（信号与信息处理专业论文）usb技术的嵌入式系统应用研究.pdf

u s b 技术的嵌入式系统应用研究 摘要 。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s u s b ) 作为计算机外围设备通讯的总线 标准，以其高速，稳定、易用、廉价等特点，实现了从标准出现到普遍应用的快 速发展。目前u s b 接口已经成为计算机外围设备、移动存储设备、数码产品乃 至移动通讯设备与计算机互连的首选标准接口。 u s b 技术在嵌入式系统中有两种主要的应用方式：即作为u s b 总线设备的 u s b 设备方式和作为u s b 主控制器的嵌入式u s b 主机。u s b 设备已经广泛应 用，如打印机、移动硬盘、u 盘、数码相机及手机等在工业领域内，基于u s b 总线的数据采集系统和虚拟仪器也开始面世。随着移动u s b 设备互连的要求越 来越强，嵌入式u s b 主机和u s to t g 技术的应用逐渐成为u s b 应用领域的研 究热点。但由于u s b 协议的不对等性，u s b 主机和u s b 设备所担负的总线功能 差别较大。因此u s b 主机的实现相对复杂。由于协议的复杂性，加上嵌入式系 统中软、硬件资源的限制，在系统中实现u s b 主机功能的实例还不是很多。目 前具有嵌入式u s b 主机功能的多为具有高档处理器的音视频系统，如数字机顶 盒。在采用低端控制器的嵌入式系统( 如单片机系统) 中实现有限的u s b 主机 功能，是当前u s b 应用领域中的一个研究方向，也是本文所做工作的重点。 本文从u s b 总线协议入手，结合u s b 总线特性，分析了u s b 总线的工作 机制，研究了其高速性，可靠性、易用性的实现原理。在此基础上，针对u s b 总线的应用，从u s b 设备、u s b 主机和u s bo t g 应用三个方面，分别进行了 实验和应用研究。， 论文共分六章：第一章和第二章介绍了u s b 技术发展和现状、课题意义， 并分析u s b 总线特性的实现机理，第三章介绍了设备方式下的采用u s b 总线通 讯的数据采集系统。第四章介绍亨集成了u s b 主机功能的u 盘读写系统。第五 章创新性的提出了基于o t g 技术的h o s t - - m p 3 系统的应用方案。后三章均对系 统的软硬件结构进行了论述。 本文综合探讨了u s b 技术在嵌入式系统中多个方面的应用与实现，具有较 强的现实意义和实用性。 关键字：u s b ；o t g ；单片机；u 盘；h o s t - m p 3 t h er e s e a r c ha n da p p ii c a t i o l 3o f u s bt e c h n oio g yine m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t 皿1 cu n i v e r s a ls e r i a lb u s - u s b o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb u ss p e c i f i c a t i o n si n p cp e r i p h e r a li n t e r c o n n e c tt e c h n o l o 鼢h a sl e a da r a p i dd e v e l o p m e n ts i n c ei th a db e e n r e l e a s e da sai n d u s t r y - s t a n d a r d , 谢t ht h ei t so b v i 0 1 1 5b e n e f i t s ，s u c h 硒h i 曲s p c e d ， r o b u s t n e s s ，e a s e - o f - u s e ，a n dl o w c o s ts o l u t i o n u s bi n t e r f a c eh a sb e c o m et h em o s t i n c l i n e ds t a n d a r di n t e r f a c ef o rt h ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e np ca n dp e r i p h e r a ld e v i c e s ， s u c ha sp o r t a b l es t o r a g ed e v i c e s ，d i g i t a lp r o d u c t sa n dp o r t a b l ec o m m u n i c a t i o n d e v i c e s t h o r ea g eg e n e r a l l yt w om o d e s0 fu s bt e c h n o l o g yc o u l db eu s e di ne m b e d d e d s y s t e m s o n ei st h eu s bd e v i c em o d eu s i n ga su s bd e v i c e sa n dt h eo t h e ri su s b h o s tm o d eu s i n ga su s bh o s tc o n t r o l l e r s u s bd e v i c e sh a v eb e e nu s e dv e r y c o m m o n i yi ne v e r y d a yl i v e i ni 1 1 d u s t r ya p p l i c a t i o n s m o r ea n dm o r ed a t aa c c e s s i n g s y s t e m sa n dv i l l l j a li n s t r u m e n t sh a v ei n t e g r a t e du s bi n t e r f a c ei n s i d e w i mt h e i n c r e a s eo fu s bd e v i c e s e m b e d d e du s bh o s ta n du s b0 t gt e c h n o l o g yh a v eb e e n f o c u s e do ni nu s b a p p l i c a t i o nf i e l d b e c a u s eo ft h ei n e q u i t yo fu s bs p e c i f i c a t i o n s t h e r ei sag r e a td i f f e r e n c ei nt h e b u sf e a t t i r e sb e t w e e nu s bh o s ta n du s bd e v i c e t h u st h er e a l i z a t i o no fu s bh o s t w o n i db em u c hm o r ec o m p l e xc o m p a r a t i v e l y t h em m c u l t yo ft h ec o m p l i c a t e d s p e c i t i c a t i o n sa n de s p e c i a l l yt h el i m i t a t i o no ft h es o r w a r ea n dh a r d w a r ei i lt h e e m b e d d e ds y s t e mr e s u l ti nt h a tt h e r ei sn oe n o u 血c a s e s 晰t hau s bh o s tf u n c t i o ni na r e a le m b e d d e ds y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，m o s te m b e d d e ds y s t e m st h a ti n t e g r a t e du s b h o s tf u n c t i o na r ea u d i o m d c op l a y e rs y s t e m s 。s u c ha sad v b s c - t o pb o x 。i l lw h i c h ae d v a n c e dm i c r op r o c e s s o rw a si n t e g r a t e d an e wr e s e a r c hf i e l di sh o wt oi n t e g r a t ea l i m i t e du s bh o s t f u n c t i o ni nal o w - c o s te m b e d d e ds y s t e m 妞w h i c ham i c r o c o n t r o l l e rw a su s e d , a n dt h i sf i e l di so b eo f t h em o s ti m p o r t a n ts u b j e c to f t h ep a 口e r t h ep a g l e rs t a r t sw i t ht h ed e s c r i p t i o no fu s ba p e c i t i c a t i o n s i n c l u d i n gu s b f e a t u r e s ，a n dt h e np r e s e n t st h eu s bn m n i n gp r o c e s s 。e s p e c i a l l yr e s e a r c ho nt h e r e a l i z a t i o no f 也eu s bf u n c t i o n ss u c ha sh i 吐s p e e d ，r o b u s t n e s s ，e a s e o f - u s e n 坨 f o l l o w i n gc h a p t c r sa r ea p p l i e di nr e s e a r c ho t lt h r e ea s p e c t so fu s bt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gu s bd e v i c e ，u s bh o s ta n du s b0 t g 砸sp a p e rc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s t h ef i r s ta n ds e c o n dc h a p t e rp r e s e n t sab r i e f d e s c r i p t i o no ft h eb a c k g r o u n do ft h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s ，i n c l u d i n gd e s i g ng o a l s ， f e a t u r e so f t h eb u s ，a n de x i s t i n gt e c h n o l o 西e s t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n o ft h ed a t aa c c e s s i n gs y s t e mw i mu s bi n t e r r a c ei nt h em o d eo fu s bd e v i c e t h e f o r t hc h a p t e rd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma c c e s s i n gu s bf l a s h d i s k 。i nw h i c hu s bh o s tc o n t r o l l e ri si n t e g r a t e d t h ef i f t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h e w h o l ed e s i g no f h o s t - m p 3s o l u t i o nb a s e do i lt h em i c r oc o n t r o l l e ra t 8 9 c 5 1 s n d li i l w h i c ham p 3d e c o d e ri se m b e d d e da n da nu s b0 t g c h i pu b i 9 0 2 1 w h i c hi so n eo f t h ec r e a t i v ep a r t so ft h i sp a d e r , as e r i e so fs c h e m a t i c sa r ea l s op r e s e n t e d a 1 1o ft h e s e c h a p t e r sg i v et h ew h o l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c i l i t e c n i r ei nd e t a i l s t h el a s tc h a p t e r g i v e sas u c c i n c ts t a t e m e n tt ot h ew h o l ea p p l i c a t i o n sa n dp r o s p e c t sf o rt h ef i u t u r ei n t h i sf i e l d m o s tk i n d so fa p p l i c a t i o n so fu s bt e c h n o l o g i e sa r ep r e s e n t e dd e t a i l e di nt h i s p a p e r , w h i c hc a nb eu s e df o rp l a n n i n gn e wp r o d u c t s ，e n g i n e e r i n g a l le a r l yp r o t o t y p e ， a n dp r e l i m i n a r ys o f t w a r ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：u s b o t gm i c r o - c o n t r o l l e ru s bf l a s hd i s kh o s t - m p 3 独创声明 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 翅选查墓丝蠡薹挂鄹壹蛆 鳆：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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。 二一二竺竺三兰兰! 垒墼一兰三竺! 三! ! 三三 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。本人授权学校可以将学 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适用本授权书) 学位论文作者签名；专文 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：车阳j | 良慝 0 通讯地址： 导师签字： 爿疚 签字日期：0 6 年月；日 电话：8 2 7 泌白 都编：“占费 u s b 技术的嵌入式系统戍用研究 1 绪论 1 1u s b 总线概述 u s b 总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是最初由c a m p a q 、i n t e l 、n e c 、h p 、 m i c r o s o f t 、p h i l i p s 、l u c c “a t 等七家公司联合提出并不断完善的一种新型的串行 总线标准，主要用于p c 机与外围设备的互联。作为计算机的外围设备接口， u s b 总线自诞生之初就以方便易用、稳定可靠、廉价高速为目标，制定了相对 复杂而全面的通讯协议，以适应种类不断增多、功能不断加强的外设的发展。 因此，u s b 协议得到了众多计算机厂商和消费电子厂商的支持与青睐。1 9 9 6 年 1 月u s b l 0 白皮书问世；1 9 9 8 年在w i n d o w s 9 8 中得到操作系统的支持；2 0 0 1 年9 月5 日，u s b i f 发布了u s b2 0 的补充u s bo n - t h e - g o 技术规范，使得 u s b 技术向移动设备互联迈出了一步；至今，高速的u s b 2 0 总线设备已开始 广泛应用，w i r e l e s su s b 正在推广之中，u s b 总线技术已经在计算机领域得到 广泛应用，同时，u s b 总线在嵌入式系统中的应用将成为当前u s b 技术应用 领域的研究热点。 u s b 总线采用四针插头作为标准插头，将u s b 主机与设备通过根集线器 ( r o o t 删b ) 和下级集线器( 叫b ) 以“层叠星形”( t i e r e ds t a r ) 拓扑结构实 现物理连接，而其逻辑拓扑结构则是主机到设备一对一的直连。采用u s b 总线 通讯的装置可以分为u s b 主机( h o s t ) 和u s b 设备( d e v i c e ) 两种类型。在一 个u s b 系统中有且仅有一个u s b 主机，最多可以连接1 2 7 个设备。集线器的 作用是为设备提供连接到主机的节点。u s b 总线的传输速度分为低速 ( 1 5 m b p s ) 、全速( 1 2 m b p s ) 和高速( 4 8 0 m b p s ) ，分别针对不同的应用场合和 数据传输需求。主机端硬件上包括u s b 主控制器和根h u b ，软件上包括系统 软件和用户软件及u s b 设备类驱动程序；设备端硬件上包括u s b 总线接口芯 片和设备控制器，软件上包括u s b 通讯响应控制软件( u s b 固件) 和设备功 能软件。 综合来讲，u s b 总线具有以下优点： ( 1 ) 对于终端用户的易用性：即插即用，操作方便； ( 2 ) 接1 3 通用性：使得不同系列的外围设备可以方便的接入计算机，而操 作系统不必为每一种设备都配置中断和f o 口，节约计算机系统资源： ( 3 ) 良好的扩展性：可以接入多达1 2 7 个外围设备； ( 4 ) 速度的优势：u s b l 1 具有低速( 1 5 m b p s ) 和全速( 1 2 m b p s ) ，u s b 2 0 更发展到了4 8 0 m b p s ，适用于不同的设备类型： ( 5 ) 稳定的性能：u s b 协议从多方面考虑了数掘传输准确性和鲁棒性的保 u s b 技术的嵌入式系统应用研究 障措施： ( 6 ) 低廉的价格：与其他接口相比，u s b 接1 3 在线缆和机械方面简单易行， 因而具有较大的价格优势； ( 7 ) 可选的供电模式：u s b 设备可以从主机接口或集线器上获得电源( 能 够满足多数设备的需求) ，也可以选择自供电 基于以上优势，u s b 接口得n t 广泛应用。目前，u s b 接口不仅成为了计 算机必备的标准接口，也成为外围设备连接到计算机的首选接口。 1 2u s b 总线的各类应用 u s b 总线规范针对不同的应用场合和设备类型定义了不同的设备类协议。 这使得各种类型的设备都可以依据相应的协议实现u s b 总线通讯，为u s b 总 线的通用性奠定了基础。 根据u s b 规范的定义，u s b 设备可以分成两大类即：集线器( h u b s ) 和 功能设备( f u n c t i o n s ) 。集线器用来实现u s b 端口扩展，而功能设备即采用了 u s b 通讯接口的具有特定功能的外围设备。功能设备根据数据流量和通讯特点 又进行了多达1 8 种的详细分类，包括：人机接口类：如鼠标、键盘、游戏操纵 器等；图像类：如打印机、扫描仪、数码相机等；大容量存储设备类：如d v d 驱动器、c d r o m 驱动器、软盘驱动器、移动硬盘、u 盘等等。根据设备的数 据流量和通讯特点，对u s b 的应用范围分类见图1 - 1 ： 低速： 交互设备 1 0 k 1 0 0 k i ) s 应用 键盘、鼠标 输入笔 游戏外设 虚拟现实外设 簦乞嚣脑 电话、音频信号 香翕 5 0 0 k 1 0 m b s 麦克风 喜孽：。 翼鬈设备 视频、存储设备 苗谖 2 5 m 4 0 0 m b ，s 宽带 陶1 - 1u s b 应h j 范罔分类 低成本 简单易用 支持热插拔 可接多外设 低成本 简单易用 支持热插拔 多外设 保证带宽 保证延时 低成本 简单易用 支持热插拔 多外设 保证带宽 保证延时 高带宽 u s b 技术的嵌入式系统应用研究 袅i - iu s b 设备类型举例 设备类型 ( d e v i c ec l a s s ) 设备举例类型常量( c l a s sc o n s t a n t ) 音频( a u d i o ) 扬声器u s b _ d e v i c e _ c l a s 卧u d i o 通信m o d e mu s b _ d e c i c ec l a s s o m m u n i c a t i o n s h 玎)键盘鼠标 u s b _ d e v i c ec l a s s _ h u m a n i n t e r f a c e 显示监视器 u s b _ d e v i c e _ c l a s s _ m o n i t o r 动力回馈式u s b e v i c ec l a s s _ p h y s i c a li n t e r f a 物理回应设备 游戏操纵杆 c e 不间断电源u s b _ d e v i c e _ c l a s s _ p o w e r 电源 供应 打印机 u s b _ d e v i c ec l a s sp r i n t e r 大量的存储器硬盘u s b _ d e v i c e _ c l a s ss t o r a g e h u b 集线器u s b _ d e v i c e _ c l a s s _ h u b 目前，u s b 的设备方式的应用已经相当普及，今后其技术发展的主要热点 将放在两个方面：一是u s bo t g ( o n t 1 1 e g o ) 应用，二是无线u s b 的应用。 由于协议的不对等性，u s b 在诞生初期就有一个缺陷：u s b 主机和设备之间的 数据传输必须依靠u s b 主机发起，因此u s b 设备之间无法直接通讯。为解决 这个问题，u s bo t g 应运而生。近一年来，o t g 的产品开始逐步面世，这些 u s b 产品实现了在设备端虚拟主机的功能，从而使u s b 设备之间能够实现无 p c 参与情况下的端对端的通讯。 1 3 计算机常用外部总线比较 计算机外部总线按通讯方式大体可分为并行总线和串行总线。并行通信速 度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率 虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理器电路中则显得更加简易、方便、 灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。这里主要将串行总线作以对 比分析。 1 r s - 2 3 2 c 总线 r s 2 3 2 一c 是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 制定 的一种串行物理接口标准。r s 一2 3 2 ，c 总线标准设有2 5 条信号线，包括一个主 通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅 需几条信号线就可实现，如条发送线、一条接收线及一条地线。r s 2 3 2 一c 典 型的数掘传输速率为每秒4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 、1 1 5 2 0 0 等波特率。r s 2 3 2 一c 标 准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，其通信距离受此电容限制；传输距 u s b 技术的嵌入式系统应用研究 离短的另一原因是r s 2 3 2 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰 等问题，因此一般用于2 0 m 以内的通信。 2 r s 4 8 5 总线 与r s - - 2 3 2 总线相比，r s 4 8 5 总线具有传输距离长、传输速率高的优势。 r s 4 8 5 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收 发器具有高灵敏度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得到 恢复。r s - 4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此， 发送电路须由使能信号加以控制。r s - 4 8 5 用于多点互连时非常方便，各节点串 行连接，可以省掉许多信号线。应用r s 4 8 5n - - i p a 联网构成分布式系统，允许 连接多达2 0 0 余个节点( 视器件不同而定) 。 普通的外置式采样系统一般通过r s - 2 3 2 c 与p c 连接。但是r s 一2 3 2 c 串1 ：3 的1 1 5 k b p s 的传输速度显然成为采样系统与p c 接口的速度瓶颈，而且一条 r s 2 3 2 串口通信电缆只能连接一个物理设备。r s 4 8 5 是一个扩展性能良好的低 速总线，被广泛应用在温度、压力、流量的数据采集中，但对于大数据量r s 4 8 5 的传输带宽远不能达到要求。因此，对于实现外置式中高速、高精度采样系统 而言，提高p c 与外置式采样系统数据通道的传输速度是必要的。 3 1 3 9 4 ( f i r ew i r e ) 1 9 8 7 年，a p p l e 公司发布了名为f i r e w i r e ( 火线) 的高速串行总线，1 9 9 2 年a p p l e 公司提案被接纳为i e e e1 3 9 4 标准规范。1 9 9 5 年的i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 是 第一个正式版本，数据传输速度为9 8 3 0 4 1 9 6 6 0 8 ( 2 x ) 3 9 3 2 1 6 ( 4 x ) m b p s ( 即约1 0 0 2 0 0 4 0 0 m b p s ) ；而1 9 9 8 年推出的i e e ep 1 3 9 4 a ，以及接下来的 p 1 3 9 4 a - 1 9 9 9 、p 1 3 9 4 a 2 0 0 0 ，都是在保持传输速度不变的情况下，对控制性能 和互操作性进行了较大改善的兼容版本；2 0 0 0 年，i e e e l 3 9 4 b 标准公布，则将 速度提升到了8 0 0 1 6 0 0 3 2 0 0 m b p s 其产品也与2 0 0 2 年开始大量面世。同是串行 总线，信号线条数少、电缆细软、连接器小巧就成为1 3 9 4 和u s b 的共同特点。 二者之间的差异如表i - 1 总所列。 表1 - 1i e e e1 3 9 4 与u s b 规范差异对比 正e e l 3 9 4 a 、1 3 9 4 1 0 u s b1 1 、2 0 o t g 数据传输速率( m o p s ) 1 0 0 2 0 0 4 0 0 、8 0 0 1 6 0 0 3 2 0 0 1 5 1 2 ，l 5 1 2 4 8 0 可连接节点数 6 31 2 7 节点间距离( 米) 4 5 、1 0 0 5 拓扑结构雏菊链树璎混合，支持网络 层叠星形 连接模式对等连接土机为中心上下行分a ，b 口 串接方式 仃点具备桥接能力需要集线器( h u b ) 最人串接能力 1 65 个h u b 级联 晟k ：扩展迎接距离( 米) 7 2 3 0 线缆信号线条数 6 ( 2 电源，4 信号) 4 ( 无电4 ( 2 信号，2 电源) 4 u s b 技术的嵌入式系统应用研究 源) 、9 ( 2 电源，4 信号，2 屏 蔽，1 空) 连接器六针四针、九针 大，小( n d n i u s b ) 编码方式d s l i n k n r z i u s b 和 e e e1 3 9 4 的发展一直呈现出竞争态势，二者又在不同领域各展所 长。相比较而言，u s b 价格更低廉，其速度针对普通p c 外设已经能较好的满 足数据传输需要，1 3 9 4 虽然具有极高的速度，但受规范复杂性的影响，采用芯 片组架构的硬件方案使其价格偏高，因此，更多的应用在笔记本电脑、数码摄 像机、d v d 等较高端音视频领域和拓展家庭网络功能上。 1 4 课题概述 u s b 总线的良好特性使其应用范围正在从计算机外设向嵌入式系统领域拓 展。由于u s b 总线协议的完整和复杂性，使得嵌入式系统中u s b 的应用方式种 类繁多。从速度上区分，u s b 设备在低速、全速和高速应用领域上有着不同的 划分。低速u s b 多用于人机接口设备等数据量小、实时性要求不高的场合；全 速设备则更多的应用在数据存储、音视频信号传输等场合，虽然其带宽还不够 高，但对低品质码流仍能满足使用要求；符合u s b 2 0 协议的高速u s b ，更好的 解决了带宽瓶颈，使u s b 适用范围大大扩展 u s b 技术的嵌入式系统应用，一方面是利用u s b 总线协议的通用性、易用 性，完善嵌入式系统与p c 机通讯的速度、稳定性、便利性等各方面性能嵌入 式系统中普通串行口向速度更快、更便捷的u s b 接口转化，成为一种趋势。另 一方面，得益于p c 和操作系统对其提供良好的支持，u 盘、移动硬盘等基于u s b 协议的大容量存储设备( m a s ss t o r a g ec l a s sd e v i c e s ) 已经普遍应用，为我 们提供了独立或便携嵌入式系统设备在数据存储和移动上的一种新手段：即在 嵌入式系统中加入u s b 主控芯片，使其能够对u 盘等存储设备进行读写操作， 从而实现工作现场无p c 参与的情况下，完成数据的存储和转移。此外，面向移 动设备互连需要的u s b0 t g 技术的推出，为u s b 技术在嵌入式系统中的应用提 供了新的方向。 本课题的研究重点在于以下几个方面的研究与实践：1 深入分析、研究u s b 总线通讯协议，了解u s b 总线通讯原理和u s b 总线特性的实现机制：2 在嵌入 式系统与p c 的通讯中采用u s b 技术，实现更加快速、便利的数据采集、传输方 式该方案也是目前u s b 最普遍、最通用的运用方式。3 。在无p c 参与的嵌入式 系统情况下，实现单片机读写u 盘，从而为便携式或独立的嵌入式系统的数据 存储、移动提供一种更便捷的方案。研究在嵌入式系统中实现u s bu f i 协议、 建立文件系统，实现以u 盘方式存储数据，从而简化p c 从外围设备采集处理数 掘的方法，建立直观的数据存储机制。此部分为本课题研究的重点。4 u s b0 t g u s b 技术的嵌入式系统应用研究 技术应用方案h o s tm p 3 的设计，探索o t g 设备的创新性实现方案。以上几个 方面的研究，概括了目前u s b 应用的主要形式，其中部分技术可直接移植运用 在同类产品中，具有良好的通用性、普遍性，因而具有一定的实际应用价值。 6 u s b 技术的嵌入式系统戍用研究 2 u s b 总线研究 本章将在学习u s b 2 0 总线协议的基础上，分析研究u s b 总线的各种特点 的实现原理和机制，从而深入理解u s b 总线协议的精华。 2 1 u s b 总线简介 2 1 1 u s b 系统拓扑结构 一个u s b 系统包含三类硬件设备：u s b 主机( u s bh o s t ) 、u s b 设备( u s b d e v i c e ) 、u s b 集线器( u s bh u b ) 。u s b 系统采用层叠星形拓扑结构，如图 2 1 所示。 图2 - 1u s b 系统的物理拓扑结构 1 u s b 主机 在每个u s b 系统中都只有一个主机。主计算机系统里的u s b 接口称之为u s b 主控制器。这里u s b 主控制器可以是硬件、固件或软件的组合。根集线器是集 成在主机系统中的，它可以提供一个或多个的接入端口。在u s b 系统中，u s b 总线通讯基于轮询机制( p o l l e db u s ) ，主机在整个系统中处于主导地位，任何 一次数据通讯，都是由主机发起的。主机主要负责以下操作： ( 1 ) 检测u s b 设备的插入和拔出； ( 2 ) 管理主机和u s b 设备之间的标准控制流和数据流； u s b 技术的嵌入式系统应用研究 ( 3 ) 搜集总线状态信息和活动统计信息； ( 4 ) 为接入的u s b 设备提供限定功率的电源。 2 u s b 设备 按照u s b 协议的定义，u s b 设备包括两个基本类型：集线器为访问 u s b 总线提供更多的接入点；功能设备具有具体的特定功能的设备。典型 的功能设备如：鼠标、键盘、打印输出设备及大容量存储设备等。u s b 设备负 责以下操作： ( 1 ) 响应u s b 主机的标准请求，完成设备配置； ( 2 ) 检测并接收主机发送到本设备的通讯数据； ( 3 ) 对接收到的数据包、地址包等进行错误检测： ( 4 ) 与主机交换数据，并以a c k 、n a k 、s t a l l 和无响应等状态类型来反 馈数据传输状态。 在一个u s b 系统中，u s b 设备和u s b 集线器总数不能超过1 2 7 个。u s b 设备接收u s b 总线上的所有数据流，通过数据流中令牌包的地址域判断所携数 据包是不是发给自己的：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符， 则通过响应u s b 主机的数据包与主机进行数据传输。 u s b 集线器所支持的主要功能是： ( 1 ) 检测设备的连接和断开行为，并判断设备的速度类型，向主机报告； ( 2 ) 集线器是总线电源管理的具体实施者； ( 3 ) 负责总线故障的检测和恢复； ( 4 ) 为主机提供多个下行端口。 u s b 集线器用于设备扩展连接，所有u s b 设备都连接在u s b 集线器的端口 上。一个u s b 主机总与一个根集线器( u s br o o th u b ) 相连。u s b 集线器为其 每个端口提供1 0 0 m a 电流供设备使用。同时，u s b 集线器可以通过端口的电气 变化诊断出设备的插拔操作，并判断出设备的速度类型，并通过响应u s b 主机 的数据包把端1 3 状态汇报给u s bh o s t 。一般来说，u s b 设备与u s bh u b 间的连 线长度不超过5 m ，u s h 系统的级联不能超过5 级( 包括r o o th u h ) 。 2 1 2 u s b 总线逻辑结构 在逻辑结构上，u s b 系统中主机与设备间总是以一对一的方式进行逻辑连 接的。即无论设备插入第几级集线器上，其总线地位是相同的。主机与设备的 逻辑连接示意如图2 - 2 所示。 、 u s b 技术的嵌入式系统应用研究 存储设备 i打印机 l 扫描仪p c 主机d v d 游戏手柄i 键盘 鼠标 图2 - 2u s b 总线逻辑拓扑结构 u s b 系统中的逻辑结构是主机与设备交换数据的基础。所有连入同一个根 集线器的设备共享一条数据通道，可以将这条数据通道理解为一条管道。在高 速模式下，该管道的带宽为4 8 0 m b p s 。而在这条管道中，又可最多容纳1 2 7 条 小管道。每个小管道的终端就是一个u s b 设备。 在每条小管道中流通的数据都带有一个称为令牌( t o k e n ) 的信息包，它给 出了数据的流向。若令牌信息为玳，则数据由设备流向主机，若令牌信息为 o u t ，则数据由主机流向设备。令牌中还含有一个用于地址识别的地址域摹 a d d r ，其宽度为7 位，其所支持的设备寻址总量为2 7 个，即最多可寻址1 2 8 个设备。但由于0 0 h 地址是作为保留地址，成为设备连接初期进行配置的默认 通道，因此实际可寻址的设备数为1 2 7 个 令牌包中还包含了4 位的端点( e n dp o i n t ) 地址，因此，每个小管道还可 以最大分成1 6 个微管道，也就是可以寻址1 6 个输入输出的端点( 低速设备只 支持3 个端点) 。该端点就是数据流中最基本的信息单元，也对应于硬件上设备4 接口的端点。每个端点中可以携带不同的信息，如数据、音频、控制信号等。 2 1 3u s b 总线特- 陛 u s b 2 0 总线协议在制定之初就确立了如下目标和原则：使扩展p c 外围设 备更加方便；提供支持传输速率高达4 8 0 m b s 的低成本解决方案；完全支持声 音、音频和视频数据的实时传输；提供标准接口，能够快速应用到产品当中； 涵盖新的设备种类，增强p c 的性能；并对低版本产品向下兼容。这些原则使得 u s b 协议具备良好的可实施性、包容性和继承性。 u s b 总线特性具体如下： 1 即插即用，支持热插拔，方便终端用户使用： 电缆和连接器均采用标准型号，接口方式统一： 用户无需关心电气细节，可采用总线供电和设备自供电方式； 系统能够自动识别设备，自动将设备功能映射到驱动程序和系统配置； 外围设备可以动态连接和重新配置。 2 多种速度模式和数据流传输模式，适用于不同应用范围： 9 u s b 技术的嵌入式系统应用研究 适用于带宽从几k b s 到几百m b s 的设备； 在同一组线路上支持同步及异步传输类型； 支持多设备同时操作； 支持多达1 2 7 个物理设备； 支持在主机和设备间传输多种数据和消息流； 支持复合设备( 由功能设备和集线器构成的复合设备) 较低的协议开销，使得保证较高的总线利用率 3 良好的稳定性和鲁棒性； 同步带宽，为电话，音频和视频信号等保证合适的带宽和低延时； 支持不同范围的包规格，允许设备有不同的设备缓冲区选项； 通过调整包缓冲区的大小和延时，实现非常宽的数据速率范围； 协议内置了用于缓冲处理的流控制； 协议内置了差错处理故障回复机制； 用户可以实时察觉设备的动态插入和拔出9 支持故障设备的识别 2 2u s b 总线特性的实现 u s b 优良的总线特性，源自其合理的电气、机械规范和完备的通讯协议的 保障。下面将就u s b 的总线特性展开分析，从各个层面探讨其实现机制。 2 2 1 即插即用的实现 设备即插即用功能的实现包括两个层面的含义：支持热插拔和自动、动态 识别设备并加载。 1 支持热插拔 热插拔功能的实现，要求控制器可限制涌入电流、在正常操作过程中实施 电流限制、并提供其它的监控功能。 机械结构上，u s b 插头的两个电源触点v b u s 、g n d 要比信号触点长。因 此，在u s b 设备接入时，首先连接上的是电源和地，然后才是信号线。此举可 减少浪涌电流对信号线和控制芯片的影响。 另外，u s b 主机具有相对独立的电源管理系统，实现电源分配和电源管理 功能。所有本地供电的集线器在其下行端口上都实行电流控制，一旦出现过流 情况，必须向主机报告。主机发起过电流检测，并禁止所有受影响的端口。主 机的过电流恢复行为包括： 主机从所有过电流设计的集线器得到变化通知 主机取出适当的集线器或端口变化信息； 0 u s b 技术的嵌入式系统应用研究 主机等待过电流状态位被清零； 主机重新启动所有需要的端口； 主机重新枚举受影响的端口 2 自动、动态识别设备并加载 即插即用的实现首先得益于操作系统对设备即插即用功能的支持。系统可 以自动检测外设的变化和外部设备对系统资源的需求，并自动为设备分配这些 资源。对于用户而言，免去了设置跳线、d m a 、w q 以及i o 等繁琐手续。 ( 1 ) 操作系统对即插即用功能提供的支持包括： 对已安装硬件的自动和动态识别：包括系统初始安装时对即插即用硬件 的自动识别，两次系统启动之问即插即用硬件变动的识别，以及对运行 。 时发生的硬件事件的响应 硬件资源的分配( 和再分配) ：即插即用设备的驱动程序自己不能实现 资源的分配，只有在操作系统识别出该设备之后才分配对应的资源即 插即用管理器能够接收到即插即用设备发出的资源请求，然后根据请求 分配相应的硬件资源，如i o 端口中断号、d m a 以及内存等 加载相应的驱动程序：当系统中加入新设备时，即插印用管理器能够判 断出相应的设备驱动程序并实现驱动程序的自动加载 驱动程序与即插印用系统的交互接口：接口主要包括i o 例程，即插印 用的i o 请求包( i r p ) ，所请求的驱动程序入1 2 指针，以及注册表中的 信息 与电源管理的交互：即插即用与电源管理的一个共同的关键特性是事件 的动态处理，包括设备的插入和拔出，唤醒或进入睡眠状态即插即用 和电源管理使用的都是基于w d m 的函数来响应动态事件的发生 u s b 主控制器对设备的插入和拔出也制定了相应的识别、枚举和管理机制。 根据设备插入阶段总线电平的变化状态，集线器能够识别该设备是高速、全速 还是低速设备，并向主机报告。 ( 2 ) 设备速度的识别机制如下： 对于全速和低速设备，通过电缆下行端的上拉电阻的位置来区分。全速设 备的上拉电阻在d + 线上，低速设备的上拉电阻在d