（信息与通信工程专业论文）usb接口技术研究与应用.pdf

摘要 摘要 u s b ( u n i v 涮s e r i a l b u s ，通用串行总线) 是用来连接外围设备与计算机的一种标准接e l ，目前 已经成为计算机外设必不可少的设备。而随着无线个域网( w p a n ) 开始进入实用阶段。对w u s b 技术的研究也开始起步。w u s b 技术在继承传统有线u s b 优势的同时，充分利用无线传输技术的 灵活性，为互连设各提供了更大的便利性与可移动性 本文首先介绍有线u s b 和w u s b 相关理论和技术，然后对w u s b 的底层协议m a c 层的性能 进行了分析，在此基础上对m a c 层的q o s 进行了深入研究通过对m a c 层p c a 和d r p 两种模 式的吞吐量的研究分析，给出了提高吞吐量的方法利用基于概率分布的马尔可夫链( m a r k o v c h a i n ) 数学模型，对m a c 层的d r p 协议的延时性能进行了理论研究，给出了超帧中任意的m a s 预约方 式下的二维嵌入式马尔可夫链模型并根据此模型推导出了包的平均延时性能最后根据给定的 m a c 层和p h y 层协议参数，对推导出的延时模型进行了验证结果表明，不同的时隙分配方式会 产生不同的延时性能，而均匀分布的m a s 预约延时性能最好。 论文最后给出了u s b 技术的一个应用来电显示电话机u s b 接1 3 的设计该系统改进了来电 显示电话机与计算机的接口设计。采用u s b 接口完成了对来电显示皂话兹据的采集、处理以及对来 电数据的u s b 传输。 本文推导出的理论模型和给出的分析结果，对实际的w u s b 网络及v p a n 同络的规划和实麓 具有一定的参考价值本论文的研究工作，为v p a n 技术的进一步研究提供了依据 关t 词i啪；i m b o a o m a c lq 鸪；吞吐l 鼍时 ：垒! 墅堕 u s bo j n i v e m a ls e r i a lb u s ) i san e ws t a n d a r di n t e r f a c et oc o n n e c tp ca n dp a r i f l l e r a l s , n o w a d a y si ti s u s e df r e q u a a t l yi np cp e r i p h e r a l s a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fw b w ”s t u d yf o rw i r e l e s su s bh a s b e e nc o m m e n c e d w u s bi san e ws t a n d a r do f w i r e l e s se o m m t m i e a t i o n s st e e h n o l o g yc a nt h r o wa w a y t h ew i r ew h i l ek e e p i n gt h eh i g hs p 。酣o f u s b ，i t t a k ee n o u g hc o n v e n i e n c ea n dm o b i l i t yt oa l lk i n d s o f t l a er m i p h e r a l s i nt h i sf l i e s i s , a u t h o rf i r s t l yi l l l l o d 嘲t h co v 洲e wo fu 踮，t h e na n a l y s e st h ep e f i i 舭叫l o ft h e m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lo fm b o aw h i c hi st h eb o t t o mp r o t o c o lo ft h ew u s b m a c p r o t o e o io f o ac o n s i s t so fd i s t r i b u t e dt e s l ：l v a t i o i lp e r i o d ( d i 心) a n dp r i o r i t i z e dc o n t e n t i o na c c e 靼 o c a ) w h e r e d l 冲p r o v i d e s f l e x i b l e d i s t r i b u t e ds l o tr e s e r v a t i o n f o r q u a l i t y o f s e r v i c e ( q o s ) s u p p o r t a t k t l m t , l l a eq o so fm a ci sa n a l y z e di nd e t a i l t h r o u g ha n a l r 五n gt h r o u g h p u to fd r pa n dp c a , t h ew a y so f i l l e r e a s i n gt h r o u g h p u ti sp u tf o r w a r d am a r k o vc h a i nm o d e li sc h o s e nt oa n a l y s et h ed e l a yp e r m o l m a n o fd r p , w h e r et h er e s e r v e dp e r i o d i c a ls l o tp a t t e r ni ne a c hs u p e r - f l a m ef o rs t a t i o nc 柚b ea r b i t r a r ya n dn o t e v e n l yd i s t r i b u t e d t oa d d r e s st h ed i f f e m n i nd c h yp e r f o r m a n c ei n l z o d u e e db yr r v a t i o np a t t e r n , a b i - d i m e n s i o n a lm a l k o vc h a i nm o d e li se d u c e d 1 1 ”a c c u r a c yo f t h em o d e “sv e f i 丘e da n ds i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t l 址et h a tb e t t e rd c l 丑yp e r f sc 锄b ea c h i e v e di ft h er e s e r v e dm a s sa r ca l l o c a t e dm o l e e v e n l y a tl a s t , a p p f i c s t i o ns y s t e mt h a ti st h ec a l l e r - i dt e l e p h o n ew i t hu s bi n t e r f , mi sc l e v e l o p m e n t 缸 1 1 i i ss y s t e mi m p r o v e st h ei n t e r f a c ed e s i g ni , , t w e e l ac a l l e r - i ) t e l e p h o n ea n dp c , a n da e h i “e st o u o c s t o r ea n di r a n m i td a t ab yu s i n gu s bi n t e r f a c e m a n a l y s i sm o d e l sa n dr e s u l t si nt h i sp a p e r 啦h e l p f u l 衙t h cl a y - o u ta n di m p l m 咖o f t h ea c t u a l w i j s bs y s t e m a n d w p a n a n d t h e w o r k s o f t l a i s p a p e r a l s o h e l p t h e f u r t h e rr e s e a r c h o f t i l e w p a n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人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已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 1 1 引言 第一章绪论 随着电子计算机技术的迅速发展，对各种外设的需求越来越多，实现各种不同特点的外设与计 算机的互联通信成为计算机技术发展中的一个突出问题。为了解决这一突出问题，出现了通用串行 总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 技术，由于其具有终端用户的易用性、广泛的应用性、带宽的动态 分配、优越的容错性能等特点，己逐步成为计算机的主流设备接口，也逐渐成为了p c 机事实上的外部 通讯标准。 为了适应各领域对数据传输和接口技术的需要，u s b 技术的标准从1 - o 发展到了2 0 ，数据传输 的速率也从最初的1 5 m b i t s 提高到了4 8 0 m b i t s 。在传输速度大幅度提高的同时，u s b 更是紧跟通 信技术的无线化趋势。将传统基于线缆的u s b 扩展为基于无线传输平台的无线u s b ( w i r e l e s su s b 或w u s b ) 。这种新的高速无线个人互连技术，在继承传统有线u s b 2 0 标准所具有的较高传输速率 优势的同时，充分利用无线传输技术的灵活性与极高的自由度。免除了有线u s b 需要线缆连接所带 来的各种不便，为互连设备提供了更大的便利性与可移动性”1 。 目前，无线网络技术的发展方兴未艾，针对不同的应用领域，出现了许多的标准，如无线局域 网( w l a n ) 标准i e e e 8 0 2 1 1 ，作为一种小范围内的宽带无线接入技术己取得了广泛的应用。作为短 距离无线网络无线个域网( w p a n ) 也开始进入实用阶段如由i e e e $ 0 2 1 5w p a ni ：作组在1 9 9 9 年制定的标准蓝牙，就结合了低成本与易使用的特性。针对宽带多媒体应用的市场，w u s b 、无线 i e e e l 3 9 4 和高清晰度t v ( 衄t v ) ，下一代w p a n 期望提供更高的数据率和支持更好的服务质量 ( q o s ) ( 3 1 。 w u s b 的能耗应该控制在蓝牙，红外等短距离无线传输技术之下，才能更好地发挥其作用。 w u s b 是以电脑为中心的网络，故设备端的芯片无需加入决定主从关系的协议，这样可减小电路规 模义可脐低功耗。 虽然目前对w u s b 技术的研究才刚刚起步，但是已经取得了显著的成果。2 0 0 5 年5 月2 4 日， 在加利福尼亚召开的w u s b 技术开发者会议上，w u s b 促进联盟宣布已经圆满完成对w u s b 规范 1 0 的制定，f 一步的计划是将w u s b 的规范过渡给u s b 实施者论坛( u s b i f ) ，由u s b i f 完成协 议的测试、注册和市场开发。目前，w u s b 成立了兴趣小组，正在获得更广泛的工业支持。在今后 的几年中w u s b 技术将完成一系列i ：作，包括完成外围设备开发j i ：具包设计，制定适合u s b i f 所要遵循的稗序建立协同i ：作实验室帮助开发早期的产品，确立方便多用户互操作的物理层和 媒体访问控制层。下一步w u s b 将着力解决主机的无线系统开发、外围设备开发、w u s b 加密卡 开发、有线设备适配器开发等一系列技术难题。 随着技术的发展，w u s b 芯片将会被植入到许多产品中，在众多移动终端中发挥作用。未来 w u s b 将会向整合的方向发展，变成一个标准芯片组的一部分。同时，工业上也在开发w u s b 产 品，保证电脑以外的设备，包括计算机外设、电子消费设备甚至未来的家庭影音设备都能够与计 算机保持良好的兼容性，为消费者提供更便捷的服务。 随着时间的推移，w u s b 必将把人们的生活全面带进无线环境中。除了免除布线的麻烦之外， w u s b 的传输距离也能保证大部分家庭 j 户的需要。相信在不久的将来我们将生活在无拘无束的无 线环境中口i 。 东南大学硕士学位论文 1 2 u s b 技术概述 1 2 j 传统u s b 技术 传统u s b 技术指采用u s b l 1 技术规范和u s b 2 ，0 技术规范的计算机设备接口，目前已成为了 p c 机事实上的外部通讯标准。u s b 2 0 与u s b i 1 完全兼容，两者之问的转换对最终用户来说是无 缝的。u s b 的主要特点i j j ： 为所有的u s b 外设提供了单一的标准连接类型这样就简化了u g b 外设的设计，实现了 单一的数据通_ l f 接口。 整个u s b 系统只设有一个端口和个中断，节省了系统资源。 支持热插拔( h o tp l u g ) 和即插即用( p l u g - a n d - p l a y ) 。 在设备供电方面提供了较大的灵活性u s b 直接连接到集线器( h u b ) 或主g t ( h o s t ) 上的设 备既可以通过u s b 电缆供电也可以通过电池或者其它的电力设备来供电，也可以使用两种供电方 式的组合，并且支持节约能源的挂机和唤醒模式。 提供全速1 2 m b p s 的速率和低速】5 m b p s 的速率来适应各种不同类型的外设，u s b 2 0 还支 持4 8 0 m b p s 的高速传输速率。 为了适麻笄种不同类型外围设备的要求，u s b 提供了四种不同的数据传输类型。 端口具有很灵活的扩展性，一个u s b 端口串接上一个u s b h u b 就可以扩展为多个u g b 端 口，一个u g b 系统可连接多达1 2 7 个设备。 1 2 2 u s b o t g 规范 根据u s b 规范，u s b 系统是一个基于主机的“主从”结构，不支持非主机的点对点连接，即u s b 系统必须再己合p c 机才能使用。但u s b 规范并没有强制性要求使用这种以p c 机为中心的模式。为 突破上述限制，业界2 0 0 1 年制定出u s b o n t h e g o ( o t g ) 规范，使得带有标准u s b 接口的便携式 设备在采t 【 jo t g 技术以后，可以成为个有限功能的u s b 土机，从而可以实现便携设备之间的直 接且联。但o t g 不是一个独立的技术规范，而是u s b 2 0 行业规范的一个补充它是在兼容u s b 技 术的基础上。通过定义o t g 设备专有的连接器和适配器，以及特殊的用于o t g 设备在主机和外设 之间角色转换的补充规范，来完成o t g 设备之间，o t g 与标准u g b 设备之间的数据通信l ”。 1 2 3 w u s b 技术 为了实现无需线缆也可以提供有线u s b 的功能，2 0 0 4 年w u s b 推广工作组宣布正式成立井获 权制订w u s b 规范。2 0 0 5 年5 月2 4 日，在加利福尼亚召开的w u s b 技术开发者会议上，w u s b 促进联盟官布已经圆满完成w u s b 规范j 0 的制定。 w u s b 并非孤立的技术，在p c 主机和外设这两端依然以u s b 的方式工作，所以必须有一个 与u s b 兼容的鹿用协议栈。其协议基本架构如l 墨| 卜1 所示1 4 l 。 w u s b 技术与w l a n 、g p r s 等无线传输技术不同i ，】。在物理层，w u s b 并北使用常规的无 线电波作为数据载体，而是采用与军用雷达相似的脉冲电波，即超宽带技术( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) ， u w b 是由m b o a _ 手i i 无线多媒体联盟w i m e d i a 共同制定的无线标准，m a c 层是物理层的控制器层。 住其上面是w i m e d i a 的汇聚层，有点类似丁t 链路层或事务层。w i m e d i a 汇聚层的上面就是应用层 面的w u s b p j 。而其他一些菲u s b 设备也可能需要通过u w b 的射频来进行无线收发，即w u s b 需 2 蔓二垩堕丝一 要分享u w b 射频 网络层及应用层 f 协议变换层 ( w l m e d i a 的汇耀层) f m a c 层 f 物理层 由无线u s b 推广组娩定的上层 考虑协议差异的软件摧 ( 由w t m e d i a 制订) 由枷o a 制订 m 日o f d m 【由l k 佃o a 铂订) 图1 - 1w u s b 协议基本架构 作为有线u s b 在无线领域的扩展，w u s b 的设计目标是向用户提供有线u s b 的功能而无需 线缆的连接。为了实现这个目标，设计时对如下一些重要问题做了充分的考虑：与有线u s b 体 系的兼容性：保留原有u s b 任务划分模型：提供高效的电源管理机制：提供安全机制； 更加易丁使用。 l 。3 本论文研究内容与组织结构 本文主要研究w u s b 接口的技术规范，针对该规范，对w u s bm a c 层的服务质量进行深入研 究。 全文共有7 章，内容安排如下： 第一章绪论，介绍本论文的研究背景以及论文的组织结构。 第一二章介蜊有线u s b 的通信规范。主要从u s b 外设开发的角度介绍u s b 的系统组成和软硬件 框架，阐述u s b 系统中的通信数据流，解释端点、管道和事务等核心概念，说明数据传输的各层次 和四种数据传输类帮。 第二章介壬f w u s b 的通信规范。w u s b 技术规范涉及多层协议栈，本文介绍其不同于有线u s b 的规范，主要是w u s b 的通信流模式。 。 第四章介绍w u s bm a c 层规范，分析了作为媒体访问方法的分布式预约协议( d r p ) 和基于 优先级竞争访问( p c a ) 的f ：作原理。 第元章对w u s bm a c 层q o s 进行了分析研究，从理论上分析了m a c 层的理论最大吞吐量和 分布式预约协议( d r p ) 的延时性能并给出了相应的结论。 第人章给出了u s b 的一个应用实例：基于u s b 接口的来电显示电话机的设计与实现。 第七章对全文做了总结并对今后的发展研究方向做了展望。 第二章u s b 通信规范 第二章u s b 通信规范 w u s b 技术是在有线u s b 技术基础上，把物理层中支持u s b 2 0 的部分换成w u s b 的部分， 故许多有线u s b 中的部分功能不用修改仍可在w u s b 中继续使用。本章对有线u s b 协议作简要介绍m 。 2 1u s b 系统构成 一个u s b 系统可以从u s b 互连，u s b 设备，u s b 主机这三个方面来描述 2 1 1u s b 互连 u s b 互连是指u s b 设备与主机之间进行连接和通信的操作主要包括以下几方面： 。 ”总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接方式： u s b 的总线结构是采用阶梯式星形的拓扑结构。u s b 的设备包含了两种类型：u s b 集线器与 u s b 设备。伉丁虽顶端的就是h o s l ( 主机端) 。从h o s t 往f 连接至h u b ( 集线器) ，再由集线器按阶梯 式以一层或一阶的方式往卜j 扩展出去，连接在下一层的设备或另一个集线器上。而其中最大阶层数 为6 层( 包括计算机内部的根集线器) 。 总线拓朴结构包括四个重要的组成部分： 主机和设备：u s b 系统的基础组成部分； 物理拓朴结构：描述u s b 系统中的各组成部分是如何连接起来的； 逻辑拓朴结构：描述u s b 系统中各组成部分的地位和作用，以及描述从主机和设备的角度 观察剑的u s b 系统： 客户软件层与应用层的关系：描述从客户软件层看到的应用层的倩况，以及从应用层看到的 客户软件层的情况。 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：描述了数据在系统中通过u s b 从产生方到使用方的流动方式； 4 u s b 的调度：u s b 提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传 输，并且避免优先级判别的开销。 2 1 2 u s b 主机与u s b 设备 在整个u s b 系统中只允许有一个主机。主计算机系统的u s b 接口称作u s b 主控制器。u s b 主控制器是硬件、固件和软件的联合体。根集线器是集成在主机系统中的，用以提供更多的接入端口。 u s b 的士机通过主机控制器与u s b 设备进行交互。主机功能如下： 1 ) 检测u s b 设备的安装和拆卸 2 ) 管理在土机和u s b 设备之间的控制流和数据流： 3 ) 收集状态和动作信息： 4 ) 提供能晕给连接的u s b 设备。 主机上u s b 的系统软件管理u s b 设备和主机上该设备软件之问的交互，u s b 系统软件与设备 软件之问有无种相且作用方式： 1 ) 设备编号和设置； 5 - 东南大学硕士学位论文 2 ) 同步数据传输： 3 ) 异步数据传输： 4 ) 电源管理： 5 ) 设备和总线管理信息。 只要可能，u s b 系统软件就会使用目前的主机软件接口来管理上述几种方式。 从协议的角度，u s b 设备包括： 1 ) 集线器：提供用以访问u s b 总线的更多的接入点： 2 ) 功能器件：为系统提供特定功能，如i s d n 的连接、数字的游戏杆、扬声器等。 u s b 设备提供的u s b 标准接口的主要依据： 1 ) 对u s b 协议的运用； 2 ) 对标准u s b 揲作的反馈，如设置和复位： 3 ) 标准性能的描述性信息。 2 2 u s b 通信流 u s b 提供了主机与所连接的u s b 设备之间的通信功能。不同层次的实现对u s b 有不同要求， 这使得必须从不同的层次观察u s b 系统。u s b 系统提出了一些重要的概念和特性来支持u s b 设备 在p c 机上可摧运彳j ：。u s b 以分层的方式使不同层次的开发者只需要关心u s b 相关层次的特性功能 细节，而不必掌握从硬件结构到软件系统的所有细节。u s b 的这种层次结构如图2 i 所示。 图2 - 1u s b 通信参考模型 u s b 主机上的软件与客户的u s b 功能模块之间建立通信通道，软通道在上层提供逻辑的横向 联系，硬通道贯穿土机和设备的所有层次，真上e 实现数据的流动。从逻辑上讲，u s b 数据的传输是 通过管道进行的整个u s b 的通信中包含了一个丈的管道( 如全速为1 2 m b p s ) 以及高达1 2 7 个小 6 第二章u s b 通信规范 的管道，每个小管道再连接到u s b 的设备上，每个连接到设备的小管道又可以再细分为许多的微管 道。u s b 系统软件通过缺省管道( 与端点0 相对应) 操控设备，设备驱动程序通过其它管道来管理 设备的功能接口，实现普通数据的交互。而物理的数据流是这样的：设备驱动程序通过对u s b d 接 口( u s b d r i v e r i n t e r f a c e ) 的调用发出i r p ( i o r e q u e s t p a c k e t ) ，u s b 驱动程序接到请求后，调用h c d 接口( h o s t c o n t r o l d r i v e r i n t e r f a c e ) ，将i r p 转化为u s b 的传输，一个i r p 可以包含一个或多个u s b 传输；接着h c d 将u s b 传输分解为数据交易( t r a n s a c t i o n ，或事务) ，再由主控制器以包的形式发 送出去。每个事务都是由包组成，每个包中包含了信息。 2 3i j s b 的数据传输方式 虽然u s b 设备的软硬件会自动处理所有传输的细节，但是如果想要设计u s b 设备，我们仍然 需要对接口的内部工作原理有相当程度的了解。每一次传输是由事务( t r a m a c t i o n ) 所组成，每一笔事 务都是由信息包( p a c k e t ) 所组成，每一个信息包则包含了传输的信息。为了满足不同外设和用户的 需求，u s b 提供了四种传输方式：控制传输( c o n t r o lt r a m f e r s ) 、块传输( b u l kt r a n s f e r s ) 、中断传 输( i n t e r r u p t i r a n s f e r s ) 和同步传输( 1 s o c h r o n o u s i r a n s f e r s ) 。它们在数据格式、通信流方向、数据包 容量限制、总线访问限制、所要求的数据顺序等方面有着各自不同的特征。在实际开发过程中，可 以采用其中的一种或几种方式来设计系统。 2 4 u s b 事务处理 u s b 事务处理是主机与u s b 设备间数据传输的基本单位，由一些具有特定格式的信息包组成 根据所含信息包的种类，可将一个事务处理分为三个阶段：令牌、数据和握手。所有的的事务处理 都必须以令牌包开始。 所有信息包都是以同步域s y n c 开始的，然后是具有特定格式的域，最后是包结束域e o p 。各 种信, g g 的格式如表2 1 所示。 表2 1 各种包的格式 令牌包 p i da d d re n d pc r c 5 数据包 p dd a l ac r c l 6 s 1 眦e o p 握手包p m 帧开始p d帧标号c r c 5 同步域被用于本地时钟与输入信号的同步，并且在长度上定义为8 位，s y n c 的最后两位作为 一个记号，表明p i d 域( p a c k e ti d e n t i f i e rf i e l d ) 的开始。 p i d 是由一个4 位的分组类型码加上4 位类型码的反码组成，其格式如表2 2 所示。p i d 指明了 包的类型及其格式，主机和所有的外设都必须对接收到的p i d 域进行解码如果出现错误或者解码 为未定义的值，那么这个包就会被接收者忽略，如果外设接收到一个p i d ，它所指明的操作类型或 者方向不被支持，外设将不做出响应。 外设端点都是由地址域指明的，它包括两个子域：地址域和端点域，外设必须解读这两个域， 其中有任何一个不匹配，这个令牌就会被忽略。a d d r 共7 位，因此最多可以有1 2 7 个地址。一旦 外设被复位或上电，外设的地址被缺省为0 ，这时必须在主机枚举过程中被赋予一个唯一的地址。0 地址只能用于缺省值而不能分配作一般的地址。端点域( e n d p ) 有4 位，它使设备可以拥有几个子通 道，所有的设备必须支持一个控制端点0 ( e n d p o i n to ) 。低速的设备最多支持2 个端点0 和一个附加 端点，高速设备可以支持最多1 6 个端点。 ，- 东南丈学硕士学位论文 帧号域是一个1 i 位的字段，主机每过一帧就将其内容加一帧号字段达到其悬大值o x 7 f f h 时归零，这个域只存在于每帧开始时的s o f 令牌中。 数据字段可以在0 到t 0 2 3 字节之网变动，但必绠是整数个字节， 表2 2p i d 类型 p i d 类型p 1 d 名称 p i d 3 ：o 】 说明 o u t0 0 0 1 b地址+ 端点号用于主机向u s b 设备发送数据 令牌 【n 1 0 0 i b地址+ 端点号，用于u s b 设备向主机发送数据 ( t 0 k o n )s o f 0 1 0 i b帧标志，表示帧标号开始 s e l u p1 1 0 1 b地址+ 端点号，用于主机向u s b 设备发送配置信息 d a a 固0 0 1 l b 偶数据包 羲据 d a t a l1 0 1 i b 奇数据包 ( d a t a ) d ：i a 20 0 i i b 高速同步事务专用的数据包 m d d 1 a1 1 l l b高速同步事务和s p l i t 事务专用的数据包 a c k0 0 1 0 b接收端接收到无误的数据分组 拦手n a k1 0 l o b接收设备不能接收数据或发送设备不能发送数据 ( 弛唰鲥堪b ) s r a l 0l i l o b端点被静止 y n e t0 1 1 0 b 接收方将无任何响应 眦1 1 0 0 b( 令牌) 主机发出低速通信的前导信号 专用e r r1 1 0 0 b ( 握手) 用于s p l i t 事务的错误握手 岱p 触) 辩 l l t1 9 0 0 b c - 牌) 异l 于高速s p l i t 事务的令牌 p l n go 1 0 0 b ( 令牌) 用于块f 控制端点的高速数据流量控制检测 2 5u s b 设备的枚举过程 每一个u s b 设备在正常工作之前，主机必须通过了解该u s b 设备的配置和能力并为其选择合 适的配置和接口，最后再给其加载相应的驱动程序，为u s b 设备的使用做好准备。枚举所定义的就 是这个过程，它是主机与u s b 设备最初的数据交换，其主要过程如下： t ) 设备连接：u s r 设备接入u s b 总线； ( 2 ) 设备上电：u s b 设备可以使用u s b 总线供电。也可使用外部电源供电； ( 3 ) 主机检测到设备，发出复位； ( 4 ) 设备默认状态；设备要从总线上接收到一个复位信号后。才可以对总线的处理操作做出响应 设备接收到复位信号后，就使甩默认地址( 0 0 h ) 来对其进行寻址 ( 5 ) 地址分配：当主机接受到有设备对默认地址响应的时候。就对设备分配一个空闲的地址，以 后设备就只对该地址进行响应。 ( 6 ) 读取u s b 设备描述符：主机读取u s b 设各描述符，确认u s b 设备的属性。 ( 7 ) 设备配置：主机依照读取的u s b 设备描述符进行配置，如果设备所需的u s b 资源得以满足 就发送配置命令给u s b 设备，表示配置完成。 ( 8 ) 挂起：为了节省电源，当总线保持空用状态超过3m s 以后，设备驱动程序就会进入挂起状态； 在挂起状态时，设备的消耗电流不超过5 0 0 w a 。当被挂起时，u s b 设备保留了包括其地址和配置信 息在内的所有内部状态。 完成上述几个步骤后，u s b 设备即可使用。在枚举的过程串，设备不一定要求进入挂超状态t 8 第二章u s b 通信规范 2 6u s b 标准设备请求 u s b 标准设备请求是用来完成u s b 设备枚举的命令，u s b 设备必须对标准设备请求做出响应， 无论该设备是否已经被分配了一个默认的地址或该设备目前正在配置。所有的标准设备请求都是使 用默认管道来传输的。 所有的u s b 设备在设备的缺省控制通道( d e f a u l tc o n t r o lp i p e ) 处对主机的请求发出响应。这 些请求是通过使用控制传输来达到的请求及请求的参效通过s e t u p 包发向设备，由主机负责设置 s e t u p 包内的每个域的值。每个s e t u p 包有8 个字节。 2 7u s b 设备的描述符 u s b 设备的描述符是对u s b 设备的属性说明，一个描述符是具有一个确定格式的一个数据结 构。每个描述符都以一个一字节宽并包含了该描述符中所有字节数的域为开始，再跟上一个说明描 述符类型的一字节宽的域。标准u s b 设备有5 种u s b 描述符，分别是设备描述符、配置描述符、 接口描述符、端点描述符和字符串描述符。u s b 描述符是通过g nd e s c r i p t o r 来读取。 设备描述符是说明设备的通用信息，一个设备只有一个设备描述符。端点描述符说明了接口所 提供的配置。端点描述符包括了端点的类型、大小等信息。u s b 设备中的每一个端点都有自己的描 述符。字符串描述符是可选的。 不管设备是否被分配了非缺省地址或设备当前是被配置了的。它们都应当对标准请求产生响应。 特性选择符被用来设置特性或使特性生效。比如说某个设备、接1 ：1 、或结点的远程唤醒功能。 2 8 本章小结 本章介绍了有线u s b 的体系结构，主要介绍了有线u s b 体系结构中的总体结构、u s b 设备的 枚举过程、事务处理的概念和u s b 标准设备请求、设备描述符的基本规范。充分理解这些规范对于 u s b 外围设备开发有着重要的意义。 9 第三章w u s b 通信规范 3 1w u s b 的体系结构 第三章w u s b 通信规范 w u s b 系统由一个u s b 主机、多个u s b 设备和u s b 互连机制共同构成。u s b 互连机制是u s b 主机与u s b 设备之间进行连接和通信所使用的一系列策略的总称，它涉及三个方面的内容： ( 1 ) 拓扑结构：指的是u s b 设备与主机之间的连接模型； ( 2 ) 数据流模型：规定了u s b 系统中数据传输机制； ( 3 ) u s b 总线调度：支持共享式的互连，对所有接入互连的请求进行调度以支持同步的数据 传输，降低由仲裁所带来的额外负荷。 本章内容参见文献【l l 】。 3 1 1 拓扑结构 在w u s b 系统中，主机和设备的连接采用了如图3 - 1 所示的 h u ba n ds p o k e 模型。w u s b 主机 作为系统的h u b 处在模型的正中央，一个u s b 主机理论上能够支持多达1 2 7 个u s b 设各各w u s b 设备处于每段s p o k e 的末端，每段s p o k e 代表着一个w u s b 主机到w u s b 设备之间的点到点连接1 6 j 。 图3 - 1w u s b h u ba n ds p o k e ”模型 w u s b 主机与计算机系统的接口也称为主机控制器，一般通过内部总线p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t i o n ，外设部件互连) 与计算机相连。 a q j s b 标准同时又定义了另外一种主机 控制器与计算机之间的互连方式，即通过一个有线适配设备来连接u s b 主机与计算机。 3 1 2 数据流模式 w u s b 的简化拓扑结构与u s b 2 0 相同，这样做的明显优势是把物理层中支持u s b 2 0 的换成 支持w u s b 的部分以后，许多u s b 2 0 中的部分功能不用修改仍可在w u s b 中继续使用。w u s b 设备无须实际连接到w u s b 主机。主机通信范围内的设备与主机通信之前，要先建立一个安全关联 东南大学硕士学位论文 圈，之后加密的数据才能通过无线通道传输。主机和与之相关联的设备被称为一个w u s b 集群。一 个w u s b 集群是由一个w u s b 主机和所有受主机管理的w u s b 设备组成，如图3 - 2 所示唧。功能 层与u s b 2 0 标准几乎保持一致，只在同步传输模式增强上作了极小的改动，目的是使功能层对总 线层的不可靠性有所反映；设备层增加了些安全性扩展和无线媒介设备管理的控制命令，改动较 小；总线接口层是改动较大的一层，主要针对无线传输增加了一个高效安全的通信服务机制。 3 1 3 总线协议 w u s b 主机w u s b 设备 i 客户软件卜本。2 。o。i功能 j 叻能层 一 l 叮、 - l w u s b l 莹备 i 要堡丝苎j t 喜缸 至橱： _ 实际的通信流辞= 。争逻辑的通信漉 图3 - 2w u s b 数据通信拓扑图 与有线u s b 2 0 标准类似w u s b 标准采用的也是基于t d m a ( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s 时分多路复用) 轮询方式的总线协议。协议规定了由主机控制器发起数据传输，每次传输过程由三 个阶段构成：令牌、数据和握手。为了提高无线传输的信道利用效率。w u s b 标准去除了有线u s b 2 0 标准中原有的一些发送和接收之间低效的状态转移过程，将多个令牌信息放到一个特定分组中传 输，在此分组中主机同时指示了相应设备发送、接收或参与握手的恰当时机，极大地提高了无线 物理层的传输效率。 3 2w u s b 的增强技术 在有线u s b2 0 标准基础上，w u s b 增加了一些无线传输平台下的增强技术四。 l 、物理接口 w u s b 采用了m b o a 制定的u w b 超宽带物理层标准，该标准具有发射信号功率谱密度低、系 统复杂度低、对信道衰减不敏感等诸多优点，尤其适合w u s b 的室内密集多径场所的高速无线接 入。u w b 能够支持5 3 3 、8 0 、1 0 6 7 、2 0 0 、3 2 0 、4 0 0 和4 8 0 m b p s 等多速率和多通道的数据传输， 同时也提供了较好的差错检测和校正机制。w u s b 标准中，规定了w u s b 主机必须支持上述所有 的传输速率，而对w u s b 设备则不要求支持上述所有的传输速率。 - 1 2 第三章w u s b 通信规范 2 、电源管理 不使用线缆连接，同时也就失去了一种最直接的供电方式，因此电源管理是w u s b 必须解决 的一个关键问题。w u s b 标准分别为w u s b 主机和w u s b 设备提供了各自不同的电源管理机制。 相比而言，w u s b 设备对电源管理的要求更高，它主要有三种方式来管理电源损耗： ( 1 ) 利用w u s b 总线协议基于t d m a 的特点，在w u s b 设备不工作期间关闭无线收发模块 以降低电源能量的损耗，该方式可以在任意时刻进行而不会影响到w u s b 主机的正常工作。 ( 2 ) 在保持与主机连接的情况下，w u s b 设备可以进入睡眠状态以降低电源损耗，在此期间 不会响应来自主机的任何通信请求，但设备在进入这种睡眠状态之前，必须先通知主机。 ( 3 ) 通过与主机的断开连接以节省电源。w u s b 主机也有两种方式来管理电源损耗：第一种 方式与w u s b 设备节省电源损耗的第一种方式相同，都是利用了w u s b 总线协议的t d m a 特性 在特定时间内关闭无线收发以降低电源损耗；第二种方式则是通过中断w u s b 信道来实现电源损耗 的降低。 3 ，有线适配设备 w u s b 标准定义了一个新的u s b 设备类型：有线适配设备。其中一类设备称为d w a ( d e v i c e w i r e a d a p t e r ，设备有线适配器) ，用于适配有线u s b 备，使之能与一个w u s b 主机连接 另一类设备称为h w a ( h o s tw i r ea d a p t e r ，主机有线适配器) ，它为有线u s b 主机提供w u s b 功能 的扩展图3 - 3 显示了这两类设备提供的有线适配功能。 图3 - 3 有线设备应用拓扑 4 、安全机制 w u s b 标准中规定了在m a c 层使用安全机制。w u s b 主机和设备工作在m a c 层安全模式， 这个模式确保了w u s b 设备可以使用封装在m a c 层数据帧中的w u s b 控制请求来建立连接。设 备在完成w u s b 所规定的4 路握手过程之后，从主机端接收到一个组密钥，不过在此之前，设备 必须能够从主机发出的调度命令中定位主机并开始这个4 路的握手过程。当设备接收到组密钥之后， 就开始了m a c 层调度命令的验证过程。w u s b 标准规定数据通信必须周期性进行以维持w u s b 主 机和w u s b 设备之间的信任关系。如果在一个信任时间段内，w u s b 主机没有从一个w u s b 设 备端接收到任何经过验证的数据，或者一个w u s b 设备没有从w u s b 主机端接收到任何经过验证 的数据- w u s b 主机或设备必须强制进入一个重新验证的过程以恢复正常的数据通信。通常这个 信任时间段设定为4 秒钟。 3 3w i j s b 通信流 无线物理层在一定的频率范围内，通过编码和其他机制安排数据进入信道( 或信道集) ，通过这 种方法主机和设备间发送或接收基本位流。数据链路层( d l l ) 的功能是：通过编码把数据比特流 变成数据包，或通过解码把数据包变成数据比特流；封装传输协议；管理和处理物理层中的传输差 1 3 - 东南大学硕士学位论文 错；流控制以及帧同步。d l l 层包括m a c 子层和l l c 子层，应用层使用由m a c 子层和物理层提 供的低级信道服务。 3 3 1w u s b 信道模型 w u s b 使用m a c 层和物理层，为此定义了几种接入m a c 层信道的方法，包括信标( 作为定 位