p 的性能，在f p g a 中实现成本非常低廉，而且处理器是软核形式，具有很大的灵 活性。n i o s i i 软核c p u 与s o p c 技术实现了完美结合，基于n i o s i i 软核的s o p c 系 统设计方法彻底颠覆了传统的嵌入式系统设计理念，软硬件协同设计思想更是从 整体设计上对嵌入式系统设计起了极大的推动作用。 随着i t 产业的不断发展和3 g 时代到来，以及s o p c 技术的成熟，基于嵌入 式设备的移动数据存储和交换成为新的研究热点。到目前为止，各种各样的移动 存储设备越来越多，从能存储用户个人信息或者授权信息的u s b 钥匙，到容量可 以和p c 硬盘媲美的u s b 移动硬盘，从以f 1 a s h 作为存储介质的u s b 闪存，到各 种各样的多媒体家电中使用的带有数据存储的设备，如数码相机、m p 3 、手机等 等，移动存储设备在人们的口常生活中已经非常普遍，但是它们之间的数据交换 却一直依赖于不便移动的p c 。有了嵌入式u s b 主机控制器，就可以很方便的将存 重庆人学硕十学位论文 储在价格高，容量小的f l a s h 中的数据转存到价格低、容量大的u s b 移动硬盘中。 有了嵌入式u s b 主机还可以将数据相机上的照片直接通过u s b 打印机打印出来， 这种脱离p c 的方便快捷的数据交换方式正是人们所希望的。因此，嵌入式u s b 主机拥有很强的应用背景和市场前景。 1 5 论文的工作 随着超大规模集成电路工艺技术的发展，系统芯片技术成为i c 业界越来越关 注的焦点。s o p c 需要将系统的全部功能模块集成到单一半导体芯片上，包括c p u ， i o 接口，存储器以及一些重要的模拟集成电路。功能模块化的s o p c 系统芯片具 有易于增加新功能和缩短上市时间的显著特点，是i c 设计业当前的主流设计方式。 因此一套完善的嵌入式u s b 主机控制器将给一个s o p c 提供一个性能优良连接简 便的接口，很多外设可以不通过p c 直接进行操作，大大方便了人们的使用。本论 文的设计目的是实现基于u s b l 1 的嵌入式主机控制器，使之能作为一个单独的模 块嵌入到s o p c 系统中。论文的主要工作内容如下： ( 1 ) 在研究u s b 系统的传输原理和通信协议的基础上，针对传统u s b 主机 端主从工作模式的缺点，提出了基于n i o s i i 的嵌入式u s b 主机控制器的系统。 ( 2 ) 对嵌入式u s b 主机控制器的功能模块进行了详细的划分，包括：a 、，a l o n 【1 8 】 总线接口模块，解码模块，编码模块，拆包模块，组包模块，控制逻辑模块，c r c 校验模块，f i f o 模块，对每一个模块的原理和功能进行了详细的阐述，并使用 弧l o gh d l 硬件描述语占对各个功能模块进行了设计。 ( 3 ) 对嵌入式u s b 主机控制器驱动进行了详细的设计，完成了主机控制器 驱动对主机控制器的访问和控制，数据传输带宽的分配，传输列表的管理，端点 描述符的管理等功能。 ( 4 ) 对嵌入式u s b 主机控制器进行了功能仿真和f p g a 验证，通过对数据 的分析，验证数据传输的正确性。 为了便于理解和说明，在此简要介绍论文的章节安排。论文第一章分析了u s b 的出现背景、特点及现状。第二章分析了u s b 系统的传输原理和通信协议。第三 章重点研究了嵌入式u s b 主机控制器各个模块功能和设计思想。第四章研究了嵌 入式u s b 主机控制器驱动的设计思想和软件设计。第五章给出了嵌入式u s b 主机 控制器的验证环境、验证过程以及结果。最后，第六章对论文总结。 4 2u s b 系统介绍 2u s b 系统介绍 本章将对u s b 系统的总体结构和各组成部分进行分析和研究，并详细研究 u s b 的协议规范以及主机控制器规范。通过研究u s b 系统及协议，对实现u s b 系统和主机控制器形成比较清楚的认识。【7 】【8 】【9 】【1 0 】 2 1u s b 体系结构 2 1 1u s b 系统的组成 u s b 系统可分为主机( h o s t ) 、u s b 设备( d e v i c e ) 和u s b 互连( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。u s b 主机和u s b 设备是两个不同概念，在u s b 的具体应用中是由u s b 主机和另外的u s b 设备组成了整个u s b 系统。 u s b 主机是u s b 系统的核心。整个u s b 系统中只允许有一个主机，每一 次u s b 数据通信都必须由u s b 主机发起。主机管理着每个u s b 设备。即便是新 兴的u s bo t g 1 9 1 设备，其核心部分仍然是嵌入了u s b 主机的功能。u s b 主机包 括p c 和嵌入式两种类型。p c 类型是指安装了u s b 主控制器( u s bh o s tc o n t r o l l 哪 的计算机系统，不仅包括u s b 主控制器等硬件，还包括驱动程序，客户应用软件 等软件。嵌入式u s b 主机是指应用在非p c 领域的u s b 主机，例如p d a 等。按 照u s b 规定以及u s b 系统组成的需要，u s b 主机的功能主要包括：检测u s b 设 备的插入和拔出；管理主机与设备之问的数据流；管理主机与设备之间的控制管 道；收集设备的状态信息，统计总线的活动；为设备供电。 u s b 设备是指支持u s b 协议的、对诸如配置和复位等标准的u s b 操作作 出响应的、具有标准描述消息的功能部件。它分为集线器h u b 和功能设备两类。 功能设备包括显示器、键盘、软驱、网卡、打印机、扫描仪等各种设备。在一个 u s b 系统中可以有多达1 2 7 个u s b 设备。集线器h u b 向u s b 系统提供更多的连 接点。 u s b 互连是指u s b 设备与u s b 主机之间进行连接和通信的操作，主要包 括以下几方面： 1 ) 总线拓扑结构：u s b 设备与主机之问的各种连接方式。 2 ) 内部层次关系：根据性能配置，u s b 的任务被分配到系统的每一个层次。 3 ) 数据流模式：描述数据在系统中，通过u s b 从产生方到使用方的流动方 式。 4 ) u s b 调度：u s b 提供了共享连接，对可以使用的连接进行调度以支持同步 数据传输，并且避免优先级判别的开销。 重庆火学硕+ 学位论文 u s b 物理互连是一个层次的星型拓补结构，如图2 1 所示。集线器( h u b ) 是 每一个分支结构的中心，每一段都是主机( h o s t ) 和集线器( h u b ) 或某一功能设 备( f u n “o n ) 之间的点到点连接，也可以是集线器( h u b ) 和另一个集线器( h u b ) 或功能设备( f u n c t i o n ) 之间的点到点连接。 图2 1u s b 总线拓补结构 f i 9 2 1u s bb u st o p 0 1 0 9 y 7 2 1 2u s b 系统的层次结构 一个u s b 主机可以通过u s b 总线和若干个u s b 设备进行通信。物理上，u s b 总线上的所有u s b 设备通过集线器和u s b 主机通信，所有的设备共享同样一条物 理链路。逻辑上，主机给每一个设备提供了一条逻辑链路，每一个设备都有各自 的一条点对点的连接。为了细化u s b 的通信机制，对每一个主机和设备的连接， u s b 协议的开发者采用了分层的概念，将系统分为了三层，每一层传输的数据结 构对其他逻辑层是透明的。图2 2 显示了u s b 设备和u s b 主机通信的逻辑结构和 每层的逻辑通道。 u s b 总线接口层提供了在u s b 数据线上数据的底层传输。这一层代表了通过 u s b 数据线进行的实际数据传输，这种传输在u s b 主机系统和u s b 设备之间进 行，u s b 一方是u s b 主机控制器。它实际上是总线在u s b 主机方面的接口，是 6 2 u s b 系统介绍 软件和硬件的总和。它处理电气层与协议层的互连。u s b 一方则是由u s b 设备中 的u s b 接口组成。 u s b 设备层了解实际的u s b 通信机制和u s b 功能设备所要求的传输特性。 该层由u s b 土机方的u s b 系统软件和u s b 设备方的u s b 逻辑设备组成。u s b 系统软件知道u s b 传输机制的具体细节，而且它必须为u s b 设备进行通信分配总 线带宽。逻辑u s b 设备代表端点的集合，通过它们，客户程序可以和它的功能单 元进行通信，u s b 系统软件通过设备描述符来了解这些端点，并对其进行分析， 获得该u s b 设备的传输特性。 u s b 系统软件为u s b 主机上的客户软件和与其相对应的u s b 功能模块之间 提供通信服务。对于客户软件与功能模块的不同的类型的交互功能模块会有不 同通信流( c o 咖鳅n o w ) 需求。u s b 系统软件通常通过将一个功能模块所需的不 同通信流分离，从而提供了更好的整体总线利用率。每一个通信流通过占用一定 的总线访问时间来完成客户软件和功能模块之削的通信。所有通信流都终止于 u s b 功能设备上的端点。 功能层描述了所有直接作用于u s b 设备的软件接口，当u s b 设备被系统检查 到的时候，客户软件直接作用于外围硬件。u s b 主机端的客户软件是为一个特定 的u s b 设备而在u s b 主机上运行的软件。这种软件由u s b 设备的提供者提供， 或者由操作系统提供。 _ _ _ _ _ _ 钫a 信敷镕* ( ；= 辑m * & # “ 4 十n # g m 闰2 2 u s b 执行区域 h 口2 u s b i i n 叫钿m d 吨翟s 重庆入学硕十学位论文 2 2u s b 的物理接口特性 在u s b 系统中，u s b 的物理接口位于u s b 总线接口层，它主要包括电气和 机械两个方面的特性。 2 2 1 电气特性 u s b 总线的物理介质是一根4 线的电缆，如图23 所示。其中2 条线是电源 和地，v b u s 通常是+ 5 v 电压其余2 条用于传输数据。信号线的特性阻抗是9 0 n 信号通过叶和d 一两条线以差模方式进行传输。u s b ll 版本支持两种信号速率： 1 2 m b p s 和1 5 m b p s 。u s b 对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。为了保证足 够的输入电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆的尾部。 幽23 u s b 电缆 f i 9 23 u s bc a b l e 2 2 2 机械特性 为了防止产生非法回路，u s b 协议规定了2 种规格的连接器，分别称为a 系 列连接器和b 系列连接器，如图2 4 所示。a 系列插头面向主机，b 系列面向设备， a 系列插头必须和a 系列插座配对b 系列插头必须和b 系列插座配对。 强鼯 粼盅7 “ 慧= 兰怒篇 ：嚣：篡? “ 囫骧 囱骧 誉圈 t 誊幽 m el 、j j l 幽24 u s b 连接器 f i 醇4 u s bc o n n i o r 2u s b 系统介绍 2 3u s b 数据通信结构 2 3 1u s b 总线上的数据传输形式 u s b 总线上的数据传输有自己的一整套定义和要求，包括：u s b 总线信号状 态，双向不归零编码，位填充和发送字节序。 u s b 总线信号状态。u s b 总线上主机与设备只能通过d + 和d 的状态组合 表示不同的总线状态，每种状态有详细的直流电平规定和说明。第一列标明了状 态，第二列是驱动器的相关情况，第三列是接收器的相关情况。如表2 1 所示。 表2 1 总线状态的说明 总线状态 信号电平 发端驱动器接收器 差动信号“l ”d + v o h ( 最小) 并且 ( d + ) ( d 一) ) 2 0 0 毫伏 d - v o h ( 最小) 并且 ( d ) ( d + ) ) 2 0 0 毫伏 d + v o l ( 最人) 并且d ) v i h ( 最小) 单端零( s e 0 ) d + 和d v o l ( 最大)d + 币1 1d v i l ( 最人) 数据j 状态： 低速 著动信号“0 ” 全速 著动信号“l ” 数据j 状态： 低速 差动信号“1 ” 全速 筹动信号“0 ” 低速空闲 n a d ) v i h z ( 最小) 并且d + v i l ( 最人) 全速空闲 n a d + ) v i h z ( 最小) 并且d v i l ( 最大) 恢复状态数据k 状态 包起始符数据线从空闲状态转为k 状态 包终j = 符单端0 两个位时间，后面跟一单端o 等丁人丁一个何时间， 个位时间的j 状态后面跟一个位时间的j 状态 断开( 仅仅是上游) n a 单端o 等于或人于2 5 微秒 连接( 仅仅是上游) n a 单端0 等丁或人丁2 5 微秒 复位( 仅仅是卜游) d + 和d 一 v s e l 0 毫秒单端0 等丁或人于2 5 微秒 u s b 的数据包使用双向不归零码编码( n i 屹i ) 。图2 5 描述了在u s b 电缆 上传输信息的步骤。双向不归零码首先由传送信息的u s b 代理程序编制。然后， 编了码的数据被差动驱动器送到u s b 电缆上。接收器放大输入的差动数据，把双 向不归零码数据送到解码器。编码和差动信号可以增加数据的完整性并减少噪声。 9 重庆人学硕十学位论文 劳动驱动 差动收发器 劳动驱动 u 十 l 双向不归 1 零码解码 m 图2 5 在u s b 电缆上使用双向不归零编码和筹动信号的传输 f i 9 2 5n l 屹i 朗c o d i n ga i l dd i 能r a l t i a ls i 印a l i n gi i lu s bc a b l e 使用双向不归零码编码传输数据可以保证数据传输的完整性，而且不要求传 输过程中有独立的时钟信号。双向不归零码编码不是一种新的编码方式。它在许 多方面都有应用。图2 6 给出了一个数据流和编码的结果。在双向不归零码编码时， 遇到“o ”转换，遇到“l ”保持。双向不归零码编码必须保持与输入数据的同步性，以 保证数据采样正确。双向不归零码编码数据流必须在一个数据窗口被采样，无论 前一个位时间是否发生过转换。解码器在每个位时间采样数据以检查是否有转换。 数据兰：h ： ： ： ：h ： 双向不归零码厂厂 厂 厂 图2 6 双向不归零编码 f i 9 2 6n r z id a t ae n c o d i n g 数据流中的转换允许解码器与数据流保持同步，这样就不需要一个独立的时 钟。但是当数据中有一长串的l 不发生转换，就会导致接收器最后失去同步，这 个问题可以由位填充技术解决。 位填充。位填充要求数据流中如果连续的6 个“1 ”就要强制转换。这样收发 器在双向不归零码数据流中最多每七个位就检测到一次跳转。这样就保证了接收 器与输入数据流保持同步。双向不归零码的发送器要把“0 ”( 填充位) 插入到数据 流中。接收器必须被设计成能够在连续的六个“l ”之后识别一个自动跳转，并且立 即扔掉这六个“1 ”之后的“o ”位。 图2 7 的第一行是送到接收器的原始数据。注意数据流包括连续的八个“1 ”。 第二行表示对原始数据进行了位填充，在原始数据的第六个和第七个“l ”之间插入 了一个“0 ”。第七个“1 ”延时一个位时间让填充位插入。接收器知道连续六个“1 ”之 后将是一个位填充，所以该位就要被忽略。注意，原始数据的第七个位是“0 ”，填 充位也同样插入，在填充过的数据流中就会有两个连续的“0 ”。 l o 2 u s b 系统介绍 数据鼍：p 一半 填充数据_ 厂 r _ 厂 双向不归零码 里网旦! f 可! 图2 7 位填充 f i 9 2 7b i ts t u 伍n g u s b 总线发送数据时总是先发送低位( l s b ，l e a s t s i 盟i f i c a n tb i t ) ，最后发送 高位( m s b ，m o s t s i 印i f i c a l l tb i t ) ，先发送低字节( l s b ，l e a s t s i 盟i f i c a mb ”e ) ， 最后发送高字节( m s b ，m o s t s i 印i f i c a n tb y t e ) 。 2 3 2u s b 总线上的二进制序列域 u s b 对一系列二进制数有自己的一整套称谓，域( f i e l d ) 。它有以下若干分类： 同步域：u s b 所有包都是从同步域( s y n cf i e l d ) 开始的，其值固定为 “0 0 0 0 0 0 0 1 ”。显然同步域会产生最大的边缘转换密度的序列。这些跳变用于本地时 钟与输入信号的同步。 包标志域：u s b 包的同步域后紧跟包标志域( p a c k e ti d e n t i f i e rf i l e d ) 。包标 志域由4 位标志符和紧跟的4 位标志符的反码组成，总共8 位，如图2 8 所示。包 标志域表明包的类型和格式，并作为包类型的检错手段。包标志域中关键的标志 符由4 位二进制组成，在u s b l 1 协议中，使用了其中1 0 种标志域，在u s b 2 o 中，使用了全部1 6 种标志域。标志符可以分为令牌( t o k e l l ) ，数据( d a t a ) ，握手 ( h a n d s h a k e ) ，特殊( s p e c i a l ) 4 种类型，如表2 2 所示。 图2 8 包标忠域格式 f i 9 2 8p i df o n n a t 重庆人学硕十学位论文 表2 2 标忠符类型 类型名称 p i d描述 【3 ：0 】 地址域：地址域( a d d r e s sf i l e d ) 指定了7 位的功能设备地址，如图2 1 0 所 示。理论上主机能连接1 2 8 个功能设备，但在复位的情况下功能设备的地址默认 是o ，所以主机只能寻址1 2 7 个功能设备。地址域只能出现在规定的包中，如图 2 9 所示。 ( l s b )( m s b ) a d d roa d d rla d d r2a d d r 3 a d d r4a d d r 5 a d d r6 图2 9 地址域 f i 9 2 9a d d r e s sf i e l d 端点域：4 位的端点域( e 1 1 d p o i n tf i l e d ) 使具有多个端点的