（信号与信息处理专业论文）usb20接口控制芯片的固件设计与实现.pdf

摘要 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线1 是外围设备与计算机进行连接的新型 接口总线。自从问世以来，凭借其高速度和高通用性迅速成为个人计算机与外围 设备相连的标准接口，现在市场上售出的所有p c 机都百分之百支持u s b 接口， 而且很多外设只推出u s b 版本。可以预见，u s b 的应用会越来越广泛，其传输速 率和通用性也会越来越高。 固件程序的设计是u s b 设备开发过程中非常重要的一个环节，它直接影响到 u s b 设备的传输速度。本文在深入分析u s b 2 0 协议、海量存储类规范和s c s i 指 令集的基础上，提出了一种专门针对u 盘应用的固件设计方法，重点论述了固件 实现过程中的几个关键技术，并给出了固件的调试过程和测试结果，证明u s b 2 0 接口控制芯片的固件设计达到了预期目标。 由于u s b 2 0 协议的j z 从式模式，固件的整个流程基于中断模式实现。固件 程序主要包括三部分：1 ) 初始化单片机和所有外围电路；2 ) 中断服务程序，完成各 个模块产生的中断响应：3 ) 任务处理子模块，供中断服务程序调用，完成具体的 u s b 设备操作。在实现的过程中，主处理程序完成系统的初始化并轮询中断，中 断复位程序调用底层的任务处理模块来完成相应的处理。固件负责协议的解析和 处理，不干预数据的传输，这样，一方面保证了快速的数据传输和较好的软件结 构，另一方面简化了编程和测试。 u s b 协议有严格的时间要求，这就使得程序必须在有效时问内对某些请求或 状态进行处理。因此，在调试过程中，较多借助串口输出程序的输出信息来辅助 调试，定位问题所在。调试过程分为三步进行：首先借助p c 调试软件( b u s h o u n d 、 r 8 0 5 1 5 仿真器等1 将设备端的u s b 协议调通；然后，用调试好的u s b 设备控制接 口来开发，调试p c 软件；最后，加上u s b 设备端的其它用户程序，对整个完整 的系统进行系统调试。 通过对调试过程和性能测试结果的分析，我们可以看出，固件能够控制硬件 电路快速的完成各种操作，达到了预期的设汁目标。 关键词：通用串行总线，固件，闪存，块传输，小型计算机系统专用接口 a b s t r a e t a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u sr u s b ) i san e wt y p eo fs e r i a lb u sw h i c hc o m l e c t sp e d p h e r m s t oc o m p u t e r s s i n c ei t sa d v e n t ，u s bh a sr a p i d l yb e c o m eas t a n d a r di n t e r f a c eb e t w e e n p e r s o n a lc o m p u t e r s ( p c s ) a n dp e r i p h e r a l sf o ri t sh i 曲t r a n s f e rs p e e da n da p p l i c a b i l i t y a l lp c so nm a r k e tt o d a ys u p p o r tu s bi n t e r f a c ew i t hn oe x c e p t i o n ，w h i l em a n y p e f i p h e r a l sa r ef o u n dw i t ho n l yu s bi n t e r f a c e s i ti sp r e d i c t a b l et h a tu s bw i l lb em o r e a n dm o r ep o p u l a rw i t hi t st r a n s f e rs p e e da n da p p l i c a b i l i t yb e i n gi n c r e a s e d f i r m w a r ei sv e r yi m p o r t a n ti nau s bd e v i c ep r o i e c t ，w h i c ha f f e c t st h et r a n s f e r s p e e do fu s bd i r e c t l y t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dan e ws o l u t i o no nt h ef i r m w a r e s d e s i g no ff l a s hm e m o r yd i s kb a s e do ns t u d y l n gu s b 20p r o t o c o l ，m a s ss t o r a g ec l a s sa n d s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ( s c s l ) c o m m a n ds e t st h o r o u g h l y t h i sd i s s e r t a t i o n d e s c r i b e st h ek e yt e c h n o l o g i e sd u r i n gt h er e a l i z a t i o no ff i r m w a r eb e i n gd e s i g n e d a n da c o m p l e t er e c o r do fp r o c e d u r e sa n dr e s u l t st h r o u g ht h ef i r m w a r eb e i n gd e b u g g e da r e s b o w n w h i c ht e s t i f i e st h a tt h ef i r m w a r eo fu s b 2 0i m e r f a c oc o n t r o l l e ra s i ca c h i e v e s t h ed e s i r e ds i g h t s i na c c o r d a n c e w i t h t h em a s t e r - s l a v e a r c h i t e c t u r ei nu s b2 0 p r o t o c o l ，t h e w o r k f l o wo ft h ef i r m w a r ei si m p l e m e n t e db a s e do ni n t e r r u p tp a t t e r n t h ef i r m w a r e p r o g r a mi n c l u d e st h r e es e c t i o n s ：i n i t i a l i z a t i o nm i c r o c o n t m l l e ra n da l lt h ep e r i p h e r a l c i r c u i t s ；i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ，w h i c ht r i g g e r si n t e r r u p t sa n de x e c u t e st h ei n t e r r u p t ； t a s km o d u l e ，w h i c hi sc a l l e db yt h ei s r d u r i n gt h ep r o c e d u r eo fr e a l i z a t i o n ，m a i n p r o g r a m m ei m p l e m e n t st h ei n i t i a l i z a t i o no fs y s t e ma n dw a i t sf o rt h eo c c u i _ r c n c co f i n t e r r u p t ，t h ei s rc a l l st h et a s km o d u l et oe x e c u t et h eo p e r a t i o n t h ef i r m w a r ea n a l y z e s t h ep r o t o c o l sa n dd o e sn o td i s t u r bt h et r a n s f e ro fd a t a t h u s ，t h i sp r o c e d u r ec a nn o to n l y g u a r a n t e et h eh i 曲t r a n s f e rs p e e da n dg o o ds o f t w a r es t r u c t u r eb u ta l s os i m p l i f yt h e d e s i g na n dt e s t d u et ot h es t r i c tt i m i n gr e q u i r e m e n t sb yu s b p r o t o c o l ，t h ef i r m w a r em u s th a n d l e c e r t a i nr e q u e s t so rs t a t u sw i t h i nv a l i dp e r i o d s h e n c ed u r i n gt h ed e b u g g i n gp r o c e s s ， i n f o r m a t i o ns e n tb yo u t p u tp r o g r a mt h r o u g ht h es e r i a l p o r t c a nb e u s e dt oa s s i s t d e b u g g i n ga n dt ol o c a t et h ep r o b l e m s t h ed e b u gg o e si nt h r e es t e p s ：f i r s t l yd e b u g g i n g l i a b s t r a c t t h eu s bp r o t o c o lo nt h eu s bd e v i c eu s i n gp cd e b u g g i n gs o f t w a r e ( b u s h o u n d ，r 8 0 5 1 5 e m u l a t o r ) ；a r mt h e nt od e v e l o pa n dd e b u gp cs o f t w a r eb yu s i n gt h ev a l i dc o n t r o l i n t e r f a c eo ft h eu s b d e v i c e ；f i n a l l yd e b u g g i n gt h ew h o l es y s t e mi n c l u d i n go t h e ru s e r p r o g r a m s0 1 1t h eu s bd e v i c e s e e i n gf r o mt h ef i n a ld e b u gr e s u l t s ，w ef i n d t h a t t h e w h o l ed e s i g na c h i e v et h ee x p e c t e dt a r g e t s a n a l y s i so ft h ef i n a ld e b u gr e s u l t ss h o w s t h a tt h ed e s i g nc a nc o n t r o lt h eh a r d w a r e t of i n i s hv a r i o u so p e r a t i o n sw i t hh i 曲s p e e d s ow ed r a wac o n c l u s i o nt h a tt h ed e s i g n a c q u i r e st h ea n t i c i p a t e do b j e e f i v e s 。 k e y w o r d s ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，f i r m w a r e ，f l a s hm e m o r y ，b u l k - o n l yt r a n s p o r t p r o t o c o l ，s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e 玎1 图目录 图目录 图2 1u s b 总线拓扑结构4 图2 2u s b 系统的分层描述5 图2 - 3 客户软件和功能单元间的关系6 图2 4u s b 逻辑总线拓扑结构6 图2 5u s b 物理总线拓扑结构7 图2 - 6b u l k _ i n 传输8 图2 7b u l ko u t 传输_ 9 图2 8 中断h l 传输9 图2 - 9 同步h l 传输：9 图2 1 0 控制i n 传输1 0 图2 1 1u s b 移动存储结构j 1 3 图2 1 2c o m m a n d d a t a s t a t u s 流程1 4 图2 1 3c b w 包格式1 4 图2 1 4c s w 包格式1 5 图2 1 5 典型s c s i 命令块：1 7 图3 1 固件总体设计流程图2 0 图3 2 系统层次划分图2 2 图3 3u s b 2 0 接口控制芯片硬件设计总体框图2 3 图3 - 4s i e 结构框图2 5 图3 5r 8 0 5 1 5 结构框图2 7 图4 1 固件体系结构2 8 图4 2 固件初始化流程图3 0 图4 3u s b 设备配置流程3 5 图4 4g e td e s c r i p t o r 处理流程3 8 图4 5g e ts t a t u s 处理流程3 9 图4 - 6c l e a rf e a t u r e 处理流程4 0 图4 7g e tc o n f i g u r a t i o n 处理流程。4 1 图4 8s e tc o n f i g u r a t i o n 处理流程4 2 v i 图目录 图4 - 9g e ti n t e r f a c e 请求处理流程 图4 1 0s e ti n t e r f a c e 请求处理流程 图4 - 1 1b u l k _ o u t 中断响应流程 图4 1 2b u l ko u t 状态判断及数据发送过程流程 图4 1 3b u l ki n 中断处理流程j 图4 1 4r e a d ( 1 命令处理流程j 。 图4 1 5w r i t e ( 1 0 ) 命令处理流程 图4 1 6r e a dc a p a c i t y 命令处理流程 图4 1 7r e q u e s ts e n s e 命令处理流程 图4 1 8i n q u i r y 命令处理流程 图4 1 9t e s tu n i t r e a d y 命令处理流程 图4 2 0m o d es e n s e 命令处理流程 图4 2 1m o d es e l e c t 命令处理流程 图4 2 2 大页块f l a s hk 9 k 4 g 0 8 u o m 的页块结构及地址组织结构 图4 2 3 小页块f l a s hk 9 f 5 6 0 8 d o c 的页块结构及地址组织结构 图4 2 4h a s h 操作的基本时序结构 图4 2 5 固件对f l a s h 操作流程 图5 - 1u s b 2 0 接口控制芯片的调试模型 图5 2f p g a 搭建的调试电路板 图5 - 3r 8 0 5 1 5 调试软件 图5 - 4b u s h o u n d 软件工作界面 图5 5u s b 设各枚举过程 图5 - 6i n q u i r y 正确响应后主机界面 图5 7 响应i n q u i r y 过程 图5 格式化操作主机界面 图5 - 9 格式化过程 图5 1 0 写文件时主机界面 图5 1 1 写文件过程一i 图5 1 2u s b 2 0 接口控制芯片读写速度测试图 钙甜盯勰锣卯n n皿盟弱弱鲋巧拍拍卵弱缸甜酊岱嘶酌酊矾 表目录 表目录 表2 1u s b 设备状态 表2 - 3s c s i 指令集 表3 - 1r 8 0 5 1 5 与标准5 1 单片机的比较 表4 - 1r i 寄存器的选择 表4 2 外部中断说明 表4 - 3 外部中断向量表和中断优先级 表4 - 4 控制事务数据字段说明 v 1 1 1 7 2 5 3 1 3 1 3 1 3 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。： 4 -f 签名：一生堕 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：宝吐导师签名 日期：年月 日 捷 舌 第一章引言一 一 ， 第一章引言 当今的计算机外部设备，都在追求高速度和高通用性。为了满足用户的需求， 以i m e l 为首的七家公司于2 0 0 0 年4 月2 7 日公开发布了u s b 2 o ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，通用串行总线协议) ，在u s b l 1 的1 5 m b s 和1 2 m b s 基础上增加了4 8 0 m b s 的高速数据传输模式。与其他老式p c 机接口相比，u s b 具有热插拔、即插即用、 共享式接口、接几体积小巧、成本低、性能可靠、节省系统资源、提供电源、兼 容性好等优点。目前，u s b 端口已经成为微机主板的标准接口，由于u s b 的弹性 和易于使用，使得支持u s b 的周边设备包括u 盘、鼠标、键盘、喇叭、数据线、 扫描仪等各种不同的产品也逐年增加；可以预见，随着u s b 的发展，其传输速率 会越来越高，应用也会越来越广泛。 1 1u s b 技术发展现状及研究意义 整体而言，在全球市场规模方面，预计u s b 的产品出货量将从2 0 0 4 年的七 亿套成长至2 0 0 9 年的二十一亿一千万套，年复合成长率为2 4 9 。在u s b 的市 场应用方面，主要分为电脑相关、消费类电子与通信三大类，目前最大应用市场 为电脑相关产品。在2 0 0 5 年，u s b 在电脑相关的应用比重占整体应用的6 99 ， 在消费类电子产品与通信产品的应用则分别占2 0 6 与9 5 。在u s b 2 0 推出后， 其4 8 0 m b p s 的传输速度已能符合目前电脑与周边设各传输的要求，随着个人电脑 迈向娱乐化，消费类电子产品与电脑之间的连接成为高速传输的重要应用，高速 传输在消费类电子产品的出货量将逐年增加i l j 。 由于u s b 接r 】蕴藏了巨大市场需求，国外很早就开始了u s b 20 接口芯片的 研发，甚至早在在2 0 0 1 年，c y p r e s s 和p h i l i p s 就推出了u s b 2 0 接口芯片。当前 u s b 2 0 接口控制芯片的市场份额也主要被这些国外的厂商所占据，其中c y p r e s s 、 i n t e l 、p h i l i p s 、n e t c h i p 、n e c 、t i 等几家公司的芯片比较成功。目前，市场上流 行的u s b 2 0 接口控制芯片有两种类型：一种是集成了微处理器的u s b 接口控制 芯片，如i n t e l 的8 x 9 3 0 a x 、c y p r e s s 的e z u s b 、s i e m e n s 的c 5 4 1 u 以及m o t o r o l a 、 n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 等公司的产品：另一种是纯粹的u s b 接口芯片，仅处理u s b 通信，如p h i l i p s 的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口1 、p d i u s b p l l a 、p d i u s b d l 2 ( 并行接口) 、 电子科技大学硕士学位论文 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的u s b n 9 6 0 2 、u s b n 9 6 0 3 、u s b n 9 6 0 4 等，前一种由于丌 发时需要单独的开发系统，因此开发成本较高；而后一种只是个芯片与微处理 器接口实现u s b 通信功能，成本较低，而且可靠性高【2 l 。 ： 国内u s b 2 0 接口控制芯片现在也有一定地发展，比如青岛硅盛微电子有限公 司已经取得成功，并于2 0 0 4 年5 月申请了专矛l j l 3 1 国家相关部门也高度重视u s b 2 0 接口芯片的研发，并将其列为国家8 6 3 项目，课题组在2 0 0 2 年承接了u s b 2 0i p 核开发的国家8 6 3 项目，在2 0 0 4 年3 月通过了国家的验收。 u 盘是u s b 接口最主要的一种应用，自从1 9 9 9 年朗科生产出筇一个u 盘以 来，它便以小巧方便、存储量大、寿命长等优点取代了软盘，成为市场上最为主 流的一种便携存储设备，甚至成为一种电子产品的时尚，几乎人人都在使用鸭研 发专f 3 9 l 对u 盘应用的u s b 20 接口控制芯片不仅可以打破国外刘，u s b 接口控制 芯片的垄断，掌握核心技术和自主知识产权，而且具有巨大的市场价值。 1 2 课题来源及研究目标 本课题是由课题组与校外公司合作，开发以高性能u 盘产品为目标的u s b 2 0 接口控制芯片。本论文是此课题的一部分，详细阐述了固件的开发和调试。合作 公司足国内唯一一家成功开发出了u s b 2 0 收发器并拥有自主知识产权的公司，与 课题组有很强的技术互补性。 本课题的研究目标主要包括以下几个方面：n 与高速u s b 2 0 协议规范兼容， 并向下兼容u s b l 1 产品；2 ) 以u 盘为典型廊用，支持高速和全速两种传输方式； 3 ) 最多支持8 片n a n d 型h a s h ，每片容量最大4 g b i t ；4 1 利用此芯片只需外挂f l a s h 就可开发u 盘：5 ) 能对f l a s h 进行不间断的操作；6 1 在3 0 m 时钟下用硬件实现f l a s h 接口时序，突破f l a s h 操作的速度瓶颈；7 1 支持所有三星和东芝的8 位n a n d 型 f l a s h 芯片：8 1 支持w i n d o w s x p 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s m e 操作系统：9 ) 支持 固件可升级。 1 3 我所做的工作 目前，本课题已经完成，围绕本课题，我主要做了以下工作： 1 1 对课题中涉及的理论基础做了深入的学习和研究，主要包括u s b 2 0 的协议 原理、b u l k - o n l y 传输协议、针对h a s h 介质的s c s i 指令集等，全面掌握了u 盘 第一章引言 系统的设计和固件开发。 2 1 参与了u 盘系统开发规格书的制定，硬件模块的划分和寄存器的定义。 3 1 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。 4 、完成了固件的设计和代码的编写，主要包括系统的初始化、设备枚举过程的 实现、b u l k o n l y 传输的实现、s c s i 指令的解析以及闪存的控制。 5 1 完成了固件的调试和系统性能的测试，验证了课题的开发达到了预期的目 标。 1 4 本论文的组织结构 ：， ；1 本论文的研究重点在于以u 盘为典型应用的u s b 2 0 接口控制芯片的固件设计 和实现，固件的实现要求= h 二发者对u s b 20 传输协议，相应的特定类规范和协议， 相应的硬件以及开发软件和5 1 单片机的特性都有很好的把握。 + 综上所述，本文的组织如下，全文共分为六章： 笫一章主要讲述了u s b 技术发展现状、研究意义以及本课题的基本情况。 第二章对课题开发过程中涉及到的协议进行了简单的分析，主要包括u s b 2 0 协议、b u l k o n l y 传输协议、s c s i 指令集等。 第三章提出了固件的设计方法，固件的层次划分，并对硬件平台的设计做了 介绍。 第四章刘固件实现过程中的几个关键技术做了详细的阐述，主要包括系统初 始化过程的实现、设备枚举过程的实现、b u l k o n l y 传输过程的实现。 第五章主要描述了固件的调试过程和系统性能测试，验证了固件设计达到预 期目标。 第六章对本论文做了总结并对未来做了展望。 电子科技大学硕士学位论文 第二章协议分析 本章主要分析了论文所涉及的各种协议，包括u s b 2 0 协议、海量存储类规范 及s c s i 指令集。其中u s b 2 0 协议是所有基于u s b 2 0 接口标准的外设都必须遵 从和实现的协议：海量存储类规范是目前移动存储设备普遍遵从的一种块存储类 传输协议；s c s i 指令集里包含了针对u s b 移动存储而制定的一种操作命令协议。 下面就分别对它们做简要的分析和介绍。 t 。 2 1 u s b 2 0 协议分析 ， u s b 2 0 接口是一个传输速率可以达到4 8 0 m b s 的串行接口，并由不同类型钧 外围设备共享这个接口总线。u s b 采用层次星型的总线拓扑结构，其拓扑结构殚 图2 - 1 所示。u s b 主机是整个总线的主控者，总线上的通信都是由主机发起，一 个主机最多可通过u s b 总线控制1 2 7 个外设，并负责向各个外设发出各种命令和 配置。主机在总线上发送含有设备地址和命令的令牌包，这时总线上符合该地址 的设各将接收这个包，并且按照令牌包的内容进行相应的操作。另外主机会定时 发送帧开始包，将总线时间分割为1 2 靴s 一帧( u s m 1 为l m s 一帧) 。所有总线i 的设备都是以时间分割的方式来分享总线带宽1 5 。 图2 - 1 u s b 总线拓扑结构 第一章协议分析 2 1 1u s b 的系统结构 u s b 系统从逻辑上可以被分为i 个层次：u s b 功能层、u s b 设备层和u s b 总线接口层，且每一层都由主机和u s b 设备的不同功能模块组成a 图2 2 对u s b 系统的分层结构进行了详细的描述。从逻辑上看，每二层趣是u s b 设备和主机的 对应功能模块进行通信，客户软件通过一组管道与u s b 设备的功能单元进行通信： u s b 系统软件通过缺省控制管道o 和u s b 逻辑设备进行通信；所有实际的u s b 数据传输都是由主机和u s b 设备的s i e 来完成的。 圭机互连trsb设备 u s b 功能层 u s b 设 备层 u s l 3 总线 接口层 图2 2u s b 系统的分层描述 2 1 1 1u s b 功能层 u s b 功能层负责实现u s b 设备的特定功能，如数据传输、文档打印等。该层 只要知道主机和u s b 设各之间要传输哪些数据，它由主机方的客户软件和设备方 的功能单元组成，客户软件与功能单元之问的关系如图2 - 3 所示。功能单元是客户 软件对u s b 设备的抽象，可以被看作是一个接口的集合。从逻辑上看，客户软件 只需与功能单元进行通信，但实际上，客户软件不能直接访问功能单元，它需要 调用u s b 系统软件所提供的接口与u s b 设备进行通信。不同的u s b 设备对数据 传输提出了不同的要求，如传输数据量的大小、传输速率的高低等。根据实际情 况的需要，客户软件在和u s b 设备的功能单元进行通信时可采用块传输、中断传 堕型堑盔堂雯主堂焦造塞 输、同步传输、控制传输四种传输类型。 幽23 客户软件和功能单元闸的关系 2 1 1 2u s b 设备层 u s b 设各层实现了主机和u s b 设备间的配置通信。该层需要理解u s b 通信 机讳t 和功能层所要求的传输特性，它由主机方的u s b 系统软件和设备方的u s b 逻 辑设备组成。 虽然u s b 设备是以层次星型的总线拓扑结构来连接的但在主机看来，其与 每一个u s b 逻辑设备的通信就像是直接连接在根集线器上一样，u s b 逻辑总线拓 扑结构如图2 - 4 所示。它们之间的通信不需要功能层的干预，但实际的数据传输仍 是由u s b 总线接口层完成。 图2 - 4u s b 逻辑总线拓扑结构 在u s b 系统中，配置通信通常发生在u s b 设备的连接或断开时，由u s b 逻 辑设备层完成。在正常情况下主机会周期性的查询集线器，以检测其下行端口 上是否有u s b 设备的连接或断开。 当u s b 设备连接至集线器的下行端口时，主机会很快发现，并首先使用缺省 地址和缺省管道来访问它，以得到该设备的一些配置信息；然后主机会为这个新 第二章协议分析 连接的u s b 设备分配一个唯一的地址，即殴各地址；最后主机会向相关客户软件 发出通知，让它们来进一步配置设备。 当把高速u s b 设备连接至全速集线器的下行端口时，它必须能够以全速传输 速率复位，并正确响应主机发出的下行标准u s b 设备请求：s e t a d d r e s s 、 s e t c o n f i g u r a t i o n 、g e t d e s c r i p t o r ( d e v i c e ) ：和g e t d e s c r i p t o r ( c o n f i g u r a t i o n ) 。在其他时 候，高速u s b 设备不要求支持全速传输，如果支持，其需要使用设备限定描述符 和其他速率配置描述符。 当从集线器地下行端口上断开一个u s b 设备时集线器会马上禁止该端口并 向主机发出通知。u s b 系统软件和相关的客户软件会处理这个断丌操作，其设各 地址将被释放。如果断开的设备是一个u s b 集线器，则其下行端口上连接的所有 u s b 设备都将被断开，主机会分别处理每一个设各的断丌操作。 2 1 1 3u s b 总线接口层 u s b 总线接口层实现了主机和u s b 设备间数据的实际传输，它由主机方的 u s b 主控制器f 包括根集线器) 和设备方的u s b 总线接口两部分组成。 为保证u s b 总线上传输数据的完整性和消除噪声干扰，u s b 采用了n r z i ( 反 向非归零1 编码的差分信号数据在d + 和d 一线上的相位差为1 8 0 。u s b 主控制 器和u s b 设备的s i e 模块负责对数据进行n r z i 编解码和差分驱动。 在u s b 总线接口层中，u s b 设备是以层次星型的拓扑结构连接至u s b 丰控 制器的根集线器，如图2 - 6 所示。这些设备最终都是通过同一个u s b 主控制器来 和主机进行通信的，即u s b 总线上的所有设各共享一个通往主机的数据通道，因 此同一时刻只可能有一个u s b 设备和主机进行通信。 圈2 - 5u s b 物理总线拓扑结构 u s b 对其总线r 的数据进行n r z i 编码，以确保数据传输的完整性。这种编 电子科技大学硕士学位论文 码方式不需要单独的时钟信号与数据一起发送，它用电平的跳变代表“0 ”，无电 平跳变代表1 。 一 n r z l 编码用其数据流中的跳变表示同步信号，即传输数据“0 ”，这可以保 证接收方和发送方的同步。但是，一个长串的1 会导致无电平跳变，从而引起 接收方失去同步信号。为避免这种情况的发生，u s b 使用了位填充机制。 u s b 使用位填充机制来避免n r z i 码丢失同步信号，其具体做法为：如果传 输的数据中有6 个连续的1 ，那么发送方会在这6 个“1 ”后填充一个0 ， 这就保证了在7 个位时间里面至少有一个跳变。数据接收方在检测到6 个连续的 1 之后，会把第7 位的0 抛弃掉。需要注意的足，如果原始数据的第7 位 本来就是0 ，位填充机制还是会在第7 位填充一个0 h 2 1 2u s l 3 数据传输 u s b 建了4 种传输类型：控制传输、块传输、中断传输和同步传输。这几 种传输在传犏数据量的大小、传输速率的高低、需同步传输或突发传输等都有不 同的要求。次完整传输包括3 个阶段：控制阶段、数据阶段、状态阶段。但不 是每种传输部包含所有的阶段。每个阶段一般包括3 个u s b 协议包：令牌包、数 据包、握手包。下面将对4 种传输进行详细的介绍。 2 12 1 块传输 块传输适用于传输数据量大、且对传输时间和传输速率均无要求的数据。当 u s b 总线带宽紧张时，它会为其他传输类型让出自己的总线带宽，其本身被延迟； 当u s b 总线空闲时，它会以很快的速率传输，其传输时间也很短。块传输只有数 据阶段，它采用差错控制和重试机制来确保数据传输的正确性。块传输特别适合 于u 盘、移动硬盘、数码相机等外设。b u l k _ h i 传输和b u l k _ o u t 传输分别如图2 - 6 和图2 7 所示。 图2 - 6 b u l ki n 传输 第二章协议贫析 图2 - b u l ko u t 传输 2 1 2 2 中断传输 中断传输适用于传输少量或中量、且对服务周期有要求的数据。u s b 为中断 传输保留了总线带宽，以保证其能在规定的周期内得到服务，但其并不是一直使 用准确的传输速率。u s b 采用差错控制和重试机制来确保中断传输的正确性。中 断传输特别适合于键赫、鼠标类设备。中断l n 传输包格式如图2 - 8 所示。 图2 - 8 中断i n 传输 2 1 2 3 同步传输 同步传输适用于传输大量、速率恒定、且对服务周期有要求的数据。同步传 输将一直使用准确的传输速率，因此其传输时阳j 是日j 以预测的。为保证数据传输 的及时性，同步传输没有采用差错控制机制和重试机制，不能保证每次传输都是 成功的。同步传输特别适合于音频和视频设备。同步i n 传输包格式如图2 - 9 所示。 囤2 - 9 同步i d 传输 2 1 2 4 控制传输 控制传输适用于传输少量、且对传输时间和传输速率均无要求、但必须保证 传输正确性的数据。u s b 为控制传输保留了总线带宽，且主机u s b 系统软件可以 电子科技大学硕士学位论文 为它动态地调整其所需的帧小帧时间，以确保其能被尽快传输。控制传输主要用 手发送和接收与u s b 设备的配置信息有关的数据，如设备地址、配置描述符等“。 控制i n 传输如图2 1 0 所示，其中数据阶段是可选的，由不同的控制命令决定。 一画 s t a t u s s t a g e 图2 1 0 控制i n 传输 s e t u p s t a g e d 4 弼 s t a g e ( o p t i o n a l ) 2 1 3u s b 设备 - 在终端用户看来，u s b 设备为主机提供了多种多样的附加功能，如扩展u s b 端口、传输文件等，但对u s b 主机来说，它与所有u s b 设备的接口都是一致的。 一个u s b 设备山三个功能模块组成：u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功能单元。 u s b 总线接口足u s b 设备中的串行接口引擎( s i 功；u s b 逻辑设备被u s b 系统软 件看作是一个端点的集合；功能单元被用户软件看作是一个接口的集合。它们的 功能如下： 1 、u s b 总线接i ：3 模块负责实现u s b 设备和主机问数据的物理传输。 2 、u s b 逻辑设备负责处理u s b 总线接口与功能单元各端点之间的数据传输。 3 ) 功能单元负责实现u s b 设备的特定功能。 2 1 3 1u s b 设备状态 u s b 设备包含若干种状态，如上电状态、采集状态等，表2 - 1 主要介绍对于 u s b 设备和主机而言可见的状态，包括连接、上电、缺省、地址、配置和挂起状 第二章协议分析 态 7 1 。 不论u s b 设备是处于上电状态、缺省状态、地址状态还是配置状态，如果它 在3 m s 内没有检测到总线活动，它将进入挂超状态，这时它仍然会保持原有的设 备地址和配置值，根据挂起的范围不同，u s b 将其分为全局挂超和选择性挂起。 如果u s b 设各要脱离挂起状态，必须对其进行恢复。u s b 总线上的任何非空 闲信号都将使挂起的u s b 设备得到恢复。如果u s b 设备本身具有远程唤醒的功能， 它自己也可以启动系统的恢复信号。 如果u s b 设备被复位，它将回复到缺省状态，开始重新地址分配和进行配置； 如果u s b 设备供电被中断，它将回复到上电状态。 袁2 - 1u s b 设备状态 * 连接 上l _ l = ，缺省地址配置 挂起 说明 一 否设备尚未连接至u s b 是否设备己连接至u s b ，但未上电 是是否设缶已连接至u s b ，并且已上电， 但尚未被复位 是是是否设备已连接至u s b ，且己上电，并 被复位，但尚未被分配一个唯一的 地址，这时设备使用缺省地址 是 是 是是否设备已连接至u s b ，己上电，并被 复位，且分配了唯一地址，尚米被 配置 设各已连接至u s b ，且已上电，复 是是是足是 否 位、地址分配和配置操作都已完成， 且来被挂起。这时，主机可以使用 该设备所提供的功能 设各已连接至u s b ，目已卜电。当 它在3 m s 内没有检测到总线活动 时，将进入挂起状态。当设各处于 是是是 缺省、地址和配置状态时，也能进 入挂起状态。当设各处于抟起状态 时，丰机不能使用该设各所提供的 功能 1 1 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 2u s b 描述符 u s b 采用设备架构的概念来描述一个u s b 设备，它把u s b 设备看成一个配 置、接口和端点的集合，并采用标准u s b 描述符来说明它们，其中包括设备描述 符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串捕述符，对于高速设备，还 可包含设各限定描述符和其他速率配置描述符，这些描述符适用于所有的u s b 设 备，且它们都包含有特定功能的字段，这些特定字段在各自的描述符中都有固定 的排列顺序。 除了标准u s b 描述符外，设备类和供应商也可以自己定义其设备专用的描述 符，分别称为设备类定义描述符和供应