（控制理论与控制工程专业论文）基于usb主机的usbrs232接口转换器的设计与实现.pdf

硕士论文 基于u s b 主机的u s b r s 2 3 2 接口转换器的设计与实现 摘要 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 从诞生至今已经十多年了。这 十多年问，u s b 在不断完善，并走向成熟。其成本低、速度快、通用性强、可 热拔插等诸多优点，得到了诸多厂商的认可。随着u s b 应用领域的扩大，如何 将u s b 应用在工业领域，实现u s b 到标准工业接口( 如r s 2 3 2 ) 之间的双向数 据通信，成为新的研究课题。u s b 系统包括u s b 主机、u s b 设备和u s b 互联 三部分，其中u s b 主机是核心，要想实现u s b 接口到标准工业接口的双向数据 通信就离不开u s b 主机。因此u s b 主机的开发是本课题研究的关键。 本文研究的目的就是实现u s b 主机功能，使u s b 设备和r s 2 3 2 设备通过本 系统能够通信；同时本系统也能够实现u s b 设备功能，将r s 2 3 2 接口设备能够 映射成为u s b 接口设备。 本文以s s t 公司的8 位处理器8 9 e 5 8 r d a 为核心处理器，沁恒电子有限公 司的c h 3 7 5 b 作为u s b 主从控制芯片，构建了主动从动u s b 通信模块。通过 对u s b 协议的认真研究，深入剖析了u s b 的系统体系、数据通信模型、数据包 格式、u s b 标准描述符。并且对u s b 大容量存储设备( m a s ss t o r a g e ) 类规范进行 了仔细的分析，建立了u s b 与m a s ss t o r a g e 类设备之间的逻辑通信模型；实现 了u s b 接口到r s 2 3 2 接口的双向数据通信。硬件上完成了各模块的原理图和 p c b 设计；在软件上，完成了系统核心驱动程序、u s b 主机的通信驱动程序以 及设备驱动的设计。并且按照论文中的设计方法制作出了实验板。多次实验证明， 本系统运行稳定，能够实现预期目标。 本系统硬件设计方案具有成本低、功耗小、u 盘识别率高等特点。 关键词：u s b 主机，m a s ss t o r a g e 类，s s t 8 9 e 5 8 r d a ，c h 3 7 5 b ，r s 2 3 2 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，a su s b ) f r o mb i r t hh a sb e e n10y e a r s i t sl o wc o s t ，h i g hs p e e d ，h i g hu n i v e r s a l i t y , h o t p l u g g a b l e ，a n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s ， h a v e b e e na p p r o v e db ym a n ym a n u f a c t u r e r s w i t ht h ee x p a n s i o no fu s b a p p l i c a t i o n s ， h o wt ou s eu s bi nt h ei n d u s t r i a lf i e l d ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nu s b i n t e r f a c et os t a n d a r di n d u s t r yi n t e r f a c e ( s u c ha sr s 2 3 2 ) ，i t san e ws t u d y u s bs y s t e m ， i n c l u d i n gu s bh o s t ，u s bd e v i c e sa n du s bc o n n e c t i o n ，a n du s b h o s ti st h ec o r e i n o r d e rt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nu s bi n t e r f a c ea n ds t a n d a r di n d u s t r y i n t e r f a c e , t h em o s ti m p o r t a n ti st h eu s b h o s t t h e r e f o r eu s bh o s ti st h ek e yi nt h i s p a p e r s t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e a l i z eu s bh o s tf u n c t i o n s ，a l l o w i n gu s bd e v i c e s a n dr s 2 3 2d e v i c e sc a nc o m m u n i c a t et h r o u g ht h i ss y s t e m a tt h es a l n et i m e ，t h i s s y s t e mc a n r e a l i z eu s bd e v i c ef u n c t i o n s t h ec o r ep r o c e s s o ri ss s t 8 9 e 58 r d a , a n dt h eu s bm a s t e r s l a v ec o n t r o lc h i pi s c h 3 7 5 bw h i c hw a sp r o d u c e db yq i n h e n ge l e c t r o n i c sc o ，l t d t h e yc o n s t r u c tt h e a c t i v e p a s s i v eu s b c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ic a r e f u l l ys t u d i e dt h es y s t e mo fu s b ，t h e u s bp r o t o c o l ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o n sm o d e l ，t h ep a c k e tf o r m a t ，u s bs t a n d a r d d e s c r i p t o r s ，e t c e s p e c i a l l ya n a l y z e u s bm a s s - s t o r a g e c l a s s ，a n d t h e l o g i c c o m m u n i c a t i o nm o d e lb e t w e e nu s bm a s ss t o r a g ed e v i c e s a c h i e v et h et w o w a yd a t a c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nu s bt or s 2 3 2d e v i c e s i nh a r d w a r e ，t h ed e s i g no f s c h e m a t i ca n dp c bh a sb e e nc o m p l e t e d i ns o f t w a r e ，c o m p l e t et h ec o r ed r i v e r so ft h e s y s t e m ，u s bh o s to fc o m m u n i c a t i o nd r i v e r sa n du s e rs o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e d e s i g n ，im a k e as a m p l e e x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h es y s t e mi ss t a b i l i t y t h es y s t e mi sl o w - c o s t ，s m a l lp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n df l a s hs t o r a g er e c o g n i t i o n r a t ew a sh i g h k e yw o r d s ：u s bh o s f f s l a v e ，m a s ss t o r a g e ，s s t 8 9 e 5 8 r d a ，c h 3 7 5 b ，r s 2 3 2 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注矛暾谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：j 焕矽砖年7 胄1 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研完生签名：当氐杰，7 声分年7 月日 硕士论文 基于u s b 主机的u s b r s 2 3 2 接口转换器的设计与实现 1 绪论 1 1 课题背景及意义 u s b ( 通用串行总线) 自问世到协议规范2 0 版本，u s b 在不断自我完善，并走向 成熟。从普通计算机用户，计算机工程师，到硬件芯片生产厂商，都已经完全认可了 u s b 。厂商对于u s b 的硬件和软件支持的也越来越完备，现在开发一个u s b 外设产品， 所需要投入的成本和时间大大降低了。但是，这些产品都需要p c 的参与。在u s b 的 拓扑结构中居于核心地位的是u s b 主机，任何一次u s b 数据的通信都必须由主机来发 起和控制，所有的u s b 设备都只能和主机建立连接。目前，我们日常使用的u s b 产品， 如u 盘、u s b 摄像头等，都是u s b 设备；绝大多数u s b 主机功能都集成在各种类型 的p c 机上，比如台式机，笔记本电脑，服务器等。 随着u s b 应用领域的逐渐扩大，人们对于u s b 的期望也越来越高，希望u s b 能 应用在各种计算机领域中，尤其是在工业场合中工业接口和u s b 接口数据通信的实现。 常用的工业接口，如r s 2 3 2 ，这些接口都是上个世纪七、八十年代设计的。随着u s b 设备的普及，如何方便的实现r s 2 3 2 接口到u s b 接口的转换，实现u s b 到r s 2 3 2 的 双向数据通信，就成为当前急需解决的问题。 要解决上述问题，首先就需要解决u s b 主机，因为u s b 主机是u s b 系统的核心。 在工业场合中，考虑到易用性和成本因素，不可能为每个r s 2 3 2 接口配置一台电脑实 现r s 2 3 2 到u s b 的转换。这种情况下，u s b 只能应用在没有p c 的领域中，这也正是 目前u s b 的一个弱点。解决这一根本问题的办法就是在嵌入式系统中集成u s b 主机功 能，使之能够和u s b 设备通信；同时系统还要有r s 2 3 2 模块，使系统成为连接u s b 和 r s 2 3 2 的桥梁。 1 2u s b 技术的产生和发展 当今p c 上使用的绝大多数设备都是基于接口实现的。在u s b 出现之前，p c 上的接 口基本上是2 0 世纪七、八十年代设计的。随着计算机技术的迅猛发展，这些接口已经不 能满足p c 与外设之间不断提高的传输速度、稳定型和易用性。这一现象，已经大大限 制了计算机技术的发展，成为计算机功能扩展的桎梏。 为了解决旧接口的缺陷，1 9 9 4 年，i n t e l ，c o m p a q 等七家软硬件全球知名企业为了 突破当时p c 使用串口和并口传输速度的限制，成立了通用串行总线开发者论坛( u s b i m p l e m e n t e r sf o r u m ，u s bi f ) ，并在1 9 9 4 年1 1 月提出了u s b0 7 版，到了1 9 9 8 年开始 出现了支持u s b1 1 的设备，他的高速性( u s b l 1 支持1 5m b s 和1 2m b s 两种速度) 。 1 绪论 硕士论文 和易用性迅速使之成为p c 外设的宠儿u 1 。为了对抗1 3 9 4 速度的优势( 1 3 9 4 可以达到 4 0 0m b s ) ，1 9 9 9 年提出了u s b2 0 规范的思想，2 0 0 0 年4 月u s bi f 推出u s b2 0 。 u s b2 0 向下兼容1 1 ，提供3 种速度，最高可以达到4 8 0m b s 。为了增强u s b 的可 移动性，又于2 0 0 1 年1 2 月发布了u s bo n - t h e g o1 0 版本协议作为u s b 2 0 协议的补 充u s bo t g 协议基本符合u s b 2 0 的规范，所不同的是u s bp t g 完全抛开了p c ，既 可以作为h o s t ，也可以作为s l a v e ，而与另一个o t g 设备直接实现点对点通信t 2 - 4 1 。 目前无线u s b ( w u s b ) i 0 版本已经发布这个技术以多频段o f d m ( j e 交频分复用) 技术为基础，融合了w i m e d i a 联盟确定的通用超宽带无线电平台技术。目前这项技术 还处于早期的定义阶段，并不完善。但是其速度非常惊人，其标准速度可以达到 2 0 0 0 m b p s ，是目前u s b 2 0 极限速度的近5 倍。 1 3u s b 的特点和优点 u s b 技术能够得到众多厂家的支持和青睐，是和其本身的优点【5 】分不开的。 1 、即插即用( p 1 1 p ) 。u s b 支持热拔插和操作系统自动配置。 2 、低功耗。u s b 有一套独特的电气机制来保证其低功耗。此外u s b 总线如果连续3 m s 没有活动u s b 就会进入自动挂起状态，处于挂起状态的设备消耗的电流不超过5 0 0 以。 3 、多种速度模式可供选择。u s b 提供了3 种速度模式。低速为1 5 m b p s ，全速为1 2 m b p s ， 高速为4 8 0 m b p s 。满足了不同速度的外设需求。 4 、硬件结构简单而且标准化。u s b 协议定义了2 种插头：a 型和b 型。不论a 型还是 b 型，其引线只有4 根：2 根数据线，一根电源线，一根地线。 5 、总线拓扑结构完备。u s b 星型总线结构最多可支持1 2 7 个设备。 6 、支持的设备种类多。u s b 支持多达8 个设备类。 1 4 国内外的研究现状 u s b 主机的应用在国内外均处于积极研究和发展的阶段。现今已有为数不少的半 导体公司提供主动接口芯片，如c y p r e s s 、p h i l i p s 、t i 、n s 等，市场上也逐步出现具有 部分功能的嵌入式主机产品。将主动接口应用于消费类产品，如数码相机直接连接打印 机国外己经有所发展。大多数厂家和论坛所能提供的产品或例程多数是基于嵌入式操作 系统的，给出的器件类也不尽完善。在国内，主动接口的研究仍然处于起步阶段，仅有 很少量嵌入式主机的产品问世。目前已经有人研究了用s l 8 1 1 h s 和i s p l l 6 1 实现的系 统，但是他们的研究都存在着识别率不高和系统不稳定的情况。 对于从动接口的开发，国内外的研究起步都很早，现在技术发展的也比较成熟。在 工业数据传输场合，有的采用带u s b 接口的单片机进行开发，还有的采用微处理器外 2 硕士论文基于u s b 主机的u s b r s 2 3 2 接口转换器的设计与实现 加u s b 接口芯片的方法。带u s b 接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是专用 于控制的单片机，比如c y p r e s s 公司的低、全速系列产品，但由于价格、开发工具以及 单片机性能有限等问题，所以一般不选用。另一种增加了u s b 接口的普通单片机，例 如i n t e l 公司的8 x 9 31 等，选择这类u s b 控制器的好处在于开发者对系统结构和指令 集非常熟悉，开发工具简单，但对于简单系统，价格高是最大的障碍。总体来说，后者 的价格是前者价格的近1 0 倍1 6 j 。 1 5 论文的主要研究内容 本课题主要完成的是u s b 主机的设计，实现u s b 主机和设备功能；其次是设计串 口模块，实现u s b 到r s 2 3 2 的双向数据通信。 预期实现目标：1 、具有独立的u s b 主机功能，实现u s b 和r s 2 3 2 之间的数据通 信。包括构建u s b 协议，实现m a s ss t o r a g e 类协议及子命令，构成u s bh o s t 。从而完 成u 盘状态检测，读、写和删除文件等简单的文件操作。2 、具有u s b 设备功能，即 有其他u s b 主机( 如p c ) 参与下的r s 2 3 2 到u s b 的接口转换，实现u s b 和r s 2 3 2 之间的数据通信。 论文主要结构： 第一章介绍本课题的背景、意义，以及u s b 接口的国内外研究状况和预期目标。 第二章主要介绍了与本课题相关的协议的内容。主要介绍了u s b 通信模型、传输类型 以及m a s ss t o r a g e 类相关的内容。 第三章分析了系统的需要，介绍了系统的总体设计方案。 第四章介绍了系统硬件电路设计。 第五章介绍了系统的软件设计。 第六章是本文的结论和展望。 2 协议概述 硕士论文 2 协议概述 u s b 是一种串行总线，它通过查询方式识别挂在总线上的设备。u s b 总线上只有 一个主机，每一次数据传输都是由主机发起的，并且在总线上的各种外设共享u s b 总 线带宽。u s b 协议是一个非常庞大而复杂的协议集，已经有很多的专业书籍介绍。下 面就本课题涉及的相关方面做简要介绍。 2 1u s b 体系构架 2 1 1u s b 系统硬件结构 u s b 系统模型的组成是以u s b 主机为核心，以外围的u s b 设备为功能。在u s b 系统中还有一个重要的部件u s b 集线器( 刖b ) ，它提供了u s b 的连接端口。综合来 说u s b 是由u s b 主机、u s bh u b 、和u s b 设备3 部分组成的星形拓扑结构。在星形 拓扑结构中，最顶端是u s b 主机，每个网络集线器是星形的中心，设备和设备必须通 过h u b 相连。如图2 1 所示，这种星形拓扑结构最多可达5 层( 不包括根h u b ) 7 1 。 图2 1u s b 系统模型拓扑图 2 1 2u s b 系统软件构成 u s b 系统的软件主要包括客户软件和u s b 系统软件【引。 1 、客户软件 4 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 第六层 硕士论文基于u s b 主机的u s b - r s 2 3 2 接口转换器的设计与实现 u s b 客户软件负责和u s b 设备的功能单元进行通信，实现其特定功能。客户软件 不能直接访问u s b 设备，其与功能单元间的通信必须经过u s b 系统软件和u s b 总线 接口( 硬件) 才能实现，一般包括u s b 设备驱动程序和界面应用程序两部分。 ( 1 ) u s b 设备驱动程序 u s b 设备驱动程序负责和系统软件进行接口。通常，它向u s b 总线驱动程序发出 i o 请求包( i i 冲) 以启动一次u s b 数据传输，这次传输可以是接受数据也可以是发送数 据。此外，根据数据传输的方向，它还应该提供一个或空或满的内存缓冲区以存储这些 数据。 ( 2 ) 界面应用程序 界面应用程序负责和u s b 设备驱动程序进行接口，以操作u s b 设备，并向用户提 供可视化的软件。他是最上层的软件，只能看到向u s b 设备发送的原始数据和从u s b 设备接受的最终数据。 2 、u s b 系统软件 u s b 系统软件负责和u s b 逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动和数据传 输。他一般包括u s b 总线驱动程序和u s b 主控器驱动程序两部分。在u s b l 1 时代， 这些一般由操作系统提供，在本课题中，这些都需要自己动手编写。 ( 1 ) u s b 总线驱动程序m s b d ) 在u s b 设备使用之前，必须对其进行初始化操作，如为其分配所需资源、设置其 u s b 参数等。在该过程中，u s b 总线驱动程序会检测u s b 设备的特性，并建立与其的 通信管道。另外u s b 总线驱动程序理解u s b 通信机制，并知道如何和u s b 设备进行 数据传输。当u s b d 接受到u s b 设备驱动程序发来的i r p s 时，会把这些i o 请求中的 数据重新进行组织，是他们具有s u b 特定格式事务处理。如图2 2 所示。 图2 2 i r p 中的事务处理 ( 2 ) u s b 主控器驱动程序( h c d ) u s b 主控器的存在，使得客户软件在进行数据传输时不必知道u s b 主控器硬件的 具体实现细节。h c d 负责把u s b 总线驱动程序建立的事务处理安排在u s b 总线上， 方法是建立一系列的事务处理列表。事务处理列表以帧或小帧为单位，其中包括一个或 多个事务处理，它们可以和一个或多个u s b 设备进行通信。 2 协议概述硕士论文 2 2u s b 的机械和电气特性 2 2 1u s b 的接口 u s b 2 0 以前的接插件主要分为2 种：a 型和b 型。a 型插座总是作为u s b 主机或 者集线器的下行端口。所以a 型插头总是指向上行u s b 主机。b 型插座总是作为u s b 设备和集线器的上行端口，所以b 型插头总是指向下行u s b 设备或者集线器。 u s b 电缆使用的是4 线结构，电源线为v b u s 和g n d ，d + 和d 是2 根差模信号线， 如图2 3 所示。此外，在全速模式下( 1 2 m b p s ) 电缆最长为5 m ，并且要使用带屏蔽和双 绞的电缆线；在低速模式下( 1 5 m b p s ) 电缆最长为3 m ，不需要带双绞和屏蔽。 v b 懈 d + d g n d 图2 3u s b 电缆模型图 2 2 2u s b 的电气特性 1 、u s b 的供电模式 不论u s b 设备还是u s bh u b 都只能采取2 种供电模式：自供电( s e l f - p o w e r e d ) 和总线供电( b u s p o w e r e d ) 。自供电指该u s b 设备或者h u b 在工作的时候由自带的电源 模块供电。因此该设备工作时，其功率不会受u s b 协议的限制，但是增加了体积和成 本。总线供电指该设备或者h u b 在工作时从u s b 总线的v b u s 引脚获取所需要的电流。 这样做，其设备会更加小巧和方便；但是因为u s b 协议规定了总线的供电能力，所以 此模式只适合于耗电量较小的设备。一般来说，h u b 可以通过v b u s 获得最高5 0 0 m a 的 电流，为下行端口最高提供1 0 0 m a 的电流；低功率设备最高只能从上线端口获得1 0 0 m a 的电流；大功率设备最高只能从上线端口获得5 0 0 m a 的电流。 2 、即插即用 即插即用技术包含2 个方面：热拔插和自动识别。热拔插的关键技术再于接插件接 和插的时候的强电流的处理，u s b 的电缆及接插件已经充分考虑了这点，使得u s b 实 现了热拔插。 系统的自动识别就是即插即用的另一项关键技术。在没有人干预的情况下，系统能 够自动检测到设备的接入并能自动配置该设备，也能自动检测到设备的拔出并且释放资 源。u s b 是通过在信号线上的特殊处理来实现的。在u s b 的4 线电缆中d + 和d 是一 6 硕士论文 基于u s b 主机的u s b r s 2 3 2 接口转换器的设计与实现 对差模信号线，线上使用的是+ 3 3 v 电平，而v b u s 使用的是+ 5 v 电平。图2 3 是u s b 主机 和设备的电气连接图【9 j 。 1 5 x 1 5 k 图2 3u s b 主机和设备的电气连接图 如图2 2 2 所示，在低速和全速设备的识别上是采用在d + 或d 上增加上拉电阻的 方法来识别的。其电阻的安排情况如下： 。 ( 1 ) 低速u s b 设备的d 线上连接有1 5 k q ( 1 士5 ) 的电阻，并接到+ 3 o v + 3 6 v ( v e t ) 的电压。 ( 2 ) 全速u s b 设备的d + 线上连接有1 5 艘( 1 士5 ) 的电阻，并接到+ 3 o v + 3 6 v ( v c c ) 的电压。 ( 3 ) 主机的下行端口的d + 和d 线上都连接有1 5 k 1 2 ( 1 4 - 5 ) 的电阻，并且接地。 当主机的下行端口上没有u s b 设备连接时，其d + 和d 一线上的下拉电阻使得这两 条信号线的电压都是接近为地( o v ) 的；当低速或全速设备连接上以后，设备端的d 或d + 线上会出现大小为( 1 5 ( 1 5 + 1 5 ) v e e ) 的电压，而主机端d + 和d 线上仍保持近地电 压( 0 v ) 。如果这种状态保持2 5 1 x s 以上，u s b 就会认为低速或者全速设备已经连接。 另外，高速设备在连接起始时需要以全速速率与主机通信，以完成其配置操作，此 时的设备电缆和电阻的连接方式和图2 2 2 中的全速方式基本一样，只是在设备端d + 和电阻之间有一个软件控制的开关。当设备需要以全速速率运行时，软开关闭合，这样 就符合了全速的连接要求；当需要以高速速率运行时，在全速连接状态的基础上，断开 开关就可以了。通常这个开关都被集成在u s b 设备接口芯片的内部。 2 3u s b 数据通信结构 7 2 协议概述硕士论文 数据通信内容是u s b 协议中最复杂的部分，本节将详细研究这部分内容。u s b 是 以差模串行信号为载体传送二进制代码来传输信号的，而u s b 的事务处理是主机和 u s b 设备之间数据传输的基本单位，由一系列具有特定格式的信息包组成。根据信息 包的种类，可以将一个事务处理分为三个阶段：令牌阶段、数据阶段和握手阶段，如图 2 4 所示。各个阶段功能如下： 1 、令牌阶段：表示事务处理的开始，并定义传输类型。 2 、数据阶段：负责传输相关的数据，长度最大为1 0 2 4 字节。 3 、握手阶段：用于报告事务处理的状态，以表明数据接收是否成功。 并不是所有的事务处理都必须有这三个阶段，在某些具体情况下( 如数据传输失 败) ，事务处理也可能不包含数据包和握手包，但无论如何，所有的事务处理都必须以 令牌包开始。 主机主机设备设各主机 令牌阶段数据阶段握手阶段 图2 4 事务处理的三个阶段 2 3 1 字段的格式 信息包是u s b 总线上数据传输的最小单位，包含了进行u s b 通信所需的全部信息。 它由一系列字段组成：同步字段、包标识字段、地址字段、端点字段、帧号字段、数据 字段和循环冗余检验( c r c ) 字段。数据在u s b 总线上世纪传输时，首先是数据的最 低有效位( l s b ) ，最后是最高有效位( m s b ) 。 1 、同步字段 同步字段( s y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e 简写为s y n c ) 也称同步序列 域。在u s b 系统中，主机和设备不是共享一个时钟的，所有的信息包都必须以一个同 步字符开始以保证主机和设备的同步。 对于低速全速传输，同步字段长度为8 位，数据原型为7 个连续的“o ”和1 个“1 ”， 经n r z i 编码后，以“k j i c i k k k ”的形式出现在总线上。高速传输同步字段的长度为3 2 位，数据原型为3 1 个连续的“0 ”和1 个“l ”，经n r z i 编码后，以 “k j k 瓜j k j k j k j k k ( 1 5 个对个2 个k k ) 的形式出现在总 线上。u s b 集线器中继某个信息包时，最多可丢失同步字段的前4 位，且不能破坏同 步字段中的其他数据位。也就是说同步字段在经过5 个集线器的中继后，可能只剩下 1 2 位。 硕士论文基于u s b 主机的u s b - r s 2 3 2 接1 2 1 转换器的设计与实现 2 、包标识字段包标识字段( p a c k e ti d e n t i f i e rf i e l d 简写为p i d ) ，也称为包标识 域。在u s b 信息包中，包标识字段紧跟在同步字段之后，并指明该信息包的类型、格 式和所采用的差错控制机制。它由4 位类型字段和4 位校验字段组成。其中校验字段是 类型字段的二进制补码，用于保证p i d 字段译码的可靠性，使信息包的其余部分都能被 正确接收。按p i d 字段的功能可分为4 类：令牌( 1 0 b ) 、数据( 1 l b ) 、握手( 0 1 b ) 、和 专用( 0 0 b ) ，并有其字段的前2 位( p d ) 来指明。 主机和u s b 设备都要对接收到的p i e ) 字段进行正确的译码。如果校验字段有错误 或者得到为定义的值，则认为该p i d 字段己被破坏，且应忽略信息包的其余部分。如果 u s b 设备接收到一个其不支持的p i d 字段，则不予应答，例如i n 端点会忽略所有的 o u t 令牌。 3 、地址字段地址字段( a d d r e s sf i e l d 简写为a d d r ) ，也称地址域。地址字段用 于指定u s b 系统中的一个u s b 设备，具有唯一性，并且由主机分配地址。其格式包含 6 个数据位，最多可指定1 2 8 个设备，其中地址0 只能用作缺省地址，不能分配给u s b 设备。至于u s b 设备是数据的发送方还是接收方则取决于p i d 字段的值。 在i n 、o u t 、s e t u p 、s p l i t 和p i n g 令牌包中都必须含有该地址字段，以指明 与其通信的u s b 设备。如果指定的设备不存在，则该令牌包将被忽略。在u s b 设备上 电和复位时，其将使用缺省地址0 来与主机通信。每个设备会由主机给其分配一个唯一 的设备地址。 4 、端点字符端点字符( e n d p o i n tf i e l d 简写为e n d p ) ，也称为端点域。其用于 指定u s b 设备中的一个端点。高速全速设备最多可含有1 6 个端点，低速设备最多只 能含有3 个端点。所有的u s b 设备都必须含有一个0 号控制端点，一完成与主机间的 配置通信，除了0 号端点外，其余的端点都是具体u s b 设备所特有的。 在i n 、o u t 、s e t u p 、s p l i t 和p i n g 令牌包中都必须是以该端点字段，以指明 与其进行数据传输的u s b 设备端点。如果指定的端点不存在，则该令牌包被忽略；另 外，在端点初始化之前就访问该段的令牌包也将被忽略。 5 、帧号字段帧号字段( f r a m ef i e l d 简写为f r a m ) ，也称为帧号域。u s b 协议 中，1 帧就是l m s 。在u s b 总线上1 帧是一个独立的单元，包含了一系列总线动作。帧 字段用于指出当前的帧号，每一个帧都有特定的帧号，它仅在每帧d , 帧开始的s o f 令 牌包中被发送。它的长度为1 1 位，每传1 帧，主机就将其内容加1 ，当达到最大值7 f f h 时归零。 毪6 、数据字段数据字段( d a t af i e l d 简写为d a t a ) ，也称为数据域。数据字段包 含主机和u s b 设备间需要传输的数据，其以字节为单位，最大长度为1 0 2 4 字节。在不 同的传输类型中，数据字段的长度各不相同，但是必须为整数个字节，每个字节都是最 9 2 协议概述硕士论文 低有效位( l s b ) 被传输。 7 、循环冗余检验字段循环冗余检验字段( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k s 简写为 c r c ) ，也称为循环冗余检验域。为保证数据传输的可靠性，u s b 在令牌包和数据包中 都使用了循环冗余检验，它可以百分之百识别出信息包中的一位或者两位错误。c r c 检 验失败标识在被保护的信息包中至少有一个字段出错，这时接收方将忽略该字段，但是 在大多数情况下是忽略整个信息包。 c r c 是在发送方进行填充位之前产生的，这要求接收方必须去掉填充位之后，再 对c r c 字段进行译码。另外，信息包中的p i d 本身就已经含有检验字段，所以不要对 其进行c r c 保护。循环冗余检验对于令牌包和数据包的校验是不一样的。对于令牌包 u s b 采用5 位的c r c 校验法，简写为c r c 5 ；而对于数据包，则采用1 6 为的c r c 校 验法，简写为c r c l 6 。 2 3 2 信息包的格式 信息包( p a c k e t ) 是u s b 总线上数据传输的最小单位。根据信息包所实现的功能， 其分为3 种类型：令牌包、数据包和握手包【l o 】。令牌包定义了数据传输的类型，数据包 中含有需要传输的数据，握手包指明了数据接收是否成功。信息包类型不同其所包含的 字段也不同，但是第一个字段都是同步字段，且它们在u s b 总线上传输的时候，都是 以s o p 信号( 包含在同步字段中) 开始、以e o p 的信号结束。 1 、令牌包 在u s b 系统中，只有主机才能发出令牌包。令牌包定义了数据传输的类型，它是 事务处理的第一个阶段。u s b 中包含7 种令牌包：i n 、o u t 、s e t u p 、s o f 、p r e 、s p l i t 和p i n g ，其中p r e 、s p l i t 和p i n g 术语专用令牌。 ( 1 ) i n 、o u t 、s e t u p 、和p i n g 令牌包 i n 、o u t 、s e t u p 、和p i n g 令牌包具有相同的格式，都以p i d 字段开始，而且都 包含a d d r 字段和e d n p 字段，并以c r c 5 字段结束。其中c r c 字段仅对a d d r 字 段和e d n p 字段进行循环冗余检验。 i n 令牌包的p i d 定义了u s b 设备至j 主机的数据传输，其a d d r 字段和e d n p 字 段指明了唯一要发送数据的端点。o u t 和s e t u p 令牌包的p i d 定义了主机到设备的数 据传输，其a d d r 字段和e d n p 字段指明了唯一要接收数据的端点。p i n g 令牌包的 p i d 定义了从u s b 设备到主机握手信号的传输，其a d d r 字段和e d n p 字段指明唯一 要发送握手包的端点。这几个令牌包的长度都是3 字节，如果它们没有在3 字节以后以 e o p 信号包终止，则接收方会认为该包无效，并忽略该包。 ( 2 ) s o f 令牌包 s o f 令牌包以p i d 字段、帧号字段和c r c 5 字段组成，长度为3 字节。其中c r c 1 0 硕士论文 基于u s b 主机的u s b r s 2 3 2 接口转换器的设计与实现 字段仅对1 1 位的帧号字段进行循环冗余检验。主机以1 0 0 m s _ - l 0 0 0 0 5 m s ( 全速) 或者 1 2 5 _ t s - a ：0 0 6 2 5 岬( 高速) 的稳定时间间隔发出s o f 令牌包，用来标识帧4 , 帧的开始， 它不需要接收方作出任何应答。 ( 3 ) s p l i t 令牌包 s p l i t 令牌包仅用于主机和高速集线器间的通信，且高速集线器下行端口上连接有 低速全速u s b 设备。他使得主机可以在高速事务中开始一个低速| 全速事务，而且不必 等待这些低速全速传输结束就可以继续处理其他高速事务。即s p l i t 事务能把低速全 速传输从高速传输中分离出来。他定义了两个令牌包：s s p l i t 和c s p l i t ，长度都是4 字节。 s s p l i t 令牌包用于主机启动一个s p l i t 事务处理，c s 令牌包用于主机结束一个 s p l i t 事务处理。他们的格式从l s b 到m s b 包括8 位的p i d 字段、7 位的h u b a d d r 、 1 位的s c 、1 位的p o r t 、1 位的s 和1 位的e ( c s p l i t 中该“e ”位变为u ”) 、2 位的e t 和5 位c r c 字段。h u ba d d r 指明需进行低速全速传输的高速集线器的设备地址。s c 用来表明s p l i t 令牌包是开始还是结束，对于开始s p l i t 令牌包( s s p l i t ) ，该字段必 须置“0 ”；对于结束s p l i t 令牌包( c s p l i t ) ，该字段必须置“1 ”。p o r t 指明低速广全速设 备连接在高速集线器上的端口号，最多可指定1 2 8 个端口号。s 代表传输速率，其值为 “o ”标识全速传输，为“1 ”标识低速传输，根据s 的不同e 也有相应的值，这里不再复述。 e t 字段指明了低速全速事务所对应端点的类型，它告诉集线器应使用那种s p l i t 事务 状态机制。 ( 4 ) p r e 令牌包 在低速和全速传输环境下，集线器通过禁止其低速端口的方法组织全速事务在低速 设备上运行。主机在开始低速事务之前必须发送一个p r e 令牌包( 也称前导包) ，表示 在其后将以低速传输一个信息包。这时相应的集线器会激活其低速端口，而其他u s b 设备会忽略该包。其只包含8 位p i d 字段，且无需c r c 检验。 2 、数据包 数据包由p i d 字段、数据字段和1 6 位c r c 字段组成。其中数据字段的长度可以为 0 或者多个字节，但是对于低速u s b 设备，最大长度为8 字节；对于全速设备，最大 长度为1 0 2 3 字节；对于告诉设备，最大长度为1 0 2 4 字节。这些字节都需要c r c l 6 的 保护。 根据p i d 的不同，数据包可分为4 种类型：d a t a 0 、d a t a l 、d a t a 2 和m d a t a 。 其中，d a t a 0 和d a t a l 支持数据触发机制：s p l i t 需要使用d a t a 0 、d a l 队1 和m d a t a ： 而告诉同步传输需要使用全部4 种类型的数据包。 3 、握手包 2 协议概述硕士论文 握手包仅包含8 位的p i d 字段，之后就是e o p 信号，无需使用c r c 。握手包用于 报告事务处理的状态，以表明数据接收、指定的端点被停止、不能响应命令等情况。只 有支持流量控制功能的事务处理才需要使用握手包，它一般在握手阶段被返回，有时也 可能在数据阶段代替数据被返回。如果握手包在p i d 后没有以e o p 信号终止，则接收 方会认为该包无效，将其忽略。 u s b 定义了5 种类型的握手包：a c k 、n a k 、s t a l l 、n y e t 和e r r ，其中e r r 术语专用握手。限于本文的研究内容只介绍部分握手包。 a c k 包表示接收的数据包在数据段没有位填充或c r c 错误，数据p i d 也被正确接收【3 】 4 】。a c k 握手包只在数据已经被发送并等待接收握手的处理操作中使 用。主机可以对玳处理返回a c k 握手，功能设备可对o u t 、s e t u p 处理返回a c k 握手。 n a k 包表示功能设备不能从主机接收数据，或者功能设备没有数据发送到主 机。功能设备只有在斟处理的数据阶段或者o u t 处理的握手阶段返回n a k 。主机 不会发送n a k 握手。n a k 用于实现流控制，它能指出功能设备展示不能发送或者接 收数据，但最终可以发送或者接收数据且无需主机干涉。 s t a l l 包说明功能设备不能发送或者接收数据，或不支持控制管道的请求。 它在功能设备响应i n 令牌或者o u t 令牌的数据阶段后返回。s t a l l 和n a k 一样都 只能由设备来发送。 n a k 是u s b 的一种暂时状态，当设备处于“忙”的工作状态时，就会发送n a k 。 而s t a l l 与n a k 不同，s t a l l 所表示的出传输失败意义更加严重。当控制传输中出 现s t a l l 后，主机就会丢弃所有发给设备的控制命令，而且要重新进行控制传输后才 能停止s t a l l 状态。 4 、事务处理 事务处理是【l l 】u s b 总线上数据传输的基本单位，主机与u s b 设备之间的一次通 信可能要用到1 个或者多个事务。事务处理由3 个阶段组成：令牌阶段、数据阶段和握 手阶段。事务又分为i n 事务、o u t 事务、s e t u p 事务、p i n g 事务、s o f 事务、 s p l i t 事务和p r e 事务。针对本课题，选取最为重要的i n 、o u t 、s e t u p 、s o f 等 4 个事务来介绍 ( 1 ) i n 事务用于完成u s b 设备到主机的数据传输。正常情况下，u s b 设备将向主 机发出数据包。u s b 设备不能成功地响应主机发出的玳令牌包时，u s b 设备的响应有： 当收到的i n 令牌包已损坏，则u s b 设备