（信息与通信工程专业论文）基于usb接口的数据采集系统研究与设计.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论史 摘要 随着计算机技术的不断更新和多媒体技术的快速发展，传统的计算机外设接口 存在许多缺点，已经不能适应计算机的发展需要。最近推出的通用串行总线u s b ， 由于速度快，使用方便灵活，易于扩展，支持即插即用，成本低廉等一系列优点，从 而得到了，泛的应用。与其他的接口不同，u s b 接口规范是完全开放的，因此， 它获得了前所末有的生命力。u s b 作为一种新型的接l 技术，以其简单易用、速 度快等特点而备受青睐。 本文首先介绍了数据采集与处理和u s b 总线的发展现状，接着简单介绍了设 计叶所用的接口芯片p d i u s b d l 2 的性能和特点，并给出了它与a t 8 9 c 5 1 的硬件 连接简图。论文重点对固件程序设计和驱动程序开发进行了深入的论述。固件程 序设计部分，详细介绍了各模块程序的设计过程，并给出了部分源代码和程序流 程图。驱动程序开发部分，首先对一些驱动程序丌发的工具进行了比较，重点论 述了利用w i n d d k 进行u s b 驱动程序设计的全过程。主机应用程序主要是对采 集系统进行控制并显示采集后的数据，程序设计相对简单。 关键词：u s b 固件设计驱动程序p d i u s b d l 2 笫i , j 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t hc o n t i n u a lr e n o v a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n df a s td e v e l o p m e n to ft h e m u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t h et r a d i t i o n a lp e r i p h e r a li n t e r f a c ec a n tm e e tt h ed e v e l o p m e n t o ft h ec o m p u t e rf o ri th a sal o to fs h o r t c o m i n g s t h eu n i v e r s a ls e r i a lb u si sp u to u t r e c e n t l y ，a n di th a sas e r i e s o fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs p e e d ，e a s i n e s st ou s ea n d e x p a n d ，s u p p o r t i n gp l u ga n dp l a ya n dc h e a pc o s t ，s oi t i sw i d e l yu s e d d i f f e r e n tf r o m o t h e ri n t e r f a c e s ，u s bi n t e r f a c en o r mi s t o t a l l yo p e n e d ，s o i t h a so b t a i n e d u n p r e c e d e n t e dv i t a l i t y t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fd a t a a c q u i s i t i o na n du s bb u sa n dt h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i co fp d l u s b d l 2c h i p a tf i r s t ，t h e np r o v i d e st h eh a r d w a r ed e s i g no fa t 8 9 c 51a n dp d i u s b d12 t h ed e s i g n o ff i r m w a r ea n dd e v i c ed r i v e ri saf o c a lp o i n ti nt h i sp a p e r i nf i r m w a r ed e s i g n ，t h e d e s i g no fe v e r ym o d u l ei sg i v e ni nd e t a i l ，a n ds o m es o u r c ec o d e sa n dp r o g r a mf l o w c h a r t sa r ep r o v i d e d i nd e v i c ed r i v e rd s i g n ，s o m et o o l su s e df o rd r i v e rp r o c e d u r e d e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e d ，t h ed e s i g no ft h em a i nm o d u l ev i aw i n d d k i sd e s c r i b e d i nd e t a i l h o s tc o m p u t e ra p p l i c a t i o np r o g r a mi st oc o n t r o ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n d s h o wg a t h e r e dd a t a ，a n di ti sr e l a t i v e l ys i m p l et od e s i g n k e y w o r d ：u s b f i r m w a r e d r i v i n gp r o g r a m p d i u s b di2 第l i 负 国防科学技术大学副究生院学位论文 图1 1 图1 2 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图5l 图5 2 表2 1 表3 1 a 表3 1b 表3 1 c 表3 1 d 表3 2 表5 一l 表5 2 表6 1 图目录 分布式控制接口板l ：作流程图 u s b 数据采集系统模块图 全速设备与p c 主机连接图 控制传输实例 批量传输的过程图 a c k 握手信号被破坏后的处理 a t 8 9 c 5 l 的管脚排列 p d i u s b d l 2 的管脚排列 p d i u s b d l 2 功能框图 a t 8 9 c 5 1 与p d i u s b d l 2 相瓦连接图 固件标志程序结构图 主循环流程图 中断服务程序流程图 w d m 设备对象和驱动程序的层次结构图 即插即用设备的状态以及它们之间的转换图 表目录 u s b 缆线的信号与颜色 模式0 ：非同步模式 模式1 ：同步输出模式 模式2 ：同步输入模式 模式3 ：同步输入输出模式 命令汇总表 i r p 数据结构的简要描述 i n f 文件常用到的节 a p 函数与驱动程序例程对应关系 第i i i 虹 。巧m他m毖驺船”弭弘知郇 一 撕 ” 拍 ” 叭 如 铊 独创性声明 奉入声填嚣至交的学位论交跫我本入巍最拜稽导下进行嚣硗究工箨及取徉懿 研究成聚尽我所知，除了文中特别加以橼注和致谢的地方外，论文中不包含其 毽久琶发表孝撰写避的霹宠残暴，也琴包含荛获褥蓬貉转学技寒大举亵其宅毅寅 机构的学位或证书掰使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贯 献均邑臻论文孛佟了翡璃秘谎葫劳表示谢意 学位论文题目：基王婪墨曼接望煎熬握鍪燕蠢统赞堂皇邀i 学位论文作者签名：曼塑疆期： ? 脚嗲年? 晨厂鞋 学位论文版权使用授权书 本入究垒了髌溪跨毒孚学技术太学有关豫留，葭簿学位论文戆筑定本入羧彀 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构迸突论文的炭即件和电予文 籀，兔诲论文鼓壹鬻和嵇耀；菠毒等学链论文稳全部或部分蠹窖壤入赛美数豢簿 进行检索，可以采用影印缩印成扫描等手段保存，汇编学位论文 f 保密学位论文在解密后适攥拳授权警 学位论文题目：基王型苎旦援望数熬超舔篷丞蕴盟嚣是盗i 土 学位论文作者签名：量塞疆期：、f f 年 lf月| 厂簿 俸鬻指导教师签名：量蓬囊监甜期：叫叫年 t 1月；1 ) “日 国防科学技术大学研究牛院学位论文 第一章绪论 随着计算机微处理芯片性能的飞速发展，计算机逐渐在各种领域承担起各种各 样的复杂任务，伴随着这种广泛应用，随之而来的问题就是计算机本身软硬件资 源的不足。软件方面包括操作系统对中断及i 0 口的分配，硬件方面则是用户必须 面对如何使用有限的主板插槽来合理地接口必要的适配器，而且最大的不便就是 在每次插入或拔除板卡时，都不得不重复执行关闭机器、插入板卡、启动机器、 安装驱动、进行调试等一系列繁杂的步骤。u s b 接r 既能够最大限度地节省计算 机的软硬件资源，又能方便使用，支持热插拔，在数据采集和处理中是非常适用 的。 1 1数据采集与处理系统的发展现状与趋势 世界上第一颗d s p 芯片是美国德州仪器( t i ) 公司于1 9 8 2 年推出的第一代产品： t m s 3 2 0 1 0 。经过十几年的发展，d s p 器件在高速度、可编程、小型化、低功耗等 方面都有了长足的发展，单片d s p 芯片最快每秒可完成1 6 亿次( 1 6 0 0 m i p s ，每秒 1 6 0 0 兆次指令) 的运算，牛产d s p 器件的公司也在不断壮大。目前，市场占有率前 四名依次为：y e x a s l n s t r u m e n t s 、l u c e n t 、a n a l 。g d e v i c e 、m o t o r o l a ，涉足这一领域 的公司还有a t & t 、f u i t s u 、h a r r i s 、i d t 、n e c 、i n m o s 、o k i 、s a m s u n g 等【1 1 。 由于各d s p 厂家的竞争及生产工艺的不断提高，使得d s p 器件的价格不断下 降，且性能不断提高，这些午来基本上按照这样种规律发展，约每18 个月性能 提高一倍，而价格下降一半。d s p 器件应用面从起初的局限于军工、航空航天等 领域，扩展到今天的诸多电子行业及消费类电子产品中。 d s p 特性的体系结构使它的应用越来越广，譬如以下几个方面： 1 、经典算法：f f t 、f i r i i r 、相关等； 2 、现代算法：a r 、a r m a 、卡尔曼滤波、自适应滤波等； 3 、快速处理：实时控制、机器人视觉、电机控制( 如变频空凋) 等； 4 、图形图像处理：三维动丽、图像传输、图像压缩、电话会议、多媒体、图 像识别等： 5 、语音处理：语音压缩编码、语音识别、语音信箱等： 6 、仪器、仪表：医疗、数字滤波、谱分析等； 7 、通信：m o d e m 、程控交换机、可视电话、蜂窝站、a t m 、移动电话( 如手 第1 页 国防科学技术凡学研究生院学位论文 机) 等； 8 、瑟爰：数字音确、数字瞧程、多媒体等： 9 、军用：需达、声纳、通信等。 d s p 可能朝以下几个方面发展： i 、d s p 遗求更毫速度、曼枣舞装十秘更低功耗； 2 、d s p 的新概念； 3 、技术专用化； 4 、系统集成化： 5 、t 艺乏不断改逶，鳞梅上推舔穗耨； 6 、市场的多样化； 以前的控制器一般采用单片机，酊单片机已从4 位、8 位、1 6 位在向3 2 位发 震，黠太多数滋台来说已经缝满是要求了，因为肇片孝尼也煮诲多 莞点，翔馀旗艮 较低廉、结构简单、接口扩展能力强，但有个很明显的缺点就是数学运算能 力差，它可以应用在一些对采样信号数学处理较为简单的领域，而一些要求对信 号嬲数学处理跑骏复杂的领域束说，单片掇就显褥力不从心了，譬如是遐讯领域 和复杂控制领域等等。 还有就是在和卜- 位p c 机之间的数据传输问题上，以前的数据采集卡一般都通 过系统总线，也就是i o 通道总线、微烈计算机总线绒板级总线和上位机p c 系统， 捅疆上麓蚤扩充叛卡褶连。它爰傲羹诗算辊最重瑟熬一静总线。一觳谈至l 激鍪穰 总线，就是指这种总线。一般有以下几种标准：p c i 、i s a 、e i s a 等，其数据地址 不嗣，以适应不同的应用系统。虽然他们的传输速腱比较快，分剐为3 2 m s 、1 6 m s 、 3 2 m l s ，僵凌予p c 接口资源有羧旦嚣要对接疆卡瓣硬体资源( i o 遗蛙、痰存、中 断、d m a ) 避行合理的配鬣，因此扩展难度很大。 为了解决功能扩展接i - l 插卡最头疼的配置问题，九十年代推出了即插即用接口 卡拣准( p c i 考hi s a p n p ) ，浅即插即弼熬本输入输慰系统积鄹撼鄹用操 乍系统完成 对绩口卡资源瓣自动配置，以使功琵扩装接西器豹使焉交得秘对蔼擎方便，僵功 能扩展接口卡仍存在以f 问题：第、接口卡的配置必须停机，并需打开p c 机箱 进行安装和拆卸，这个过程仍需要一定层次的技术支持，即插即用技术的采用只 是簿诋了功麓扩矮卡弱技术黉要程度，这嚣p c 这诺广泛运矮瓣工具纛言仍鼹不是： 第二、接口卡设备驱动程序的安装、调试甚至正常运行的过穰仍需要各种技术支 持，特别是接口捕矗作为一种硬件没备插入p c 后，总要占用p c 的各种硬件资源， 即捺郄雳隽法擞能解决绝大多数静资源醚嚣，但不戆保证1 0 0 静瑟决，戮此，其 安装和配置过税仍需要人工千预。面当扩展卡较多时，常会戡现一块或多块插蠢 因无法合理配黼而不能正常工作的情况，严蕾时可导致系统崩溃；第三、接口插卡 豫2 贾 围防科学技术大学研究生院学位论文 的质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性直接影响计算机的寿 命和系统的稳定性和可靠性；g g 四、对象笔记本之类的小体积p c 很难用接口插卡 进行扩展：第五、p c 插槽中的各种接口卡受到p c 内部强的射频干扰，使其性能受 到很大的影响，除非接口 是全数字化的。 由于一般的数据采集系统存在上面诸多问题，因此采用d s p 作为控制器，而 采用u s b ( 通用串行总线) 和上位机连接将是以后数据采集处理系统发展的一种可 能的趋势。 1 2i j s b 的发展现状 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种通用串行总线。随着技术水平的提高和计 算机的广泛应用，人1 f j 对串行通信提出了更高的要求。u s b 总线是一种兼容低速 和高速的技术，为用户提供一种可共享的、可扩充的、使用方便的串行总线。由 c o m p a q 、1 n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 等公司共同开发的种新的、快速的、 双向的、同步传输的并以热捕拔的数据传输总线，简称u s b 总线。 1 2 iu s b 的发展现状 19 9 4 年t i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等七家著名的计算机和通讯公司成立u s b 论坛，1 9 9 5 年就已有p c 带u s b 口，1 9 9 7 年，微软在w i n 9 5o s r 2 中，r 始以外挂模块的形式提供对u s b 的支持。1 9 9 5 年 1 1 月，正式制定了u s b 0 9 通用串行总线规范，1 9 9 9 年初，在i n t e l 的开发者论坛 大会上，与会者介绍了u s b 2 0 规范【2 j 。 u s b 接口使用方便，它可以连接多个不同的设备，而过去的串i _ _ | 和并口只能接 一个设备。速度快是u s b 技术的突出特点之一。全速u s b 接口的最高传输率可达 1 2 m b s 比串口快了整整1 0 0 倍，而执行u s b 2 o 标准的高速u s b 接口速率更是达到了 4 8 0 m b s 这使得高分辨率、真彩色的大容量图象的实时传送成为可能。普通的使用 串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而u s b 设备则不需要。 正是由于u s b 的这些特点，使其获得了广泛的应用。到f 1 前为止，u s b 已经在 p c 机的多种外设上得到应用，包括扫描仪，数码相机，数码摄像机、音频系统、 湿示器、输入设备等。对于广大的工程设计人员来说，u s b 是设计外设接口时理想 的总线。 第3 页 田防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 2u s b 的优点 随着各种类型u s b 新产品的陆续推出，u s b 通信的优点越来越广泛地被人们 所熟知。作为通用串行数据总线，u s b 具有以下优点： l 、真正的即插即用 当启动计算机后需要再连入一个硬件外围设各时，过去的办法只能是将计算机 关闭，然后打开机箱，插入板膏，连接线缆，再启动计算机等系列的操作步骤。 然而现在有了u s b 接r _ | ，只需要将配有u s b 接口的外设插入相应的计算机机箱上 的接口，剩下的事情便完全由其和主机完成。w i n d o w s 9 8 及其以上的版本都支持 u s b 接口。 2 、通用性 u s b 在诞生之初，便以尽可能方便用户使用为同的。因此，其接口的通用性 必然是其特点之一。同时，由于越来越多的用户对u s b 的认叮，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。因此，在市场上可以方便地 得到有u s b 接r _ | 的键盘、鼠标、光驱、硬盘、摄像头等一系列的外围设备。同时， 这些设备的接口机械、电气特性都是一致的，冈此，在计算机上可以方便地连入 这些设备。 3 、系统资源的节省 正是由于不同的外设可以使用同个u s b 接口，囚此，操作系统不需为每种 设备都配置小同的中断和i o 口，从而最大限度地节省了计算机系统资源。同时， 电是由于上述特点，用户不必再为不同硬件使用系统的中断和i o 口时产生的冲突 而犯愁，也不必再要手动协凋其分配了。 4 、简易的电缆 基于a c c e s s b u s 的构想，u s b 同样只使用4 根线缆便完成了繁重的数据传输。 它们分别是电源线( + 5 v ) 、地线、两条差分的数据线( d + 、d 一) ，这就使得我们所接 触的u s b 接头相当小巧。单独的一条u s b 线可支持5 m 的传输距离，利用集线器， 可达3 0 m 的传输距离。 5 、不需要单独的电源 由于u s b 接口携带了电源线和地线，因此，它可直接从丰机的接口或集线器 上得到电源的供给。在中等电源供应的条件下，它完全可以满足设备的需求。当 然，外设也可以单独取电。 6 、速度快 在u s b l 1 版本中有两种数据传输速率：低速( l o ws p e e d ) 1 ，5 m b i t s 和全速( f u l l s p e e d ) 1 2 m b i t s ，推出的u s b 2 0 ，在数据传输速率上有了个飞跃，已经达到了 第4 负 国防科学技术人学研究生院学位论文 4 8 0 m b i t s 的理论速率。 u s b 接口规范是完全开放的，它的优点远不只这些。总之，与其他接口相比 u s b 的性价比相当高。 1 3 1 课题来源 1 3 课题来源及我的工作 本课题宅要是对“雷达信号模拟器设计”项目中计算机与外设接口电路的连 接进行了改进。在该系统中，采用分布式控制结构，控制计算机通过控制接r 板 和支路控制接口单元通过电缆连接，支路控制接口板通过支路的母板总线实现对 各支路单元电路的控制，分布式控制接口板工作流图如下： d s p ，“、 支路受控单元 总线摔制与驱动 接接 数据总线 r 口 数据总线 _ 叟路受控单元 电电 地址译码i ! 辑 路 ( t m s 3 2 0 路 地址总线 地址总线 支路受控单兀 c 5 4 0 2 ) 计算耵髀市咐妾口板如雅带咐妾【_ i 单元 图l 1分布式控制接口板工作流程图 先前开发的数据采集处理部分( 即支路控制接口单元) 采用p c i 接口与主机进 行通讯，如果传输的数据据很大的话，p c i 接口的数据传输率太低，与主机通讯要 花费很长的时间，不能完全保证数据传输的准确性。而且p c i 卡的位置在p c 机箱 内，要想添加新的端口时，就不得不打开机箱，拧松螺丝，把板准确插入插槽， 系统爿得到重新组合，过程中还容易损坏p c i 卡以及p c 捕槽，这样就给工作带来 了很大的小便。若在设计中采用u s b 接口，将火大提高数据传输速度，简化接口 和电缆，克服以上不足。本论文就是基于此而展开的。 第5 负 国防科学技术大学研究生婉学位沦文 1 3 。2 采舔u s b 蔟疆数摄采集系统瓣实魏方案 u s b 数据采集系统的硬件模块包括a d 转换器、微控制嚣、u s b 通信接口和 多路模拟开关等。硬件总铬结奉鼋如下翻掰示： 多 路 信 号 啼模 a d 微 u s b 拟 转 控 接 主 秀 换 翻 口 荚 器 器 b l 视 啼 片 i。一 图1 2 u s b 数据采集系统模块图 蓑绞黪摸羧嚣关、a d 转换器均采爝传统熬殴计方法，壤捺系绞功能、采集糖 度、速率、邋邀数等诸元潦选择合适的芯片。徽控制器采用了8 9 c 5 t ，u s b 接口 芯片用的足p h i l i p s 的p d i i j s b d l 2 。 u s b 数据采集系统的较 孛包括u s b 设备蠢件、设餐驱动糕序、主枧竣应用程 序三部分。剩粥w i n d o w sd d k 开发驱动程序，用肇片枫静c 语言进行的设备固 牛 编写，主机端应用软件采用了v c + + 6 0 编写。 系统设计巾的重点技术在于以下两点：一是设备固件的编写，设备固件除了要 完成嚣鼗据采袋系统控露l 瓣功麓岁 ，遥螫控裁u s b 逶信接口蕊片实臻u s b 协议。 遗鬻求设计者不仅要熟悉举片机程序设计，还要熟悉u s b 胁议；二是驱动程序的 丌发，开发设备驱动程序霈要对操作系统的内核商较深入的理解，对硬件的工作 方式要熟悉，嗣时霹软彳孛 廷要毙较耩邋。毽此对手楚襻静软馋开发或硬， 譬开发人 员来说，开发驱动程序都比较困难。 1 。3 3 我的工作 围绕此课题，本人主票做了以下工作： 一深入学习了u s b 接口技术的基础理论，对u s b 总线的= _ ：发技术有了仝面的 了薅。 掌握数据采集与处懋系统的设计和软硬件开发方法。 一熟悉了软件设计和开发的一般方法、步骤，使开发的软件具有较好的可靠性、 可维护性和可读性。 第6 甄 国防科学技术大学研究生院学位论文 完成主控d s p 部分硬件设计与u s b 设备同件的编写，使之能完成u s b 的枚 举、配置和通讯功能，并能有效的和其它硬件交换数据。 一对u s b 设备驱动程序设计进行了深入的研究。 对用户应用接口程序开发进行了初步的探讨。 1 4 论文的组织 本论文的研究重点在于设备固件的编写以及驱动程序的丌发，设备固件除了要 完成数据采集系统控制的功能外，还要控制u s b 通信接1 3 芯片实现u s b 协议，这 就要求设计者不仅熟悉d s p 芯片程序设计，还要熟悉u s b 协议。 综上所述，本文的组织如下，全文共分六章： 第章主要介绍了d s p 和u s b 总线的发展历程，以及本课题的基本情况。 第二章简单介绍了u s b 的总线结构、接口的电气特性以及数据传输方式等。 第三章首先介绍了a t 8 9 c 5 l 和p h i l i p s 公司生产的p d i u s b d l 2 器件的特性， 然后给出了硬件电路的设计方案。 第四章描述了单片机的固件编程的工具以及主要模块的设计方法。 第五章= 三要是针对u s b 驱动程序的编写与调试进行了详细的论述。 第六章则是说明了编写用户应用程序时用到的主要例程。 第7 负 田防科学技术大学研究生院学位论文 第二章u s b 协议简介 本章是对u s b 诲渡瓣一个概述，主要放蓉线缝梅、电气特性和数蠢传豫方式 等方面进行了介绍。 2 。lu s b 褥议慧燕 不同类型的p c 外围设备可以1 超共享u s b 接口，而且可以高达1 2 7 个外围没 备对应予单一鹣p c 主枫。其中，u s b 主扭是整个总线 二的主控者，掌握矮有的控 制粳，负责对各个外围设备发出各释设定命令与配置。u s b 是以令耱包为主的通 信协议，而主机将会于总线上发布一种令牌包，此时一定会有一个符合其地址的 设鍪，并根据这个令牌包做出相对应的操作。此外，所有位于总线的设舔是以时 瓣分隔静多任务传输( t m d ) 亲分事瓣。隧实髂熬麓点来器，u s b 饺含潮条线， 两条电源线( v e c 与g n d ) ，两条以差分方式产生的信号线( d 十与d 一) 。 2 。2u s b 的总线缭鞫 u s b 的总线结构是采用阶梯式星形( t i e r e ds t a r ) 的拓朴( t o p o l o g y ) 结构。u s b 的设备包含了两种类型：u s b 集线器( h u b ) 与u s b 设备。位于最顶端的就是主 梳灞( h o s t ) 。从h o s t 蠹毒联梳往下连接至h u b ，孬潮h u b 按除梯式，滥一鼷或一陵 的方式往下扩展出去，连接下一层的设备或另一个集线器上。 通过这种除梯式星形牖连接方式，最多可同时连接到1 2 7 个设备。当p c 接上 氇源辩，繇畜稳鬻u s b 繇连接豹设务与集线器帮默谈为建缝0 ，瑟蘧时所有匏下 游端口连接器都处于失效的状态。稍后，p c 就向u s b 查询，糟发现第一个设备， 就将地址1 分配给该设备。然后再向下寻找第二个地址为0 的设备或是紧线器， 蓉发现是集线器，就将地址2 分配绘越集线器，并窟动其第一个“f 游瑞u 的连接 器，丽后再潘此连接器一赢往下寻找第三个地圭监仍为0 戆设螽或集线器，如此重 复寻找与分配地址的程序，直到所有的设备都赋予了新的地址，或足已达到1 2 7 个设鍪极限为止。在配备毅地址的同时，p c 还要为每个设备溅集线器装入其所使 蹋豹驱动罄廖。p c 中逶_ 造1 ) + 或d 懿毫压交讫检测剿设备躲连接与移豫兹。 第8 炙 围防科学技术大学研究生院学位论文 2 3u s b 接口的电气特性 由于在u s b 令牌包中部含有7 个用来寻址的位，因此最多可寻址到1 2 8 个设 备，但山于0 0 0 0 0 0 0 b 地址是默认地址，用来指定给所有刚连接上的设备，所以 u s b 最多能连接到1 2 7 个设备。 u s b 每个连接头内拥有4 个针脚：其中两个用来传递差分数据，另两个则是 供给u s b 设备电源。各个针脚编号与缆线颜色见下表： 表2 1u s b 缆线的信号与颜色 针脚编号信号名称缆线颜色 1v c c红 2 d a t a 一( d 一) 白 3d a t a + ( d + ) 绿 4g r o u n d 里 全速和高速的差分数据信号线必须采用绞线的形式，而且还必须加上屏蔽的处 理，屏蔽的作用是防止高速传输时所产生的电磁十扰，但对于低速的差分数据信 号线就无须使用绞线或加上屏蔽处理。 u s b 规格中明白规定了全速设备缆线的最长范围为5 m ，慢速设备为3 m ，但 在实际中必须考虑到传输延迟的问题，随着传输延迟的增加，缆线的最大长度也 随之递减。 u s b 接头分为系列“a ”和“b ”连接器，“a ”系列是提供设备向上游的接头 或是集线器向下游的端口的，“b ”系列连接器允许设备供应商提供一种标准的可 分离的线缆。具体规范如下： 系列a接口在电气上提供了从主机系统或是集线器来的连接。系列“a ” 插头总是向上连入主机系统。 系列“b ”接口在电气l 提供了进入集线器或设备的连接。系列“b ”插头总 是向上连入u s b 集线器或设备。 全速设备与p c 主机之问电气特性的连接图如卜。在连接至u s b 收发器之前必 须先串接2 9 4 4 q 的电阻器。而后根据不同的u s b 设备的传输速度，改变在设备 端的提升电阻的位置。这个提升电阻器，也可视为设备电阻器。对于全速设备， 就将提升电阻器接对d + 信号线与电源线之间的位置。如果是慢速设备，就将提升 电阻器接到d 一信号线与电源线之川的位置。这个电压源的范围在3 o 3 0 v 之间。 d + 与d 一两条信号线在p c 主机的根集线器( r o o th u b ) 或集线器端同时接卜1 5 触的 下拉电阻并连至接地端。也可视这些下拉电阻器为集线器端电阻器。 第9 页 国防科学技术人学研究事院学位论文 图2 一i全速设各与p e 主钒连接图 首先，在设备未连接至p c 主机的根集线器或集线器的连接端口时，由于d + 、 d 簿条信号线翳为下拉电骥稳关系，死孚都援为羧遣( 0 v ) ，但跫若青一令波螯剐 适搂上时，提升电阻( 1 + 5 触) 与下拉电阻( 1 5 触) 就会形成一个分压器。因此其 中有一条数据信号线( d 十戚d 一) 的电位将被提升到电压v d c 的9 0 左右。此时， 当嶷线器测知到一条数据倍号线趋近v c c 时，丽弱夕 一条仍维持接地状态时就可 确定有一设备已连接上了。避一步的滋，当d + 或d 一信号线超过2 + 0 v d c 或v s e ( m a x ) 达2 5 1 s 以上时，集线器可以确认设备已经连接上了。若d + 或d * 信号线低于0 8 v d c 或v s e ( m i n ) 达2 5 p s 以上时，集线器就j 玎以确认设备已脱离了。这里的v s e ( m a x ) 1 iv s e ( m i n ) 懑爨是u s b 娥疆书中蜃定义起d + 裁d 一电压懿綮个浆界毽，分潮等 于2 0 v d c 与o 8 v d c 。 u s b 设备分为自我供 h 和总线供电两种类型。总线供电又分为低功率与高功 率嚣静。芽曩，掰有静集线爨翻设釜粼必须支持甏簿模式，艇予暂停模式下的消 耗魄流不能超过5 0 0 p n 。 2 。4 数据传输方式 u s b 采用了不归零翻转( n o n r e t u r n t oz e r o i n v e r t ) 的编码方式，对于4 i 同步 的脉冲信号也能产生同步的数据提取。n r z i 的编码规则是，当数据位为“1 ”时 夺转换，为“0 ”时转换。u s b 定义了4 静簧簸类黧： 第1 0 页 国防科学技术大学研究宅院学位论文 2 4 。1控鬟绩羧 控制传输属于突发式、非剧期性的，出主机软件发起的请求或响应的通信，通 鬻耀j 二翕令事务霸状态事务。控毒l 传竣翻于支持在客户软件秘皲各功旎之阔豹关 于配置、命令、状态类型黥通信流。在设备列举过程中，主褫通过控制佟输向设 备功能发出标准u s b 请求来获取设备和配置等描述符，从而了解殴备信息，建立 起客户软件和设备功能之湖的正常通信。控制传输支持外设与主机之间的控制， 状态，配簧等倍惠懿传输，为外设与主捷之蓠提供一个控裁遂遥。每种外浚帮支 持控制传输粪溅，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令状态信息。 一次控制传输般山三个阶段组成：首先是设爨阶段( s e t u ps t a g e ) ，主机向设备 发滋一，爪设爨( s e t u p ) 事务传耱，援定主凝爨要求錾撩 乍。( u s b 携议溪霆了太多 数标准的s e t u p 包命令，设计者也可以建立自己特有的s e t u p 包，前擒起主机 和与之通讯的器件都能识别它) 。接下来是数据阶段( d a t as t a g e ) ，由若干个数据事 物传输组成。传辕的方向帮数据内容囊s e t u p 包熄定。如果s e t u p 包没有要求 数攒事物传输，煎l 无豇除段。控制传输的最后是状态阶段( s t a t o ss t a g e ) 。它由一个 状态事务传输组成，设备邋回传输是否成功的状态信息。 对于状念攀务传输，程这里做一些解释。如果控制传输的数据阶段是一个主机 齑设备写翡过程，爨在蔌淼事务中蓄巍主掇发一个| n 令薅。接蓉翔栗设鍪已经成 功接收数据阶段的数据，则发一个0 字节的数据包表示传输顺利完成，而后主机 返回a c k 握手信号给设备。如果设备仍处于接收溅处理前面控制数据的过程中， 剥返罄n a k 握手售号。翔袋兹玲段豹传输_ 有错谈，翼l j 设备分裂返回s t a l l 握手 信号。对于主机从设备读数据的控制过程，在状态事物中首先主枫发一个o u t 令 牌，向后再发个o 字节的数据包，最后设备返川握手信号。其中a c k 表示整个 控制传输成功完成，n a k 和s t a l l 的岔义同上。下图给出三个控制传输的例子： f 为篱亿舀示，这里省略了s y n c 信号。) 第1 1 斑 国防科学技术大学石) f 究生院学位论文 控制写 控制读 无数据 控制传送 建立阶段 广h d a t a 0 数据阶段 ， 、- 、 匝习园，圈 状态阶段 r h d a t a1 d a t a 0d a t a o ld a t a1 臣习曰。圈臣卫 d a t a1 d a t a 0 d a t a o l d a t al 状态阶段 广h d a t a od a t a l 图2 2 控制传输实例 在控制传输中，数据的方向是双向的，即一个端点0 既h j 以接收又能发送数据。 在数据阶段中可以有多个数据事务，但每个数据事务的数据包不能大于数据有效 负载( d a t ap a y l o a d ) 。埘于伞速设备，数据有效负载最多为8 、1 6 、3 2 或6 4 字节。 对于低速设备，最大为8 字节。在数据阶段中，如果某个数据事务的数据包小于 数据有效负载，则通信双方默认它是数据阶段的最后个数据事务，这就确定了 数据阶段如何结束。 由于在通常情况下个u s b 系统需要和多个端点进行各种传输，那么我们就 会关心如何为这些1 i 同的传输分配带宽。u s b 会在每帧都留有一定的时间用于控 制传输，因为控制传输对丁- 系统的稳定和错误恢复是至关重要的。有时排队要求 发送的控制传输很多，且超过了系统为之保留的带宽，则如果在当前帧内没有中 断和同步传输，u s b 系统软件会让那些控制传输占用为中断和同步传输保留的带 宽。如果控制传输在一帧内消耗的带宽小于1 0 ，则剩余的带宽可用于批量传输。 如果某次控制传输失败，则u s b 系统软件既可在当前帧，又可在将来的新帧中 重新进行传输。由此可见，在一个实际系统中，某一时刻控传输带宽往往是不确 定的。 在理想情况下，我们假设系统与设备只进行控制传输，传输中的数据阶段只含 一次数据事务，数据包为1 6 字节( 这符合大多数实际应用的情况) 。则我们t 叮以计 第1 2 血 罾宙 国防科学技术大学研究生院学位论史 算一下在1 秒内可进行多少次控制传输。根据协议，传输的头和尾共有4 5 个字节 f 9 个s y n c 字节，9 个p i d 字节，6 个端点号+ c r c 字节，6 个c r c 字节，8 个s e t u p 数据字节，包与包之间的延迟算7 字节) ，则一次传输共有4 5 + 1 6 = 6 1 字节。理论 上u s b 全速传输情况下每秒可达15 0 0 个字节，所以最多可进行1 5 0 0 6 1 = 2 4 次传 输。而有效的字节数为2 4 * 1 6 = 3 8 4 个。可见，控制传输的效率是比较低的，原因 是它有严格的格式控制，但正因为这样，它适用于控制应用。 2 4 2 等时传输 等时传输是在主机与设备之间周期性的、连续的通信，+ 般用于传输与时间相 荚的信息。这种类型保留了将时间概念包含于数据中的能力。但这并不意味着， 传送这样数据的时问总是很重要的，即传送并不一定很紧急。等时传输适用于以 固定速率或在同定时间内的传输。对于由于错误而导致的传输失败，主机不会进 行重新传输。因此，可以容忍偶尔的错误。在全速情况下，等时传输每个帧传输 的数据要比中断传输的多。等时传输的应用包括实时的语音和声音码流。这些数 据尽管要使用固定的速率传输，但是并不一定非要等时传输。例如，主机也可以 使用批量传输，传送个音乐文件设备。设备接受到该文件之后，再以一个固定 的速率播出。只有全速和高速设备才支持等时传输。等时传输支持有周期性，有 限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错 校验，故不能保证正确的数据传输，支持像计算机一电话集成系统( c t i ) 和音频 系统与主机的数据传输。 等时传输无握手信号，它的数据包的p i d 都是d a t a 0 。但协议规定，主机和 设备都必须接受即使是错误的数据。当主机准备以司步方式读数据时，首先它发 出1 n 令牌，而后设备发送数据。当主机向设备写数据时，它先发出o u t 令牌， 而后再发送数据到设备。可见，等时传输是以连续的i n o u t 令牌+ 数据这样简单 的同步事务进行的。 等时传输也是单向的。我们假设最大负载为1 0 2 3 字节，在理想情况f 可计算 有效带宽。每次传输的协议头和尾占9 字节( 2 个s y n c 字节，2 个p i d 字节，2 个 端点+ c r c 字节，2 个c r c 字节，包与包之间延迟算1 个字节) ，则次传输共有 9 + 10 2 3 = 1 0 3 2 个字节。理论上每帧l5 0 0 * 0 9 = 1 3 5 0 个字节，所以最多可进行1 次 传输。而有效的字节数位1 0 2 3 个。同步传输的速率可以保证，但这一方面也是以 牺牲数据传输的正确性为代价的。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 4 3 中断传输 中断传输是低频率、固定延迟的通信。中断传输适用于那些请求传输的频率不 高，但是必须在指定时间内完成传输的数据。一般的应用包括u s b 的键盘、鼠标、 游戏杆和集线器的状态报告。中断传输需要快速地向主机报告当前的状态，这是 由浸备的属性和使用的场合所决定的。因为用户0 i 希望在按键或移动鼠标时，在 屏幕上看到有明硅的动作延迟。低速设备只支持控制传输和中断传输，因此，在 低速设备中，有可能将中断传输用于一般的数据传输，而不是键赢或鼠标等标准 设备。w i n d o w s 9 8 就嵌入了h i d 类的驱动程序，应用程序呵以与符合h i d 规范的 设备通过中断传输进行通信。中断传输的名字可能会给人以误解，认为设备的动 作会主动触发一个中断。其实，中断传输也和传输类型一样，只能发生在主机轮 询设备的时候，并不是由设备触发的硬件中断。低速、全速和高速设备都支持中 断传输。中断传输支持像游戏手柄，鼠标和键盘等输入设备，这些设备与主机问 数据传输量小，无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。 中断传输在很大程度上能保证一定的带宽。当一个端点被确定为按巾断传输方 式，系统在配置时必须确定它的周期和有效数据负载。全速设备周期的大小从l m s 到2 5 5 m s ，有效数据负载不超过6 4 字节；低速周划从1 0 m s 到2 5 5 m s ，有效数据负 载不超过8 字节。 中断传输每次的数据事务过程很相同，所不同的是它按周期进行。u s b 协议规 定在任何。帧中最多只允许有9 0 的带宽被用于中断传输或同步传输f 因为至少有 l o 留给控制传输) 。要注意的是主机只有在要求进行中断传输时( 既有中断传输 i r p 时) 才会按周期查询相应端点。我们也可以在理想的情况下计算中断传输方式 的有效带宽，它的计算方法与批量传输时相同。由此看出，中断传输和批量传输 最主要的区别是系统对带宽的分配策略不同，在理想情况下两者的有效传输速率 差不多。但中断传输更适合于鼠标等低速设备，这些设备的数据包都不大，而且 设备因运动而产生新数据的频率并不高，因此主机可以以比较长的周期查询，这 可以减少占用c p u 的时间。 2 4 4 批量传输 批量传输是非周期性的、大量的突发性传送。典型地用于传送那些可以利用任 何带宽的数据，而且当没有可用带宽时，可以延时传输。批量传输可以在不确定 的时间内，传送相对大量的数据而不会使总线阻塞，因为它会让其他传输类型首 先执行，等到有可以利用的总线带宽时再进行传输，也就是说批量传输只发生在 第1 4 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 有j 叮用总线带宽时。对于一个有大量数据和空闲带宽的u s 3 设备，批量传输的速 度相当快。然而在只有很少可用带宽的情况下，批量传输却会等待较k 的一段时 间。批量传输町用于从主机向打印机发送数据、从扫描仪向主机发送数据以胶磁 盘的读写等。批量传输支持打印机，扫描仪，数码相机等外设，这些外设与主机 间传输的数据量大，u s b 在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。 根据所要求传输的字节数，批量传输出任意个数据事务组成。协议规定，每一 次批量传输的第一次数据事务的数据包p i d 应为d a t a 0 ，之后为d a t a l d a t a o 依次取反。所以在进行一次新的批量传输之前，主机应通过控制传输把将要与之 通信的端点的p i d 初始化为d a t a 0 。下图简单表示了批量传输的过程。 写困 戕理读田 冈 1一 d a t a l f i一 d a t a l 。圈 ，圈 图2 3 批量传输的过程图 在主机准备读数据时，首先它向设备发一个i n 令牌。而后设备的端点在正常 情况下以p i d 为d a t a 0 返回一个数据包给主机。如果设备暂时不能向主机提供数 据，它发一个n a k 握手信号，让丰机之后再来读数据；如果所要求通信的端点处于 停用状态，则返回s t a l