（信号与信息处理专业论文）基于arm9的usb与多通道can转换器的设计.pdf

基于a r m 9 的( j s b j 多通道c a n 转换器的设计中文摘受 基于a r m 9 的u s b 与多通道c a n 转换器的设计 中文摘要 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) 是一个外部总线标准，用于规范电 脑与外部设备的连接和通讯，目前它是p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ，个人计算机) 与键 盘、鼠标、显示器、打印机、数码相机、扫描仪和游戏手柄等外部设备相连的标准协 议之一。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，控制器局域网络) 是国际上应用最广泛的现场总 线之一，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力，使得它被广泛应用于汽车工业、 过程控制、纺织机械、农用机械、机器人、医疗器械等领域，已经成为汽车计算机控 制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。 不过由于这两种网络的总线结构，通信协议及传输特点各不相同，给不同设备之 间的连接带来很多麻烦，因此设计一个u s b 与多通道c a n 转换器来实现u s b 主机 与现场测控网络的通信，具有十分重要的意义。 论文首先分别介绍了u s b 和c a n 的发展及各自的特点，提出了本课题研究的必 要性和意义。接着详细介绍了u s b 总线及c a n 总线的通信协议，并对u s b 与c a n 总线的接口技术以及两个网络的信息交换技术进行了研究，提出了两种总线协议转换 的思路。然后，详细介绍了系统的硬件设计，其中包括核心处理器电路设计、u s b 硬件电路设计和c a n 硬件电路设计，并且在c a n 硬件电路设计中，采用接口转换 模块将微处理器与c a n 控制器s j a l 0 0 0 联系起来。最后，详细介绍了软件部分的设 计，包括下位机软件设计和上位机软件设计。其中下位机软件部分是在l i n u x 平台下 开发的，首先完成了嵌入式l i n u x 操作系统的移植，包括交叉编译器的建立、u b o o t 的移植和l i n u x 2 6 内核的移植；接着分别完成了l i n u x 系统下u s b 和c a n 的设备驱 动程序的开发。上位机软件部分主要包括上位机u s b 驱动程序的丌发和上位机应用 程序的编写，其中上位机u s b 驱动程序是采用v i s u a lc + + 、w i n d o w sd d k ( d e v i c e d e v e l o p m e n tk i t ，设备开发包) 和d r i v e r s t u d i o 联合开发的基于w d m ( w i n d o w s d r i v e rm o d e l ) 模式的即插即用的上位机u s b 驱动程序，上位机应用程序是采用v i s u a l 中义摘要 堆十a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计 c + + 编写的，主要是调用上位机u s b 驱动程序编写了一个简单的具有数据收发等功 能的窗口。 关键词：通用串行总线；控制器局域网；w d m ；嵌入式l i n u x ；a r m 作者：张同祥 指导教师：曲波 d e s i g no fm u l t i - c h a n n e lu s b c a nc o n v e n e rb a s e do na r m 9 a b s t r a c t d e s i g no fm u l t i - c h a n n e lu s b a s e do na r m 9 a b s t r a c t u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，a ne x t e r n a lb u ss t a n d a r d ，i su s e dt os t a n d a r d i z et h e c o n n e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n di t se x t e r n a ld e v i c e s a n di th a s b e c a m eas t a n d a r dp r o t o c o lo ft h ec o n n e c t i o nb e t w e e np ca n di t se x t e m a ld e v i c e s ，s u c ha s k e y b o a r d s ，m i c e ，m o n i t o r s ，p r i n t e r s ，d i g i t a lc a m e r a s ，s c a n n e r sa n dg a m ep a d s ，e t c c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，o n eo ft h em o s tw i d e l yu s e df i e l d b u si n t e r n a t i o n a l l y , h a sw i d e l yu s e di nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , p r o c e s sc o n t r o l ，t e x t i l em a c h i n e r y , a g r i c u l t u r a l m a c h i n e r y , r o b o t i c s ，m e d i c a le q u i p m e n ta n do t h e rf i e l d s ，b e c a u s eo fi t sh i g hr e l i a b i l i t ya n d g o o d e r r o rd e t e c t i o nc a p a b i l i t ya t t e n t i o n a n di th a sb e c o m eas t a n d a r db u si n t h e a u t o m o t i v ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n de m b e d d e di n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k b u tt h ed i f f e r e n c e so ft h eb u sa r c h i t e c t u r e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o t hb u s e sc a u s eal o to ft r o u b l e s oi th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et od e s i g n au s bt om u l t i c h a n n e lc a nc o n v e r t e rw h i c hc a nr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e t w ob u s e s f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eu s ba n dc a n w e r ei n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y , s ot h en e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c hw e r ep u tf o r w a r d s e c o n d l y , t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so fu s ba n dc a nb u s e sw e r ei n t r o d u c e d a n dt h ei n t e r f a c e t e c h n o l o g ya n d t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g et e c h n o l o g yo ft h et w ob u s e sw e r es t u d i e di nt h i s p a p e r , w h i c hm a d et h ei d e ao ft w ob u s e s sp r o t o c o lc o n v e r s i o n t h e n ，t h eh a r d w a r ed e s i g n w h i c hi n c l u d i n gt h ec o r ep r o c e s s o rc i r c u i td e s i g n ，u s bh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dc a n h a r d w a r ec i r c u i td e s i g nw a sa n a l y s e di nd e t i a l ，a n dt h ei n t e r f a c ec o n v e r s i o nm o d u l ew a s u s e dt oc o n n e c tt h em i c r o p r o c e s s o rt oc a nc o n t r o l l e rs j a10 0 0i nc a nh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n f i n a l l y , t h es o f t w a r ed e s i g n ，w h i c hi n c l u d i n gt h em i c r o p r o c e s s o rs o f t w a r ed e s i g n a n dp cs o f t w a r ed e s i g nw a si n t r o d u c e di nd e t i a l t h em i c r o p r o c e s s o rs o f t w a r ew a s d e s i g n e du n d e rt h el i n u xp l a t f o r m ，a n dt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw a s t r a n s p l a n tf i r s t l yw h i c hi n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fc r o s s - c o m p i l e r , u - - b o o tk e r n e l p o r t i n ga n dl i n u x 2 6m i g r a t i o n ；t h e nu s ba n dc a nd e v i c e d r i v e rd e v e l o p m e n tw e r e i i i a b s t r a c t d e s i g no fm u l t i c h a n n e lu s b c a nc o n v e n e rb a s e do na r m 9 c o m p l e t e d i nl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m p cs o f t w a r ed e s i g n i n c l u d ep cu s bd r i v e r d e v e l o p m e n ta n dp ca p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n a n dp cu s bd r i v e r , b a s e do nw d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) m o d e ，w a sap l u ga n dp l a yu s bd r i v e rw h i c hw a sd e v e l o p e d b a s e do nv i s u a lc + + ，w i n d o w sd d k ( d e v i c ed e v e l o p m e n tk i t ，e q u i p m e n td e v e l o p m e n t k i t ) a n dd f i v e r s t u d i o p ca p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，m a i n l yc a l lp cu s bd r i v e r , w a sw r i t t e n u s i n gv i s u a lc + + t od e s i g nas a m p l ew i n d o ww i t ht h ef u n c t i o n so fs e n da n dr e c e i v ed a t a o n p c k e y w o r d s ：u s b ：c a n ：w d m ：e m b e d d e dl i n u x ；a r m w r i t t e n b y - z h a n gt o n g x i a n g s u p e r v i s e db y ：q ub o 摹于a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计 第一帝绪论 1 1u s b 概述 1 1 1u s b 的发展 第一章绪论 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) ，是一种应用在p c 领域的新型接口 技术。1 9 9 4 年，i n t e l ，m i c r o s o f t ，n e c 等世界著名的计算机和通讯公司成立了u s b 论坛；早在1 9 9 5 年，就已经有p c 机带有u s b 接口了，但由于缺乏软件和硬件设备 的支持，这些p c 机的u s b 接口都闲置未用【i 】。1 9 9 8 年后，微软在w i n d o w s9 8 操作 系统中内置了对u s b 接口的支持模块，并且随着u s b 设备的r 益增多，u s b 接口逐 步走进了实用阶段。1 9 9 8 年9 月u s b l 1 协议公布；2 0 0 0 年4 月u s b2 0 协议正式 推出。u s b 协议的出台得到了各计算机生产商，芯片制造商和计算机外设厂商的广 泛支持。如今，w i n d o w s 操作系统已全面支持u s b 标准，很多计算机外设都采用u s b 接口，各种带u s b 接口的芯片也在市场上不断涌现【2 j 。 1 1 2u s b 的特点 u s b 是一种方便、灵活、简单、高速的总线结构，u s b 与传统的外围接口相比， 主要有以下一些特点： 1 支持即插即用与热插拔，当有新的u s b 设备接入或移走时，p c 会自动检测 到它。当接入新设备时，主机软件会自动给接入的新设备分配地址和配置参数，作出 动态的调整，而且可以在任何时候连接或断开u s b 设备。u s b 外设不需要用户进行 任何设置就可被主机识别，不需要系统资源f 3 1 。 2 u s b 支持四种传输模式：批量( b u l k ) 传输、控带t ( c o n t r 0 1 ) 传输、中断( i n t e r r u p t ) 传输、同步( s y n c h r o n i z a t i o n ) 传输，可以适用于很多类型的外设。 3 通信速度快。u s b 支持三种总线速度，低速1 5 m b p s 、全速1 2 m b p s 和高速 4 8 0 m b p s 。 4 可靠的数据传输。u s b 采用差分传输方式，并且具有检错和纠错功能，保证 了数据的j 下确传输。 第一章绪论基于a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计 5 u s b 采用单一形式的连接头和连接电缆，实现了单一的数据通用接口。u s b 采用统一的4 针插头，取代了p c 机上种类繁多的串并插头，实现了将计算机常规i 0 设备、大部分媒体设备、通信设备( 电话、网络) 以及家用电器统一为一种接口的愿 望，一个接口就能满足多种外设。 6 易于扩展，通过使用u s b 集线器( h u b ) 扩展，可连接多达1 2 7 个外设。传 输距离可长达5 米，通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 米。 7 独立供电。u s b 接口提供了内置电源，它能向低压设备提供5 v 电源。因此， 新的设备就不需要专门的电源供电，从而降低了这些设备的成本，提高了性价比。 8 低价、低能耗。u s b 简化了外设的连接和配置的方法，有效地减少了系统的 总体成本。u s b 外围设备处在待机状态时，会自动启动节电的功能来降低耗电量。 当要使用设备时，又会自动恢复原来的状裂4 1 。 1 2c a n 概述 1 2 1c a n 的发展 在2 0 世纪8 0 年代初，博世( b o s c h ) 的工程师们就丌始评估当时的串行总线系 统应用于客车的可行性。因为没有一种现成的网络协议能够完全满足汽车工程师们的 要求，于是在1 9 8 3 年初，u w ek i e n c k e 开始开发一种新的串行总线系统。 1 9 8 6 年2 月，c a n 诞生。在底特律的汽车工程师学会( s a e ) 大会上，由博世 公司开发的新总线系统正式推出，它当时被称为“汽车串行控制器局域网”。该协议 是基于非破坏性的仲裁机制，该机制能确保总线无延迟地传输具有最高优先级的消 息。其抛弃一般串行总线的单个中央总线主控器机制，实现了各个节点均能主动发送 数据的多主结构。 在2 0 世纪9 0 年代早期，博世c a n 规范( c a n2 0 版) 被提交到国际标准化组 织，并于1 9 9 3 年1 1 月发布了c a n 的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 。除了c a n 协议外，它也 规定了最高为1 m b p s 波特率时的物理层。同时，在i s 0 1 1 5 1 9 2 中也规定了c a n 数 据传输中的容错方法。1 9 9 5 年，i s 0 1 1 8 9 8 标准进行了扩展，以附录的形式说明了2 9 位的c a n 标识符。 2 0 0 0 年初，一个由数家公司组成的i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ) 2 糕于a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计第一章绪论 任务组织定义了一种时问触发的c a n 信息传输协议。b e m dm u e l l e r 博士、t h o m a s f u e h r e r 、b o s c h 公司员工以及半导体工业专家、学术研究专家将此协议定义为“c a n 上的时间触发通讯，( t t c a n ) 【5 1 。 在应用方面，c a n 在与人类生活息息相关的各种应用领域中使用。而且正在不 断的深入到各个工业控制和自动化领域和新的行业。包括智能楼宇，铁路通讯，矿用 通讯，灯光控制，舞台控制等等【6 j 。 1 2 2c a n 的特点 c a n 总线采用了许多新技术及独特的设计，属于串行通信网络。与一般的通信 总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性【7 1 。其特点概括为： 1 灵活的通信方式，c a n 网络上任一节点可在任意时刻向网络上其他节点发送 信息，不分主从。 2 通信距离远，直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；当通信距离 小于4 0 m 时，通信速率最高可达1 m b p s 。 3 c a n 的通信介质可选择灵活，比如双绞线、同轴电缆或光纤。 4 数据出错率极低，报文采用了短帧结构，传输时问短，受干扰频率低。 5 极好的检错效果，c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施。 6 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 优先级高的数据最多可在1 3 4 p s 内得到传输【8 1 。 7 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。在标准帧中报 文标识符有1 1 位，在扩展帧的报文标识符有2 9 位。 8 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节 点的操作不受影响。 9 c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时就会出现 冲突，这时优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点不受影响会继续 传输数据，从而大大节省了总线冲突的仲裁时阳 【9 1 。 1 0 c a n 总线具有较高的性价比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价格 较低，而且开发技术容易掌握。 c a n 总线卓越的多种错误检测机制特性、极高的可靠性和独特的设计特别适合 1 第一章绪论基于a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计 工业过程监控设备的互连，受到工业界的高度好评。 1 3 课题研究的必要性与意义 u s b 和c a n 在各自的领域中都发挥着不可替代的作用，分别成为各自领域内的 标准。u s b 和c a n 本身仍然在不断发展、不断完善，以满足市场和社会的新需求。 通过p c 的u s b 接口接入c a n 专业网络，可把u s b 的通用性和c a n 的专业性 结合起来，把它们之间的优势融合起来。将二者进行转换原因可概括为以下两个方面： 一方面，随着计算机技术的飞速发展，p c 机己经把u s b 作为通用总线和通用接 口标准，而且使用起来极为方便，安装必要的应用软件和驱动程序之后，p c 就可以 通过u s b 接口介入各控制系统中。但是，对于c a n 这样的专业网络，p c 并没有将 其作为标准接口，p c 的接入必须经过必要的改造或适配。 另一方面，二者在控制领域的应用上仍有各自的局限性。u s b 的传输距离只有 几米，经常达不到工业应用的要求，而c a n 网络的通信距离可达1 0 k m ；c a n 适配 器与主机的接口连接十分繁琐，不利于c a n 的应用扩展，而u s b 即插即用。 本设计主要应用于汽车电子，作为“测试工具使用。汽车电子网络本身由多个 c a n 总线组成，将本设计的多个c a n 接口连接到汽车c a n 网络中，可以通过主机 来完成对汽车电子设备的控制与测试。 本课题的研究，使得位于生产现场的测量控制设备通过现场总线互连构成底层控 制网络，并通过u s b 与多通道c a n 转换器连接到p c 上，有效解决了控制系统中现 场总线和上层信息管理层的互联问题。因此，该转换器的设计，将为c a n 总线与u s b 互连提供简便低成本的接口，为其它现场总线在我国的应用提供借鉴和经验，具有重 要的应用价值。 1 4 本课题的目标和主要工作内容 鉴于上述情况的分析，本课题的研究目标就是从构建高性能、高实用性的多通道 u s b c a n 转换出发，来实现u s b 和多路通道( 最多8 个) c a n 总线的双向数据传 输，并通过上位机的应用程序可以设置c a n 的通道以及c a n 数据的收发功能。 本设计是用基于a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 4 0 a 作为核心控制器，实现两种总线的数 4 基于a r m 9 的u s bi j 多通道c a n 转换器的设计 第一章绪论 据的双向交换和传输。主要工作可划分为硬件设计和软件设计两大部分。 硬件设计主要工作： 1 微处理器系统设计，包括s 3 c 2 4 4 0 a 与n a n df l a s h 、s d r a m 的连接方式以 及复位电路的设计。 2 u s b 通信接口电路设计，$ 3 c 2 4 4 0 a 芯片内部共有2 路h o s tu s b ：d n 1 ： 0 】及d p 1 ：0 】，1 路d i v i c e - p d n 0 及p d p 0 。其中d p i ，d n l 分别与p d p 0 ，p d n 0 接口复用，可根据相关寄存器来配置为不同功能。采用复用端口d p i ，d n l 作为本 设计的u s b 口，从而可以在软件上来配置其为主机或者器件。 3 c a n 通信接口电路设计，一方面利用c p l d 作为接口转换模块，完成了数 据地址复用总线与数据地址非复用总线的转换，从而实现c a n 控制器s j a l 0 0 0 与处 理器$ 3 c 2 4 4 0 a 的总线互联。另一方面完成了c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 和收发器 t j a l 0 5 0 的电路设计。 4 其它外围电路的设计，包括：电源模块的设计，用于为整个系统提供电源； 串口调试电路设计，利用$ 3 c 2 4 4 0 a 自带的u a r t 模块与电平转换芯片组成r s 2 3 2 串口电路，提供软件调试之用；j t a g 电路设计，作为下载程序的接口；l e d 灯的电 路设计等。 软件设计主要工作： 1 嵌入式l i n u x 开发环境搭建，主要是交叉编译环境的建立。 2 嵌入式l i n u x 系统的移植，包括u b o o t 的移植和l i n u x 内核的移植。 3 l i n u x 平台下u s b 驱动程序开发，完成$ 3 c 2 4 4 0 a 寄存器配置及驱动程序的 编写和移植。 4 c a n 的驱动程序开发，根据硬件电路设计，完成接口转换模块程序设计和嵌 入式l i n u x 下c a n 驱动程序的编写和移植。 5 l i n u x 下的应用层软件设计，主程序调用u s b 驱动程序和c a n 驱动程序， 完成c a n 数据与u s b 数据的转换。 6 上位机软件设计，包括上位机u s b 驱动程序的设计和上位机应用程序的设 计。其中上位机u s b 驱动程序是利用v i s u a lc + + 、w i n d o w sd d k 和d r i v e r s t u d i o 共 同开发完成的；上位机应用程序利用v i s u a lc + + 开发一个窗口调用上述u s b 驱动， 完成对c a n 网络的监控和数据传输。 5 第_ 二章u s b 和c a n 的网络模型及协 义介绍幕于a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计 第二章u s b 和c a n 的网络模型及协议介绍 2 1 通用串行总线u s b 2 1 1 u s b 系统模型 u s b 的物理拓扑为分层的星型结构，由三部分组成：u s b 主机( h o s t ) 、u s b 集 线器( h u b ) 和u s b 设备( d e v i c e ) i i o l 。 u s b 主机包括u s b 主控制器、u s b 系统软件和用户软件三部分1 1 】： 1 u s b 主控制器，总线在主机方面的接口，是软件和硬件的总和。用于支持 u s b 设备通过u s b 总线连到主机上。主机控制器对高速设备的控制通道端点支持8 、 1 6 、3 2 、6 4 字节的长度，对低速设备支持8 字节的长度。它不能支持更大的或更小 的其它长度。 2 u s b 系统软件主要是指p c 上操作系统所提供的一系列软件和驱动程序，主 要由u s b 核心驱动程序和u s b 主控制器驱动程序组成。 3 用户软件包括u s b 用户驱动程序和用户软件，u s b 用户驱动程序把用户要 求的u s b 命令发送给u s b 的主控制器硬件，同时初始化内存缓冲区。用户软件指用 户和u s b 系统之间的一种界面，它主要完成用户对u s b 的控制。在本设计中，就需 要开发用户软件来从驱动程序中获得数据并进行处理，并在窗口中显示。 u s b 设备包括u s b 总线接口、u s b 逻辑设备、u s b 设备功能单元【1 2 】。 1 u s b 总线接口包括u s b 主控制器和根集线器，其中u s b 主控制器用来管理 主机和u s b 设备之间的数据传输，负责处理主机与设备之间电气和协议层的互连； 根集线器则提供u s b 设备连接点。 2 u s b 逻辑设备对u s b 系统来说就是一个端点集合。端点可以根据它们实现 的接口来分类。 3 u s b 设备功能单元用于在特定的操作系统中支持u s b ，它由操作系统提供。 与具体的u s b 设备无关，也独立于用户软件。 完整的u s b 系统构成如图2 1 所示f 1 3 】： 6 綦十a r m 9 的u s bj j 多通道c a n 转换器的设计第一二章u s b 和c a n 的列络模型及协议介绍 主机 设备 功能层 u s b 设备层 u s b 总线接u 层 _ _ 母= = = = 冷 物理通信流逻辑通信流 图2 1u s b 系统构成 u s b 系统的软硬件资源可以分为3 个层次，即功能层、设备层和总线接口层。 功能层提供每个u s b 设备所需的特定的功能，主机端的这个功能由用户软件提 供。用户软件必须通过u s b 软件编程接口来操纵应用设备。在运行中，用户软件必 须独立于u s b 上的其它设备。 设备层主要提供u s b 基本的协议栈，执行通用的u s b 的各种操作和请求命令， 就是u s b 系统软件与u s b 逻辑设备之间的数据交换。 总线接口层涉及的是具体的物理层，主要实现物理信号和数据包的交互，也就是 在主机端的u s b 主控制器和设备端的u s b 总线接口之间实际传输的数据流【1 4 1 。 2 1 2u s b 底层通信协议 包是u s b 最基本的数据单元，每个包包含了一个完整的u s b 信息。按照其在整 个u s b 数据传输中的作用不同，分为三种类型的包：令牌包、数据包和握手包。它 们之间的区别是由更小的单元域来划分的。域又分为七类：同步序列域、包标识 域、地址域、端点域、帧号码域、数据域和c r c 校验域【1 5 】【1 6 】。 1 域 ( 1 ) 同步序列域( s y n cf i e l d ) 所有的包都从同步序列域开始的，同步序列域是产生最大的边缘转换密度( e d g e t r a n s i t i o nd e n s i t y ) 的编码序列。同步字段里的最后的2 位是同步字段结束的标记， 标志了包标识符( p i d ，p a c k e ti d e n t i f e r ) 的开始。 7 第一：章u s b 和c a n 的网络模型及协议介绍 基于a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计 ( 2 ) 包标识域( p i d ，p a c k e ti d e n t i f i e rf i l e d ) 所有u s b 包的同步序列域后都紧跟着包标识符。如图2 2 所示，包标识符由4 位的包类型字段和4 位的校验字段构成。其中包类型字段指出了包的类型；校验字段 是通过对包类型字段的二进制的求反码产生的。 (lsb)(msb) 图2 2p i d 格式 包标识符被分为4 个编码组：令牌，数据，握手和专用。包标识符传送的前2 位p i d i ：0 指出了其属于哪个组，后两位p i d 3 ：2 指出了组的类型。其中令牌组中含 有输入( i n ) 、输出( o u t ) 、帧起始( s o f ) 和建立( s e t u p ) 四种类型；数据组中 含有d a t a 0 、d a t a l 和d a t a 2 三种类型；握手组中含有确认( a c k ) 、不确认( n a k ) 和停止( s t a l l ) 三种类型；专用组则为前同步字( p r e ，p r e a m b l e ) ，这说明包标识 符编码的分布。 ( 3 ) 地址域( a d d r ，a d d r e s sf i e l d ) 功能部件是通过其地址域指定的，至于是数据包的发出地还是目的地，则取决于 令牌p i d 的值。如图2 3 所示，a d d r 6 ：0 指定了总共1 2 8 个地址。a d d r 域规定在 i n ，s e t u p 和o u t 令牌以及p i n g 和s p l i t 特许令牌中使用。根据定义，每个a d d r 值都定义了一个功能设备。在复位和上电后，功能设备的默认地址值是0 ，但是功能 设备地址0 是保留的默认地址，不可被分配作任何别的用途。必须在枚举过程由主机 进行编程来设置一个设备地址。 (lsb)(msb) 图2 3 地址域 ( 4 ) 端点域( e n d p o i n tf i e l d ) 如图2 4 所示，附加的4 位的端口( e n d p ) 字段在功能部件需要一个以上端口 时允许更灵活的寻址。端口域只对i n ，s e t u p 和o u t 令牌有定义，而且所有的功 能部件都必须在端口0 提供一个缺省控制管道。除了端e l0 之外，端口个数由功能部 件决定。对于低速设备，每个功能部件最多提供三个管道：控制管道端口0 和两个附 基j 二a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计 第一二章u s b 和c a n 的网络模型及协议介绍 加管道，其中两个附加管道可以为两个控制管道，或是一个控制管道和一个中断端v i ， 或是两个中断端口。对于全速设备，可以支持多达1 6 个的任何类型的端口。 (lsb)(msb) 图2 4 端口域 ( 5 ) 帧号码域( f r a m en u m b e rf i e l d ) 帧号码域是一个1 1 位的域，主机在每个帧的基础上加1 。帧号码域在到达最大 值7 f f h 后丌始循环，它只在每个帧开始的s o f 令牌中发送。 ( 6 ) 数据域( d a t af i e l d ) 数据域的范围是0 - 1 0 2 3 字节，而且必须是整数个字节。图2 5 是多字节的格式。 每个字节的数据位都是由l s b 首先移出。数据包的大小随着传输类型而变化。 (msb)(lsb)(msb)(lsb) 曰团卫 卫卫亚圈 图2 5 数据域格式 ( 7 ) c r c 校验域 循环冗余校验( c r c ，c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k s ) 被用来在令牌和数据包中保护。 所有的非p i d 域。 令牌c r c ( t o k e nc r c ) ：使用5 位的c r c 字段来校验标识包。 数据c r c ( d a t ac r c ) ：使用1 6 位的c r c 字段来校验数据包。发送方将要校验 的数据进行一定方法的计算，其结果作为c r c ，接收方将接收到的数据用同样的方 法计算，把计算的结果与接收到的c r c 比较，如果一致，则数据传输正确。很多u s b 接口芯片中，c r c 是由硬件完成的。 2 包 u s b 总线传输包括4 种信息包：令牌包、帧开始包、数据包和握手包4 种。下 面就来分别作介绍： ( 1 ) 令牌包( t o k e np a c k e t ) 令牌包由p i d 、a d d r 、e n d p 和c r c 构成，其中p i d 指定了分组是i n 、o u t 还是s e t u p 类型。对于p i d 为o u t 和s e t u p 类型的传输，地址和端点域唯一地确 9 第_ 二章u s b 和c a n 的网络模型及协议介绍 慕于a r m 9 的u s b1 j 多通道c a n 转换器的设计 定了接下来将收到数据包的端口。对于p i d 为i n 类型的传输，这些域唯一地确定了 应该传送数据包的端口。只有主机能发出令牌包。如图2 6 所示，令牌包包括了覆盖 地址域和端口域的5 位c r c 。c r c 并不覆盖p i d ，因为它有自己的校验域。 8 b i t s7 b i t s4 b i t s5 b i t s 图2 6 令牌包格式 ( 2 ) 帧丌始( s o f ，s t a r t - o f - f r a m e ) 包 主机以每1 0 0 m s 士0 0 0 0 5 m s 一次的额定速率发出s o f 包。如图2 7 中所示，s o f 包是由指示包类型的p i d 域、1 1 位的帧号字段和校验域组成。 8 b i t sll b i t s5 b i t s 图2 7 帧开始包 令牌包和帧开始包是由包结束( e o p ，e n do f p a c k e t ) 界定的。如果包被译码为 合法的令牌包或帧开始包，却没有在3 个字节之后以e o p 终止，则被认为是无效包。 ( 3 ) 数据包( d a t ap a c k e t ) 如图2 8 所示，数据包由p i d 、数据区和c r c 构成。根据p i d 的不同，可以将 数据分为两种类型：d a t a 0 和d a t a l 。u s b 发送数据的时候，如果一次发送的数据 长度大于相应端点的容量，就需要把数据包分为几个包发送，并且d a t a 0 包和d a t a l 包交替发送。但在同步传输中，所有的数据包都是为d a t a 0 。 8 b i t s0 10 2 3 b i t sl6 b i t s 图2 8 数据包格式 数据必须以整数个字节发出。c r c 仅通过计算包中的数据域而得到。 ( 4 ) 握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 1 0 基十a r m 9 的u s b 。j 多通道c a n 转换器的设计 第h 二章u s b 和c a n 的阀络模型及协议介绍 握手包仅由一个8 b i t s 的p i d 构成。握手包用来报告传输事务的状态，表示数据 成功接收、命令被接收或拒绝、流控制( f l o wc o n t r 0 1 ) 和停止( h a l t ) 条件的情况。 只有批量、控制和中断传输爿1 能返回握手信号。握手包有三种类型t 确认包( a c k ) ：表明数据成功接收。 无效包( n a k ) ：指出设备暂时不能发送或接收数据，但无需主机介入即可恢复， 可以解释成设备忙。不能由主机发出。 出错包( s t a l l ) ：指出设备不能传送或接收数据，但需要主机介入才能恢复。 不能由主机发出。 2 1 3u s b 数据传输类型 u s b 通过通道在主机缓冲区与设备端点间传送数据。为了满足多种不同类型的 设备的数据通信要求，以实现u s b 的通用性，u s b 协议提供了4 种数据传输方式： 批量传输、控制传输、中断传输和实时传输【1 7 1 。 1 批量传输 批量传输用于传输大块数据，并且对数据传输的周期性和传输速率没有要求。批 量传输可以占用总线的任何空闲带宽来传输数据，但是如果总线的带宽被其它必须保 证传输速率的传输方式占据时，批量传输必须等待。批量传输采用数据检错和数据重 传等方法保证数据正确到达目的地，是一种可靠的数据传输方式。 2 控制传输 控制传输用于处理主机到u s b 设备的数据传输，主要是主机向设备发送设备控 制指令、设备状态查询及确认命令。当u s b 设备收到这些数据和命令后，依据先进 先出的原则处理到达的数据。 3 中断传输 针对只发送或接收少量的数据，而且并不经常进行数据传输的设备常使用中断传 输，但它们有一个确定的传输周期。使用这种传输方式的设备有键盘、鼠标等。 4 实时传输 实时传输适用于需要连续传输数据，且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏 感的外部设备，如麦克风、嗽叭以及电话等。它能保证设备与u s b 主机之间恒定的 数据传输速率，确保发送方与接收方的速率匹配。是一种周期性数据传输方式。 1 l 第二章u s b 和c a n 的网络模型及协议介绍基于a r m 9 的u s b j 多通道c a n 转换器的设计 在本设计中，用到的是批量传输。那么下面详细介绍一下批量传输的通信机制。 批量传输可使用包括端点0 在内的其他的端点来组成双向传输。批量传输包括令牌， 数据和握手三个阶段。对于输入设备和输出设备，如果它们不能返回数据或接收数据， 必须发出n a k 或s t a l l 包。图2 9 说明了批量传输事务格式。 窄闲 空闲 圈主机工功能部件 图2 9 批量传输事务格式 u s b 总线属于一种轮询方式总线，主机控制器初始化所有的数据传输。当主机 准备好接收数据的时候，发出输入令牌包，用于描述传输动作的种类、方向、u s b 设备地址和终端号。功能部件一收到输入令牌包，便可返回数据包，如果不能返回数 据包，则返回n a k 或s t a l l 握手作为应答，如果数据无错地被主机接收则主机发 出a c k 握手。这时发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。u s b 设 备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。如果收到数据时主机检测到错 误，它不返回握手包给功能部件【1 9 】。 图2 1 0 说明了批量传输的读、写过程及时序位和数据包p i d 的使用。 批处理写 o u t ( o ) lo u t t l ) i ljl j d a t a od a t a l 广 广 批处理读l 盟l 业 d a t a 0d a t a l 图2 1 0 批量读和写 1 2 匠网 d a t a o l 回 d a t a 0