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哈尔滨下程大学硕十学位论文 摘要 乳业发展所带来的社会效益和经济效益影响深远，它不仅扩大了乳品消 费市场，更重要的是带动了奶源地区的经济发展和人员的就业问题。一切乳 品的加工生产都源自于最基本的鲜奶收购。目前龙丹乳品企业下属奶站的鲜 奶收购仍采用机械秤重，手工记录，为准确记录管理数据，本文设计了基于 i j s bh o s t 的鲜奶收购管理系统。 u s b 是现今在p c 领域被广泛采用的总线接1 ：3 技术，但在u s b 的拓扑结构 中，u s b 无法脱离居于核心地位的p c 机。本文针对u s b 设备的局限，在单片 机系统中引入了u s b 主机模块，在对u s b 协议架构深入分析之后，以应用最 为广泛的u 盘作为u s b 设备，设计了奶站鲜奶收购系统。 本文分析了该管理系统的功能，确定了以c 8 0 5 1 f 系列高速s o e 单片机 为控制核心的控制系统。根据需要，该系统配置了p s 2 小键盘、微型打印机、 手持式条码扫描枪，方便了数据的输出输入。介绍了c y p r e s s 公司的主机控 制芯片s l 8 1 1 h s 的结构及工作原理，完成了嵌入式u s b 主机的硬件设计。采 用功能丰富，使用灵活，可移植性好的c 语言，在单片机系统中实现了u s b 协议、u s b 海量存储类协议以及在p c 领域应用广泛的f a t 文件系统。 最后完成了基于u s bh o s t 的鲜奶收购管理系统的实验。实验证明该系统 达到了设计要求。 关键词：c 8 0 5 1 f 单片机；u s bh o s t ：f a t 文件系统；管理系统 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t s o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i te f f e c tb r o u g h ta b o u tb yt h ed a i f yd e v e l o p m e n t i sf a r - r e a c h i n g i tn o to n l ye x p a n d sd a i r yc o n s u m e rm a r k e tb u ta l s os p u r st h em i l k s o u r c 譬a r e a se c o n o m i cg r o w t ha n ds e t t l e d p e r s o n n e l si s s u e o fo b t a i n i n g e m p l o y m e n t a l lt h em a c l 越i n ga n dp r o d u c i n go fd a i r yi sc o m ef r o mt h eb a s i c m i l kp u r c h a s e i nl o n g d a n sm i l ks t o p sm e c h a n i c a lb a l a n c ei ss t i l lu s e d , r e c o r di s m a d eb ym a n u a l i no r d e rt or e c o r da n dm a n a g ed a t ae x a c t l y , t h em i l kp u r c h a s e d m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o nu s bh o s ti sd e s i g n e d u s bh a sb e e ne x t e n s i v e l ya d o p t e da sab u si n t e r f a c et e c h n o l o g yi np ct o d a y , b u tu s bd e v i c ec a n tb eu s e d w i t h o u tp c i no r d e rt oo v e r c o m et h el i m i t a t i o n , t h e u s bh o s tm o d u l ei nm i c r o c o m p u t e rs y s t e mi si n d u c t e da n dud i s ki su s e da st h e s y s t e m sd e v i c ei nt h i sp a p e r t h e m a n a g e m e n ts y s t e m s f u n c t i o ni s a n a l y z e d , t h e c 8 0 5 1 fs e r i e s m i c r o c o m p u t e ri st h es y s t e m si m p o r t a n tc o n t r o l l i n gc o r e ，c o n f i g u r e dw i t hp s 2 k e y b o a r d m i c r op r i n t e ra n ds c a n n e r , a l lo fw h i c h 黜c o n v e n i e n tf o rd a t ai na n d o u t t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gt h e o r yo fc y p r e s sc o m p a n y sh o s tc o n t r o l l i n g c h a ps l 8 1 1 h si si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra n dh a r d w a r ed e s i g n i n go f e m b e d d e d u s bh o s ti s c o m p l e t e d a l s ot h ea b u n d a n tf u n c t i o n , f l e x i b l eu s i n g ，w e l l r e p l a n t i n gcl a n g u a g ei sa d o p t e d ，t h eu s ba g r e e m e n t , u s bm a s ss t o r a g ec l a s s a g r e e m e n ta n df a tf i l es y s t e mw i d eu s i n gi np c f i e l di sr e a l i z e d a tl a s t , t h ee x p e r i m e n to ft h em i l kp u r c h a s e dm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n u s bh o s ti s c o m p l e t e d , w h i c hp r o v e st h a tt h e c o n t r o ls y s t e mr e a c h e st h e 。 1 d e s i g n i n gr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：c 8 0 5 1 fm i c r o c o m p u t e r ；u s bh o s t ；f a tf i l es y s t e m ；m a n a g e m e n t s y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 日期：勘7 年6 月7 e t 哈尔滨_ t 程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 鲜奶收购在乳业发展中的地位 目前，随着生活水平的提高，消费者越来越关注饮食的营养与科学，不 仅要求营养素兼备，更需要各营养素之间搭配合理、比例均衡。乳与乳制品 恰恰符合了这些要求。是人类理想的天然食品，被称为“食品之皇”、“白色 血液”。鲜乳中有上百种化学成分，总乳固体平均质量分数为1 3 ，脂肪4 ， 蛋白质3 4 ，乳糖4 8 ，无机盐o 8 ( 其中钙o 1 1 ) ，含有几乎所有的脂 溶性和水溶性维生素，营养价值十分丰富。 鲜奶收购是乳品发展的关键。 在发达国家，乳业是农业的主导产业，在畜牧业产值中占有较高的比重。 在澳大利亚，乳业是仅次于小麦、牛肉的第三大产业，2 0 0 1 2 0 0 2 年度，其产 值超过3 7 亿澳元，成为农村地区带动就业和乳制品增值的支柱产业。美国占 2 1 ，新西兰占到4 8 。在法国，牛奶总产值已超过其汽车工业总产值，而 我国牛奶总产值占农业总产值的比例不足l ，具有较大的发展空间和增长 潜力“1 。 我国良好的乳业发展趋势体现在： ( 1 ) 乳畜的存栏量和乳类总产量快速增长。2 0 0 1 年，我国奶类和牛奶 的总产量双双突破1 0 0 0 万吨，2 0 0 2 2 0 0 4 年保持了较快的发展势头。同时， 各乳制品厂家近年来纷纷扩大奶源，建立起许多大型奶牛厂，集中管理，提 高了乳畜的存栏量和乳类总产量。 ( 2 ) 乳及乳制品加工能力迅速增长。由于原乳产量快速增长，与之相适 宜的乳及乳制品的加工能力和产量也迅速增长，并且乳制品花色品种也逐渐 增多。各厂家引进各种先进生产设备和先进生产工艺，提高了生产能力和产 品质量”。 我国乳业发展主要呈现以下特点：一是原料奶生产、乳品加工发展迅速。 全国奶牛头数现为8 0 0 万头左右，年产奶量约为1 6 2 5 万吨左右，加工企业 5 6 0 多家。今年以来各地发展势头有增无减。乳品消费最为集中的大城市， 增幅保持在2 0 到3 0 左右。二是乳业的整体素质有所提高。一些乳品加工 企业通过股份制改造和强强联合等方式，组建了一批有实力的乳业集团，众 1 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 多小乳品企业与实力较强的企业联合或合并成大企业。乳品加工企业与奶源 基地的关系紧密度在加强。奶牛饲养的组织化程度也在不断提高。 国内外乳品企业竞争激烈，众多的乳业巨头都加强了在中国的战略部署。 2 0 0 1 年，世界排名前2 5 位的外国乳品公司已有1 3 家登陆我国，如雀巢、卡 夫、达能、联合利华等。国内的乳品加工企业已经由1 9 9 7 年的7 0 0 家发展到 2 0 0 1 年的1 5 0 0 家。标志着乳业已经进入了黄金发展期，以乳品加工企业为 龙头，从奶源基地建设到市场终端网络，已经形成了一条完整的产业链，传 统乳业成为名副其实的“朝阳产业”。 但是，我国乳业发展和国外相比还存在着相当大的差距，如：目前国内 乳产品人均占有量在1 0 千克左右，而世界发达国家人均占有量在1 0 0 千克左 右，我国人均乳类消费量为1 3 千克，只相当于世界人均消费量的7 。这说 明我国现在的乳产品生产还不能满足人民生活水平不断提高的需求。我国奶 牛品种性能不良，饲养粗放，生产水平与效益低下；乳品加工厂加工规模小， 设备陈旧，技术落后，质量不稳，市场竞争力较弱；产品结构单一，缺乏适 销对路的产品和强有力的促销手段；农户与企业、基地与公司尚未通过利益 机制衔接起来，产销一体化的格局未能真正建立起来等问题”。，这些充分说 明我国乳业发展潜力巨大。 1 2 奶站鲜奶收购现状 随着乳品企业的发展，以及人们对乳品质量要求提高，鲜奶收购工作越 来越多的得到了人们的重视。鲜奶收购是乳品生产流程中的最初一个工段， 也是保证产品质量的一个关键工段。本工段包括原料乳的验收、称重、冷却 贮藏等。 牛奶收购站( 奶站) 是乳制品企业与奶农之间的中间环节，负责把家家 户户的鲜奶收集起来，然后送到企业加工生产。目前，奶站存在着不容乐观 的损失状况，其主要原因来自于鲜奶收购计量体系。奶站常使用精度低、操 作麻烦的机械秤收集奶农的鲜奶。另外，奶站现场的工作人员手工记录各种 数据，然后将各奶户的交奶情况汇总，手工录入计算机统一管理。可见，陈 旧的设备和落后的方法导致了误差的存在。 由于现有的奶源基地规模化经营的要求越来越高，所以集微电子技术、 传感器技术、自动化技术、计算机技术和信息处理技术于一体的仪器仪表在 测量过程自动化、信息处理智能化和仪器功能人工化等方面的使用范围也不 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 断扩大。图1 1 是黑龙江农业机械工程科学研究院研制的收奶计费管理机， 该管理机使用i c 卡进行数据存储。 图1 1i c 卡收奶计费管理机 1 3u s b 技术在管理系统中的应用 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 ) 源自于1 9 9 4 年1 1 月以i n t e l 为首的7 家公司推出的u s b 协议规范。1 9 9 5 由通用串行总线应用论坛 ( u s b ) 进行了标准化。从u s b 标准颁布以来，u s b 己成为p c 上的标准 接口，并为绝大多数p c 外部设备如键盘、鼠标、打印机、扫描仪和游戏手 柄所采纳使用，迅速占领了计算机中、低速外设市场。在u s b 推动p c 外部 设备发展的同时，p c 外部设备反过来也对u s b 提出更高的要求，其中最主 要的一点便是更高速率的数据传输。 u s b 技术不仅限于p c 行业，现在每一个计算机硬件的生产商都尝试在 自己的平台上应用u s b 技术。u s b 技术在嵌入式领域的应用也越来越广泛。 人们希望在以嵌入式u s b 主机为核心的系统中，能拥有u s b 设备的功能， 同时在手机、数码相机的设备中，嵌入u s b 主机模块，这样嵌入式的主机就 可以直接与移动设备连接，实现特定的功能。如图1 2 所示的移动设备的直 接连接。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 2 移动设备之间的直接连接 u s bo n m g o 应用在便携式移动设备领域中，是对u s b2 0 的补充和 扩展，在遵从u s b 全机设备架构的规定下，通过允许如数码相机、p d a 之 类移动数码设备由软件协议动态切换设备和主机两种工作方式，即成为一种 双功能设备( d u a lr o l ed e v i c e ) ，从而引入点到点的数据传输功能”。u s b 的特点如下： ( 1 ) 即插即用 即支持熟插拔和操作系统的自动配置。即( p l u ga n dp l a y ) ，允许外设在 主机和其它外设工作时进行连接、配置、使用和删除。 ( 2 ) 可选择的多种速度模式 u s b 通过协议来共享u s b 的带宽，其1 2 m b p s 的带宽对于鼠标等中、低 速外部设备已经足够了。而在2 0 0 0 年发布的u s b 2 0 版本中，u s b 的带宽已 经被提升到4 8 0 m b p s 。 ( 3 ) 完备的总线拓扑结构 u s b 的菊花链式的行星总线结构，能够支持多达1 2 7 个外设的同时连接。 ( 4 ) 低功耗 u s b 独特的电气层机制保证其低功耗。 ( 5 ) 通用性 u s b 具有统一的标准硬件接口，协议规定了a 、b 两种连接器，a 型用 于下行端口，b 型用于上行端口。不同的设备使用相同的接口，通过u s b 联 机就能方便的与主机连接起来。所有的u s b 联机都是带屏蔽的四芯电缆，其 中两根是信号线，另两根是电源和地线。为保证通用性，u s b - i f 还将常用的 具有相同或相似功能的设备归为同一类型，制定了相关的设备类规范( c l a s s s p e c i f i c a t i o n ) ，这样依照相应的规范标准，不同厂家的u s b 设备便可使用同 样的设备驱动程序。 4 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 ( 6 ) 价格低廉 随着大量u s b 产品的问世大大降低了u s b 芯片及设备的价格。应用u s b 总线规范，可以清除p c 上过多的i o 接口，而仅以一串行接口取代，使得 p c 与外部设备之间的连接变得更加容易。 在鲜奶收购管理系统中嵌入u s b 主机模块，方便了鲜奶收购的数据管 理，提高了系统的数据移动存储管理功能。 1 4 论文的主要工作 本次课题是针对黑龙江龙丹乳业科技股份有限公司的奶站鲜奶收购环 节目前存在的缺陷而设计的鲜奶收购管理系统。该系统能够解决机械秤重的 误差问题，解决了i c 卡系统需要读卡器带来的麻烦问题，方便了数据的存储。 本次设计主要的工作如下： ( 1 ) 分析鲜奶收购过程，按照相应的功能要求，确定管理系统应该具备 的功能。 ( 2 ) 分析u s b 协议以及u s b 海量存储类协议，确定在嵌入式系统中实 现u s b 主机所需要的软硬件条件。 ( 3 ) 创建文件系统，完成对文件的操作。在本设计中主要针对u s b 移 动类存储设备( u 盘) ，实现与p c 机类似的u s b 主控功能，包括建立文件 和目录，写入文件、删除文件等功能。 ( 4 ) 确定控制方案。设计该系统的硬件电路，设计鲜奶收购管理系统样 机。 ( 5 ) 利用高级编程语言c 编制控制软件，使得u s b 移动存储设备在单 片机系统中所获得的数据能够转移到计算机进行统一管理。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统方案设计 2 1 奶源收集系统总体方案 图2 1 是奶源收购管理的总体系统示意图。 曰愚 图2 1 总体奶源管理系统示意 其中奶源管理子系统主要是基于p c 机完成对奶源进行纵深的管理，跟 踪奶户的奶牛数、品种、交奶量、质量等，做到心中有数，以充分保证收购 鲜奶数量的准确性，达到质量要求。对鲜奶收购的各环节实施严格的控制监 督并力求达到量化管理，对各奶站的工作要定期给以评价考核以加强奶站工 作人员的责任心。总之，从加强奶源管理出发来达到降低鲜奶采购成本的目 的。p c 机安装奶源管理软件，如图2 2 所示。该软件适用于奶源管理单位的 各奶站鲜奶收购资料的统一管理，功能包括： ( 1 ) 奶户档案管理： ( 2 ) 奶户交奶信息管理； ( 3 ) 奶站收奶信息管理； ( 4 ) 奶资及奶资计算结果管理； ( 5 ) 奶户奶质、奶量、奶价查询 6 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 图2 2 奶源管理软件 图2 1 中的鲜奶收购管理系统是本文的设计重点，它负责处理来自秤的 信息，统一管理奶站鲜奶收购现场的资料，为奶源管理子系统提供基本信息。 如图2 3 所示。 图2 3 现场收购示意 磅奶槽用于称量过程的液体承装。 奶槽外侧的压杆用于控制鲜奶的流出， 奶从管道流出。 7 一般和秤设计为一体的结构形式。磅 压下压杆，磅奶槽内部活塞打开，鲜 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 2 管理系统设计方案 图2 4 是管理系统结构框图，该管理系统使得鲜奶收购过程简单化，减 少人为误差，提高工作效率。具有如下优点： ( 1 ) 采用单片机控制技术，体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要 求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。 ( 2 ) 扩展了u s b 接口，低成本、使用简单、支持即插即用。 ( 3 ) 系统外接打印机，条形码扫描仪，便于数据输入输出。 图2 4 管理系统结构框图 i j s b 主机可以使u s b 设备脱离p c 机进行数据存储，在管理系统嵌入该模 块，直接读取主机的数据，然后转移到奶源管理子系统。图2 5 显示了f l a s h 盘作为u s b 主机的设备时的即插即用。 图2 5u 盘作为u s b 主机的设备 8 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 3u s b 通讯 在数据传输方面，u s b 支持不同类型设备的数据传输( 周期性和非周期 性数据传输等) 。u s b 协议所说的通信是指u s b 设备和u s b 主机之间的通 讯。物理上，总线上的设备通过一条物理连线和主机通讯，所有的设备共享 这条物理链路。逻辑上，主机给每个设备提供了一条逻辑的连接，每个设备 都有这样一条点对点的连接。为了细化u s b 的通讯机制，u s b 协议采用了 分层的概念，每一层传输的数据结构对其他逻辑层是透明的。图2 6 显示了 u s b 设备和u s b 主机通讯的逻辑结构和每层的逻辑通道。 u s b 设备 数据传输层 u s b f 一一一、 接口 主机协议层 = = = = = = o ) 端点 信号层 总线接口l = ：= 逻辑通信 。物理通信 图2 6u s b 通信的逻辑结构 ( 1 ) 接口即功能接口，用来完成特定的功能。每个设备可以同时提供多 个功能接口，如数码相机、u 盘等，u s b 主机端为每个接口提供了客户端驱 动程序，驱动程序和接口之间通过交互完成了有特定意义的数据传输。 ( 2 ) 端点是设备端用于传输数据的接收点和发送点，它的功能相当于其 他总线设备的i o 端口，它们也有方向性：输入和输出。所有的设备都要求 有一个端点0 ，它用来接收u s b 主机端发送的控制命令，完成对设备的控制 和状态反馈，称为默认端点。主机端的客户端驱动程序也是通过与设备接口 的端点的数据传输实现对设备驱动的，这就相当于驱动程序对p c i 或i s a 总 线设备的i o 端口的读写操作。与设备的端点对应，主机端的协议软件或客 户端驱动程序要求提供存储数据的缓冲区。端点传输的逻辑通道称为管道， 它有两种类型：流( s t r e a m ) 和信息( m e s s a g e ) 。流管道是单向的，它传输 的数据信息没有特定的格式；而信息管道是双向的，用来传送协议的特定格 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 式的信息。端点可以组成一组，完成特定的功能。 ( 3 ) 总线接口的功能除了传送和接收数据信号以外，逻辑上还包括识别 设备的当前唯一地址。设备的地址是设备插入到总线上时，由u s b 主机分配 的，范围从0 至1 2 7 ，其中0 为所有的设备在没有分配唯一地址时使用的默 认地址，它是互斥共享的。当前总线上有包传输时，设备的总线接口接收到 此包，通过解析其中的设备地址判断此包是否是发送给自己的，如果不是则 忽略此包。否则判断此包是发送给哪个端点的，并将整理后的包传送到协议 层的相应端点“”。 由以上分析可以很清楚的看到u s b 通信逻辑上的三层：信号层，协议层， 数据传输层。u s b 协议中最为复杂的是底层数据通讯结构的内容，其中包括 最基本的数据传输单元、数据传输类型、数据传输机制及数据交换流程等。 信号层在u s b 主机和设备的物理连接之间传输位信息流一包( p a c k e t ) ；协 议层在u s b 主机和设备的协议软件之间传输包字节流事务( t r a n s a c t i o n ) 数据传输层在u s b 主机客户端驱动程序和设备功能接口之间传输为实现特 定功能的数据信息流传输( t r a n s f e r ) 。每种传输由多个事务完成，每一笔 事务由底层的包组成。 协议逻辑上将设备分成了三层实体：总线接口、端点接口和功能接口， 2 3 1u s b 信号特性 u s b 电缆采用4 线结构，即电源线v b u s 和g n d 两根，差模信号数据线 d + 和d 两根。信号采用差分传输，分为差分态( 1 或0 ) 、静止态( 1 或o ) 和单端0 ( s e 0 ) 状态，其中s e 0 是包结尾( e o p ) 的一部分。协议根据这 些状态来判断设备的速率、数据内容、总线忙闲以及设备的插拔、挂起和唤 醒等。 ( 1 ) 编码、解码和同步方法 除了d + 和d 数据线的空闲状态和包结尾( e o p ) 外，u s b 中的数据采 用反向不归零( n r z i ：n o n e r c t u mt oz e r oi n v e r t e d ) 的编码方法。相应的解 码过程就是n r z i 的反过程。数据的发送方是n r z i 的编码方，接收方是数 据的解码方。 n r z i 的编码规则是： 当有多个0 的信息时，信号的每一位时间按方波变换。 当有多个l 的信息时，信号的每一位时问状态不变。 当有从l 到0 的信息时，信号的状态要求变换。 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 当有从0 到l 的信息时，信号的状态要求不变。 u s b 协议为总线定义的物理连线只有电源线和两根数据线，没有定义专 门用于同步的连线。总线的同步信息包含在数据包中，称为同步字段，使接 收方和发送方的锁相环达到同步。 ( 2 ) 位填充 由于u s b 系统采用n r z i 编码，对于一串0 来说，它的数据线的电平状 态会按位跳变，但是对于一串1 来说则不然。如果数据传输中有一串l ，因 为数据线的电平状态太长时间不变可能会导致数据接收方的时间同步漂移。 为了确保数据的发送方和接收方的时间同步得以保持，协议要求数据传输过 程中，每遇到6 个l 就在n r z i 编码之前添加一个0 ，称为位填充( b i t s t u f f i n g ) 。 在包的所有数据信息中都要求使用此方法“。 2 3 2u s b 数据通讯结构 “包”是u s b 最基本的数据单元。每一个包，基本上包含了一个完整的 u s b 信息。包是通过组成包的“域”来区分的，一般说来，一个包就是一连 串的二进制数，而域就是其中的一部分。域又被分为7 类：同步序列域、包 标识域、地址域、端点域、帧号域、数据域，c r c 校验域。以包为基础，u s b 定义了由一定的包按照某种特定的格式组成的数据传输。不同的传输类型所 能达到的传输速度、占用u s b 总线的带宽、传输数据的总量和应用场合等都 是不同的。其中每种传输方式都由很多事务来完成，每一笔事务由底层的包 组成。u s b 通讯的结构如图2 7 所示。 图2 7u s b 通讯的结构 u s b 接口是以令牌包为主的总线协议，而且主机掌握了这个总线的一切 主控权。换言之，一切的沟通皆由主机负责激活与执行。由于u s b 不占用任 何中断向量、d m a 或任何输入输出资源，要通过严谨的协议才能与外围设 备达成通讯的目的，因此严谨的协议显得尤为重要。包( p a c k e t ) 是u s b 系 统中信息传输的基本单元，所有的数据都经过打包后在总线上传输，包由一 1 1 哈尔滨工程大学硕七学位论文 系列域组成。包分成四类：令牌包、数据包、握手包和特殊包。 表2 1 各种包结构 义 s y n cp i da d d r日旧pf r a mc r c 5 令牌包 数据包 握手包 特殊包 u s b 上数据信息的一次发送或接收的处理过程称为事务处理 ( t r a n s a c t i o n ) ，简称事务。事务处理可分为输入事务、输出事务、设置事务 和帧开始( s o f ) 事务，数据传输的方向以u s b 主机为源头来判断。 ( 1 ) 输入事务是u s b 主机从设备接收一个数据包的过程。 ( 2 ) 输出事务是u s b 主机向设备发送一个数据包的过程。 ( 3 ) 设置事务u s b 主机向设备发送控制命令的过程。 ( 4 ) 帧开始事务只有令牌事项，用于传输帧起始令牌包。 传输是u s b 数据传输的最高层，传输的是u s b 主机和设备间具有完整 意义的数据。传输由一个或多个事务完成，每个传输处于主机和设备对应端 点( e n d p o i n t ) 之间建立的一个逻辑通道一管道( p i p e ) 内，多个端点和管道 组成接口( i n t e r f a c ) 完成特定功能。位于一个管道中传输的事务可以和其他 管道中传输的事务在u s b 总线上混合共存，但不同事务中的包是不能混合 的。u s b 规范定义了4 类传输类型：中断传输、批量传输、同步传输和控制 传输m l a 。 中断传输是一种周期性的传输方式，u s b 主机在中断传输中周期地轮询 设备以确认设备是否有数据发送，具有差错检测和出错重传机制。主机会为 中断传输保留一定的传输时间( 带宽) ，但中断传输没有固定的传输速率。轮 询周期是低速设备1 0 2 5 5 m s ，全速设备1 2 5 5 m s ，数据包大小是低速设备 l 8 字节，全速设备1 - - 6 4 字节，高速设备1 0 2 4 字节。由输入事务或输出事 务组成“，事务处理过程见图2 8 。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 图2 8 中断传输的事务处理 批量传输用于不确定时间进行的相当大数量的数据传输，u s b 主机在总 线带宽空闲时将剩余带宽分配给批量传输，并以差错检测和出错重传保证数 据无差错地传送。所以批量传输是有确认的数据传输，没有固定的传输速率， 优先级低于其他传输类型。只有全速和高速设备才支持批量传输，全速数据 包大小为8 ，1 6 ，3 2 或6 4 字节，高速数据包固定5 1 2 字节，其中最后一个挂 零的数据包除外。 同步传输用于有固定传输速率且较大数据量而允许有一定误码率的数据 传输，u s b 主机优先保证其带宽，但不作差错检测和出错重传。只有全速和 高速设备支持同步传输，全速数据包大小为肌1 0 2 3 字节，高速数据包固定为 1 0 2 4 字节。 控制传输是u s b 中最复杂也是最重要的传输类型，用于u s b 主机对设 备正常工作前的枚举配置和正常工作中的查询控制，控制传输分为初始设置 步骤、可选数据步骤和状态信息步骤三个阶段。初始设置阶段的数据包大小 是8 字节，可选数据阶段的数据包大小是：低速8 字节；全速可选8 ，1 6 ， 3 2 或“字节；高速固定6 4 字节“。 2 3 3 标准的i j s b 描述符和请求命令 u s b 协议定义了一套用来描述u s b 设备功能和属性的描述符，这些描 述符有固定的数据结构。标准u s b 描述符包括设备描述符、配置描述符、接 口描述符、端点描述符和字符串描述符，设备描述符中定义了配置描述符的 信息，同样配置描述符中也定义了接口描述符的信息，依此类推。 u s b 设备的设备描述符给出了u s b 设备的通用信息，包括对设备及其 1 3 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 配置过程中起全程作用的参数。每个u s b 设备有且只有一个设备描述符m 1 。 设备描述符的结构见表2 2 。最后一项定义了可能的配置符数目。 表2 2 设备描述符的结构 偏移 字段名称 长度 字段值意义 量b y t e s 0 b l e n g t h 1数字设备描述符字节数 l b d e s c r i p t p r t y p c 1常数设备描述符编号 2b e d u s b2b c d 码u s b 版本号 4 b d e v i c e c l a s s1类u s b 设备类代码 5b d e v i c e s u b c l a s sl子类u s b 设备子类代码 6b d e v i c e p r o t o c o l 1 协议u s b 设备协议代码 7b m a x p a c k e t s i z e 01数字 端点0 数据包最大值 8i d v e n d o r 2 i d 编号厂商编号 l o i d p r o d u c t 2 i d 编号产品编号 1 2b c d d e v i c t2b c d 码设备出厂编号 1 4 i m a n u f a c t u r e r 1 索引厂商字符串索引 1 5i p r o f u c t1索引 产品字符串索引 1 6 i s e r i a l n u m b e rl索引 序列号字符串索引 1 7 b n u m c o n f i g u r a t i o n s 1索引可能的配置符数目 u s b 主机通过默认的控制管道，使用控制传输向设备发送u s b 设备请 求，完成对设备的枚举和配置。u s b 设备请求内置于控制传输“设置阶段” 的8 字节数据包d a r a o 中，所有u s b 设备请求具有统一的结构形式，见表 2 3 。 表2 3u s b 设备请求格式 偏移量 01246 请求 b m r e q u e s t t y p eb r e q u e s t w v a l u e w l n d e x w l e n g t h 长度b y t e s 12222 u s b 设备请求分为标准u s b 设备请求和特定设备的u s b 设备类请求。 u s b 协议定义了1 1 类标准u s b 设备请求，各请求的编号如下： 1 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 表2 4u s b 设备请求编号 编号( b r e q u e s t )设备请求的名称 0获取状态g e t - s t a t u s l清除特性c l e a r f e a t u r e 2保留 3设置特性s e t - f e a t u r e 4保留 5设置地址s e t - a d d r e s s 6 获取描述符g e t - d e s c r i p t o r 7设置描述符s e t - d e s c t i p t o r 8获取配置g e t - c o n f i g u r a t i o n 9设置配置s e t - c o n f i g u t a t i o n 1 0获取接口g e t - i n t e r f a c e 1 1 设置接口s e t - i n t e r f a c e 1 2 同步帧s y n c h f r a m e u s b 设备在正常工作前必须由主机对其进行检测和配置，这个过程称为枚举 ( e n u m e r a t i o n ) 。u s b 总线枚举可分成以下步骤： ( 1 ) 当设备连到h u b 下行端口时，h u b 通过其“状态改变管道”向主 机报告有设备接入，设备处于接入态； ( 2 ) 主机查询肿b 状态，判断是否有新设备接入： ( 3 ) 主机确认是新设备接入，等待至少l o o m s 以使设备插入后供电稳 定，然后激活端口并发出复位命令，设备处于低电流供电态和接入态的复合 状态； ( 4 ) h u b 保持复位命令1 0 m s ，此后激活端口，设备进入默认态，设备 占用默认地址0 ，通过此地址的默认端口0 与主机通信，并可从端口获得高 达1 0 0 m a 的电流： ( 5 ) 主机获取设备描述符，掌握默认管道最大数据包长度等一系列信息； ( 6 ) 主机为设备分配总线上唯一地址，设备进入地址态，以后主机通过 此地址与设备进行通信； ( 7 ) 主机获取设备全部描述符为下面的配置设备做好准备； ( 8 ) 主机根据获得的描述符，给设备分配配置值，设备进入配置态，此 时设备可以获得其描述符中所规定的最大电流。 1 5 哈尔滨下稃大学硕+ 学位论文 2 4 本章小结 本章确定了奶源收集系统的总体方案。明确了奶源收集系统的结构，重 点给出了鲜奶收购管理系统的设计方案，阐明了该系统的组成要素并阐明了 u s b 协议中最为复杂的底层数据的通信结构，包括最基本的数据传输单元、 数据传输类型等，为实现本系统的u s b 主机模块打下了基础。 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第3 章u s bm a s ss t o r a g e 类协议及文件系统 3 1m a s ss t o r a g e 类概述 u s b 设备分为五个大类，即显示( m o u l t o t s ) 、通信设备( c o m m u n i c a t i o n s d e v i c e s ) 、音频设备( a u d i o ) 、人机输入( h u m a ni n p u t ) 和海量存储( m a s s s t o r a g e ) 。通常所用的u 盘、移动硬盘均属于海量存储类。 海量存储类的规范中包括四个独立的子规范，即c b it r a n s p r o t 、 b u l k ，o n l yt r a n s p o r t 、a t ac o m m a n db l o c k 、u f ic o m m a n ds p e c i f i c a t i o n 。前 两个协议定义了数据命令状态在u s b 总线上的传输方法，b u l k - o n l y 传输协 议仅使用b u l k 端点传送数据命令状态，c b i 传输协议则使用 c o n t r o l b u l k i n t e r r u p t 三种类型的端点进行数据命令状态的传送。后两个协 议定义了存储介质的操作命令，a t a 协议用于硬盘，u f i 协议则针对u s b 移 动存储。 本设计中所使用的u 盘遵循b u l k - o n l y 传输协议和u f i 命令规范。m a s s s t o r a g e 类协议主要为软磁盘接口、a t a 接口、i d e 接口硬盘及f l a s h 存储器 等设备建立的u s b 接口l 2 0 jo 根据以上不同的数据存储载体接口构成了m a s s s t o r a g e 类的各种子类，他们都有自己的规范，并通过命令的形式实现各种功 能。 当u s bh o s t 配置完u s b 设备后，通过描述符提供的信息，识别出 b u l k - o n l y 的m a s ss t o r a g e 设备，然后进入b u l k o n l y 传输方式，在此方式下， u s b 与设备之间的所有数据均通过b u i l ，- h 和b u l k - o u t 来传输，不再通过 控制端点传输任何数据。 在这种传输方式下，有三种数据类型在u s b 和设备之间传输，c b w 、 c s w 和普通数据。c b w ( c o m m a n db l o c kw r a p p e r ，即命令块分组) 是从 u s bh o s t 发送到设备的命令，命令的格式遵从接口中的b i n t e r f a e e s u b c l a s s 所指定的命令块。u s b 设备需要将s c s i 命令从c b w 中提取出来，执行相 应的命令，完成以后向h o s t 发出反映当前命令执行状态的c s w ( c o m m a n d s t a t u sw r a p p e r ) ，h o s t 根据c s w 来决定是否继续传送下一个c b w 或数据。 若u s bh o s t 要求u s b 设备执行的命令是发送数据，则此时需要将特定的 数据传送出去，传送完毕后发出c s w ，使u s bh o s t 进行下一步操作。u s b 1 7 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 设备所执行的操作可用图3 1 来表示。 图3 1b u l k - o n l y 设备执行操作 从图3 1 中可以看到数据段被一分为二，一个是数据出，这表示主机发 送数据给设备；另一个为数据入，表示主机从u s b 设备处得到数据。主机发 送c b w ，这个c b w 本身作为传输描述符的负载数据传输到设备。c b w 的 封包包括两部分，封包头和命令块。封包头表征了数据传输方向的逻辑单元 和命令块的长度；命令块是真正要实现的命令。根据设备的不同，命令块使 用的命令簇也不一样，一种为u f i 指令集，另一种为s c s i 指令集。普通数 据阶段，数据将占据整个传输描述的负载长度，需要送出的数据在发送前要 装入缓冲区。读入时，数据在传输描述符执行完会自动放入负载数据部分。 c s w 阶段反映该命令的执行情况，包括c s w 标志、还需传输的数据长度、 正确的返回标志等“”。 u f i 设备是可移动介质大容量子系统，它通过u s b 端口与主机相连。主 机与u f i 设备通过命令块的交换来进行信息交换。u f i 设备的驱动由主机提 供，响应主机发出的命令。 u f i 命令规范是基于s c s i - 2 和s f f 8 0 7 0 i 命令规范发展而来，其针对u s b 移动存储类设备。每个命令块的长度均为1 2 字节。u f i 命令以b u l ko n l y 传输的c b w 形式传送，即它封装在c b w 包中。通过解析c b w 包来获得当 前主机发送的啁命令。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 1 典型的命令块操作码 b i t 765432lo 蜘 o o p e r a t i o nc o d e 1 l o g i c a lu n i tn u m b e r r e s e r v e d 2 5 ( m s b ) l o g i c a lb l o c ka d d r e s s ( i f r e q u i r e d ) 6r e s e r v e d 7 8t r a n s f e ro rp a r a m e t e rl i s to r a l l o c a t i o nl e n g t h ( i f r e q u i r e d ) 9r e s e r v e d 1 0r e s e r v e d 1 1r e s e r v e d o p e r a t i o nc o d e ：表示该命令要执行的操作。 l u n ( l o # e mu n i tn u m b e r ) ：表示要执行的命令块的逻辑单元。如果u f i 设 备只支持一个逻辑单元，l u n 的值应为0 。 l b a ( l o # c mb l o c ka s s r e s s ) tl b a 必须是从第0 块开始，并且连续标号直 到最后一块。 传输长度：表示要传输的数据的长度，以块为单位。 在正确的响应了u f i 协议中包含的s c s i 命令后，设备作为大容量存储 设备的功能便实现了。1 。 u f i 设备通过传输定义中的状态传输表明命令块的状态，即“处理中”、 “完成”和“失败”三种状态。当处理完一个命令块时，u f i 设备将在内部 记录命令结果作为主要信息。如果使用c b i 传输，u f i 将唤起命令结束中断。 主机将使