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基于e z _ o s bf x 的d s p 数据采集系统的研究 摘要 传统的数据采集系统采用一般的单片机，对绝大多数场合来说已经满足要 求，但因单片机数学运算能力差，对于信号数学处理比较复杂的通讯领域和复 杂控制领域来说，就显的力不从心。另外，在和上位枫之间的数据传输上，配 置扩展接口插卡难度大，操作不方便，接口插卡质量直拱影响系统的稳定性和 可靠性，而且受到p c 内部强的射频干扰。 专门用于复杂数学算法处理和复杂控制领域的d s p 芯片具有较快的系统速 度和较强的数学运算能力，比一般的单片机具有很强的数学运算能力。同时， 最近兴起的u s b 技术，简化了扩展接口的操作，安装简便，数据传输速度较快。 因此，为了解决采集系统运算芯片数学运算能力差，扩展接口插卡配置复 杂的缺点，本文给出了一种结合d s p 和u s b 优点的数据采集系统的实现方案。 硬件系统以d s p 为核心处理器，通过a d 转换，将采集的数掘传送给d s p 进行数 学处理，并将处理后的数据经过u s b 接口传送到上位机。文章中详细介绍了数 据采集系统的各个部分的实现，并给出了部分数据处理的流程图和软件算法。 在文章最后。讨论了进一步提高数据采集系统的快速性。 关键词：数据采集d s pu s b r e s e a r c ho ft h ed s pd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m b a s e do ne z u s bf x a b s t r a e t t r a d i t i o n a ld a t ac o l l e c t i n gs y s t e mu s e sn o r m a ls i n g l ec h i p ，w h i c hi se n o u g h f o rm a n yc i r c u m s t a n c e s b u t d u et on o m _ l a ls i n g l ec h i p sp o o rm a t h e m a t i c a l o p e r a t i o na b i l i t y , i ti sf a i n tt ob eu s e dj nc o m p l e xc o n t r o lf i e l d sa n dc o m p l e x m a t h e m a t i c a lo p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nf i e l d s a l s o ，w h e nt r a n s f e r r i n gd a t ab e t w e e n u p p e rc o m p u t e r , i ti sd i f f i c u l tt oc o n f i g u r ee x t e n d e di n t e r f a c e a n dm o r e i ti so r e n i n t e r f e r e db yt h eh i g hi n t e r n a lp c sr a d i of r e q u e n c y t h ed s pc h i p w h i e hi ss p e c i a lf o rc o m p l e xm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o na n d c o l l r o lf i e l d s ，h a sr a p i do p e r a t i o ns p e e da n dh i g h e rm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o na b i l i t y t h er e c e n t l yr i s i n gu s bt e c h n o l o g y , s i m p l i f i e st h eo p e r a t i o no fi n t e r f a c e ，a n da l s o h a sh i g h e rd a t at r a n s f e r r i n gs p e e d s o i no r d e rt os o l v et h ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e m sp o o ra b i l i t yt od e a lw i t h m a t h e m a t i c a lo p e r a t i o n ，a n dt h ed i s a d v a n t a g eo fc o n f i g u r i n gi n t e r f a c e ，t h i sp a p e r i r i v e s t i g a t e sam e t h o do fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e mb a s e do nd s pa n de zu s bf x s i n g l ec h i p t h eh a r d w a r es y s t e mp i e k sd s p a st h ec o r ep r o c e s s o r t h r o u g ha d c o n v e r s i o n ，t h ec o l l e c t e dd a t aa r ep a s s e dt ot h ed s pf o rf u r t h e rm a t h e m a t i c t r a n s a c t i o n t h e n t h et r a n s a c t e dd a t aa r ed i r e c t e dt oh o s tc o m p u t e rv i au s bi n t e r f a c e i td e s c r i b e si nd e t a i lt h ei m p l e m e n to fe a c hp a r to ft h ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ，a n d a l s op r e s e n t st h ef l o wc h a r t sa n ds o l , w a r ea l g o r i t h mo f 也ed a t at r a n s a c t i o n a l s o 、a d i s c u s s i o no nt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h es p e e do ft h ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e mi s p r e s e n ti nt h ee n d k e y w o r d s ：d a t ac o l l e c t i n g ，d s p , u s b 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒照王些太堂或其他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。 签字日期：易c ，b 侮和罗目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 井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。本人授权金 魍王些盍堂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 签字日中 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 2叩 矽 ，p 次 签昔怍文论匣学 致谢 本人在从事课题研究及撰写论文过程中，得到导师陈梅副教授的精心指导， 在此表示深深的感谢。同时感谢李卫、高亚玲、郭福权等几位同学，感谢他们 在我做课题和论文期间给我的支持和帮助。 作者：姚学军 2 0 0 4 年3 月2 0 日 第一章概述 1 1 数字采集系统的发展现状 以前的控制器一般采用单片机，而单片机已从4 位、8 位、1 6 位在向3 2 位 发展，对大多数场合来说已经能满足要求了。单片机有着价格低廉、结构简单、 接口扩展能力强等诸多优点，但有个很明显的缺点就是数学运算能力差，它可 以应用在一些对采样信号数学处理较为简单的领域，而一些要求对信号的数学 处理比较复杂的如通讯领域和复杂控制领域来说，就显得力不从心了。 另外，在和上位机之间的数据传输问题上，以前的数据采集卡一般通过系 统总线如p c i 、i s a 、e i s a 等和上位机系统插槽上的各扩充板卡相连，但由于 p c 接口资源有限且需要对接口卡的硬件资源( i o 地址、内存、中断、d m a ) 进 行合理的配置，因此扩展难度较大。 为了解决功能扩展接口插卡最头疼的配置问题，9 0 年代推出了即插即用接 口卡标准( p c i 和i s ap n p ) ，由即插即用基本输入输出系统和即插即用操作系 统完成对接口卡资源的自动配置，以使功能扩展接口卡的使用变得相对简单方 便，但功能扩展接口卡仍存在以下问题：第一、接口卡的配置必须停机，并需 打开p c 机箱进行安装和拆卸，这个过程仍需要一定层次的技术支持；第二、接 口卡设备驱动程序的安装、调试甚至正常运行的过程仍需要各种技术支持，特 别是接口插卡作为一种硬件设备插入p c 后，总要占用p c 的各种硬件资源，即 插即用算法虽能解决绝大多数的资源配置，但不能保证1 0 0 的解决，因此，其 安装和配罱过程仍需要人工干预。而当扩展卡较多时，常会出现一块或多块插 忙因无法合理配置而不能正常工作的情况，“重时可导致系统崩溃：第三、接 口插卡的质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性直接影响计 算机的寿命和系统的稳定性和可靠性：第四、对象笔汜本之类的小体积p c 很难 用接口插卡进行扩展：第五、p c 插槽中的各种接口卡受到p c 内部强的射频二f 扰，使其性能受到很大的影响。 由于一般的数据采集系统存在上面诸多问题，因此采用d s p 作为控制器， 以及采用u s b 作为和上位机传输数据的接口，是数据采集处理系统发展的一种 可能趋势。 1 2d s p 的发展现状与应用领域 1 2 1d s p 的发展现状 世界上第一颗d s p 芯片是美国德州仪器( t i ) 公司于1 9 8 2 年推出的第一代 产品：t m s 3 2 0 1 0 。经过十几年的发展，d s p 器件在高速度、可编程、小型化、 低功耗等方面都有了长足的发展，单片d s p 芯片最快每秒可完成1 6 亿次的运算， 生产d s p 器件的公司也不断壮大。由于各d s p 厂家的竞争及生产工艺的不断提 高，使得d s p 器件的价格不断下降，且性能不断提高。d s p 器件应用面从起初 的局限于军工、航空航天等领域，扩展到今天的诸多电子行业及消费类电子产 品中。 i 2 2d s p 的应用领域 d s p 特性的体系结构使它的应用越来越广： 经典算法：f f t 、f i r i i r 、相关等； 现代算法：a r 、a r m a 、卡尔曼滤波、自适应滤波等； 快速处理：实时控制、机器人视觉、电机控制等： 图形图像处理：三维动画、图像传输、图像压缩、电话会议、多媒体、 图像识别等： 语音处理：语音压缩编码、语音识别、语音信箱等； 仪器、仪表：医疗、数字滤波、谱分析等； 通信：m o d e m 、程控交换机、可视电话、蜂窝站、a t m 、移动电话等： 民用：数字音响、数字电视、多媒体等； 军用：雷达、声纳、通信等。 、 1 3u s b 的发展现状与简介 现在，由于p c 机在进行重新配置时缺乏足够的灵活性，已经影响了p c 的 进一步发展普及。随着友好用户界面核心的硬件、软件机制的结合，一直到相 应的诸如p c i 、p n p i s a 和p c m c i a 等新一代体系结构的提出，计算机看起来已经 不象当初那么直观了。而且从用户的角度来看，p c 机上的i o 接口如串行并 行接口、键盘鼠标游戏杆并不具有即插即用的功能。而在同时人们对计算机 的要求也越来越多。所以各种用来扩充计算机功能的外设也就不断出现，与之 相应，后面的端口越来越紧张。于是，相应的通用串行总线( u s b ) 的概念产生 了。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 即通用串行总线，是一种标准的连接接口， 在把外面的设备与计算机连接时，、允许不必重新配置规划系统，也不必打开机 壳，另外调整接口卡的指拨开关。而连接上计算机时，计算机会自动识别这些 接口设备，并且配置适当的驱动程序，无需用户再另外重新配置。通过u s b 接 口，实现了即插即用与热插拔的特性，用户即可迅速方便地连接p c 主机的各种 接口设备。u s b 有其诸多特性与优点： ( 1 ) u s b 接口统一了各种接口设备的连接头，如通信接口、打印机接口、 显示器输出、音效输入输出设备、存储设备等，都采用相同的u s b 接口规范。 u s b 接口就像是“万用接头”，只要将插头插入，一切就可迎刃而解。 ( 2 ) 即插即用( p l u ga n dp l a y ) ，并能自动检测与配置系统的资源。再者， 无需系统资源的需求，即u s b 设备不需要另外设置i r q 中断、i 0 地址以及d m a 等的系统资源。 ( 3 ) 具有“热插拔”( h o ta t t a c h d e t a c h ) 的特性。在操作系统的已 开机的执行状态中，随时可以插入或拔离u s b 设备，而不需再另外关闭电源。 ( 4 ) u s b 接口规范1 1 中的1 2m b p s 的传送速度可满足大部分的使用需求。 快速的2 0 规范，提供了更高速的4 8 0m b p s 传输率。 ( 5 ) u s b 最多可以连接1 2 7 个接口设备。因为u s b 接口使用7 位的寻址字 段，所以2 的7 次方等于1 2 8 。若扣掉u s b 主机预设给第一次接上的接口设备 使用，还剩1 2 7 个地址可以使用。因此一部计算机最多可以连接1 2 7 个u s b 设 各。 ( 6 ) 单一专用的接头型号。所有u s b 外围设备的接头型号完全加以统一( a 型与b 型) ，并且可以使用u s b 集线器来增加扩充的连接端口的数目。 简而言之，u s b 整体功能就是简化外部接e l 设备与主机之间的连线，并利 用一条传输缆线来串接各类型的接口设备，解决了现今主机后面一大堆缆线乱 绕的困境。它最大的好处是可以在不需要重新开机的情况之下安装硬件。而u s b 在设计上可以让高达1 2 7 个接口设备在总线上同时运行，并且拥有传统的 r s 一2 3 2 串行与并行接口快上许多的数据传输速度。 1 3 1u s b 基本架构 如图l 1 所示，一般u s b 系统的基本架构可以分为三个主要的部分： 图1 1u s b 基本架构图 1 u s b 主机控制器根集线器( h o s to o n t r o | ie r r o o th u b ) 所有在u s b 系统上沟通都是在软件控制下由主机激活。主机硬件包括u s b 主机控制器( u s bh o s tc o n t r o l l e r ) 与u s b 根集线器( u s br o o th u b ) 两种。 如图1 2 所示，在用户计算机上的系统属性的“设备管理器”中，所显示 的“通用串行总线控制器”内，包含的主机控制器和u s b 根集线器。 图1 2 设备管理器下的u s b 所包含的项目 2 ，u s b 集线器( u s bh u b s ) 若仅靠u s b 根集线器是不可能同时连接上1 2 7 个u s b 外围设备，所以除了根 集线器外，u s b 系统还支持额外的集线器。这些集线器的功用主要是提供另外 的u s b 连接端口供用户串接设备。 3 u s b 设备( u s bd e v i c e s ) 就是指各种类型的u s g 外围设备。u s b 设备分为以下三种类型： 低速设备( 1 0 ws p e e dd e v i c e s ) ：传输速率最高为1 5m p s ： 全速设备( f u l ls p e e dd e v i c e s ) ：传输速率为1 2m b p s ； 高速设各( h i g hs p e e dd e v i c e s ) ：传输速率最高为4 8 0m b p s ( u s b 2 0 ) 。 1 3 2u s b 数据流的模式与管线的概念 在u s b 规范标准中也定义了两种外围设备：单机设备和复合设备。每个接 口设备都具有“端点”( e n d p o i n t ) 地址，而主机与端点的通信，是经过“虚 拟管线”( v i r t u a lp i p e ) 所构成的。u s b 对于与设备之间的通信提供了特殊 的协议。虽然u s b 系统的总线是呈现阶梯式星形的结构( 如图1 4 所示) ，但实 际u s b 主机与设备的连接方式却是如图1 3 所示的一对一形式，即u s b 设备的 逻辑连接，而数据流的模式则是以这些逻辑连接为基本的架构。 图1 3u s b 设备的逻辑连接 对于u s b 的通信，可以将其视为一种虚拟管线的概念。在整个u s b 的通信 图1 4u s b 总线的阶梯式展形结构 3 t i 留4 中包含了一个大的虚拟管线( 1 2m b p s ) 以及高达1 2 7 个小的虚拟管线，而每一 个小的虚拟管线可比拟为u s b 设备。每一个连接到设备的小虚拟管线又可再细 分为许多小的微虚拟管线。这些虚拟管线可比拟为端点( e n d p o i n t ) 。由于在令 牌封包中，包含了4 个位的端点地址以及一个位于端点描述符中的输入输出方 向( i n o u t ) 位，所以在一个单独的小虚拟管线内最多可再分割成1 6 组的微虚 拟管线( 端点) 。 ， 1 3 3u s b 硬件规范与编码方式 u s b 接口的数据传输方式是采用串行的方式，可以降低使用的信号线数目， 并可让信号传递较远的距离。u s b 的连接线内部仅有4 条线，其中2 条是+ s v ( v b u s ) 与接地线( g n d ) ，另外2 条则是差动的数据线( d + 与d 一) ，长度最长 可以达到5 m ( 对全速设备而言) ，如图1 5 所示。 v 瞰腰 d + d g n d 图1 5u s b 缆线 v 日嘴 雎 m g 盼 u s b 采用了n r z i ( n o nr e t u r nt oz e r oi n v e r t ) 的编码方式，无需同步的 时钟信号也能产生同步的数据存取。n r z i 的编码规则是，当数据位为“l i 时 不转换，为0 时再作转换。此外，在n r z i 编码之问，还需执行位填塞( b i t s t u f f i n g ) 的工作，以防止由于过长的连续“1 ”不断发生时，信号没有发生转 换而导致丧失掉同步的机能。 1 4 数据采集系统的构成 整个数据采集系统框图如图1 6 所示。 图1 6 数据采集系统框图 多路模拟通道经过程控放大器后送入高速a d 转换器进行模数转换，转换后 的结果进入f i f o 并送给d s p 进行数字信号处理，d s p 的数字信号处理算法主要 实现滤波、采样变换、非线性修正、温漂修f 等。d s p 处理完后的结果经过f i f o 缓存传输给e z u s bf x ，而后由之经过u s b 接口传输给上位机进行显示处理。 当数据存到f i f o 空间的1 2 时，向d s p 发出中断请求，d s p 响应后，以内 存t o 方式将数据传送至其它内存中。使用了f i f o 后有两个突出的优点：a 有利于w i n d o w s 环境下编程：b 由于申请中断时f i f o 仍有1 2 空间可继续存放 采集的数据，c p u 有一段缓冲时间。这样保证了所采集的数据在传输时不会因 c p u 忙，未及时响应而造成数据丢失，提高了数据采集系统的可靠性。 系统中采用d s p 为数据处理芯片，有利于提高系统的采集速率，同时有利 于提高系统的采集性能。另外，系统中采用了扫描列表，按扫描顺序将所需工 作的通道、增益、输入、输出的极性等参数放入s r a m 内存中，这样，有关扫描 等参数等都在板上，扫描按扫描列表值进行控制，无需主机c p u 进行干预，从 而减小了主机c p u 的工作，提高了采集速率：而且，扫描的顺序由扫描列表而 定，要改变扫描顺序或不同通道的扫描速率，只需改变扫描列表即可。 第二章u s b 通信协议与e z u s bf x 单片机 2 1u s b 通信协议 u s b 接1 2 1 是以令牌封包为主( t o k e nb a s e d ) 的总线协议，而且p c 主机掌 握了这个总线的一切主控权，一切的沟通皆出p c 主机来负责激活与执行。 2 1 1 数据域位的格式 图2 1u s b 封包 同步序列( s y n c h r o n iz a t i o ns e q u e n c e ，s y n c ) 数据域：s y n c 字段由8 位 所组成，作为每一个数据封包的前导，它是用来产生同步作用的，将会起始p l l ， 数值固定为0 0 0 0 0 0 0 1 。 封包标示符( p a c k e ti d e n t i f i e r ，p l d ) 数据域：p i d 字段是紧随在s y n c 字段后面，用来表示数据封包的类型。其可分类为令牌、数据、握手与特殊四 种封包类型。如表2 1 所示。 表2 1 各种封包的类型与规范 封包类型p i d 名称p i d 3 ：0 意义 令牌o u t0 0 0 1 起始一个传送至设备且内含主机地址与端点值的数据 交换 令牌 i n 。 1 0 0 1 起始一个传送至设备且内含主机地址与端点值的数据 交换 s o fs o f0 1 0 1 帧的起始标记与帧码 令牌 s e t u p1 1 0 1 用来设置控制端点，井起始一个传送至设备且内含主 机地址与端点值的数据交换 数据d a t a o0 0 1 1 偶数数据封包p i d 数据 d a t a l1 0 1 1 奇数数据封包p i d 握手 a c k0 0 1 0 接收器收到无错误的数据封包 握手 n a k1 0 1 0 接收器无法收到数据或发射器无法送出数据 握手s t a l l1 1 1 0 端点产生停滞的状况 特殊 p r e1 1 0 0 使能下游端口的l i s b 总线的数据传输切换到低速的设 各 地址( a d dr e s s ，a d d r ) 数据域：a d d r 数据域由7 个位所组成，可用来寻 址高达1 2 7 个外围设备。 端点( e n d p o in t ，e n d p ) 数据域：e n d p 数据域由4 个位所组成，仅用在i n 、 ou 1 1 与s e t u p 令牌封包中。 循环冗余码校验( c y c i er e d u n d a n c yc h e c k s ，c r c ) 数据域：根据不同的 封包类型，c r c 数据域由不同数目的位所组成。最重要的数据封包采用c r c l 6 的数据域( 1 6 个位) ，其余的封包采用c r c 5 的数据域( 5 个位) 。 数据( d a t a ) 栏：仅存于d a t a 封包内，根据不同的传输类型，捌有不同的 字节大小，从0 到【0 2 3 字节( 仅能在等时传输时设置) 。 帧号码( f r a m en u m b e r ) 数据域：仅存于s o f 封包内，帧号码数据域由 个位所组成。 。 闲置( i d i e ) 栏：在每一个封包的结尾处，且当d + 与d 一电位都为低电位时。 2 1 2 封包格式 起始( s o f ) 封包 在1m s 的帧开始时，等时传输会利用s o f 激活传输并达到同步传输的作用 格式如下 8 位8 位1 1 位5 位 s y n c p i di 面f r a m e #c r c 5 令牌( t o k e n ) 封包 8 位8 位7 位 4 侥5 位 s y n cp i dr i d a d d re n d p c r c 5 数据( d a t a ) 封包 r8 位8 位 0 1 0 2 3 位1 6 位 l s y n cp i dmd a t ac r c l 6 握手( h a n d s h a k e ) 封包 8 位8 位 s y n c p i di而 特殊( s p e c i a l ) 封包 8 位8 位 s y n cp r e 2 1 3u s b 传输类型 在u s b 的传输中，因不同的外围设备的类型与应用，制定了4 种传输类型， 分别是控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 、中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 、批 量传输( b u l kt r a n s f e r ) 以及等时传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 。 表2 2 各种传输类型的相关特性 传送模式中断传输批量传输等时传输 控制传输 传输速率m b p s1 2 ( 1 5 。低速) 1 2 1 2 1 5 1 2 数据的虽大长 1 6 48 1 6 3 2 6 4l 1 0 2 3l 6 4 度字= 市( 1 8 ，低速)( 1 8 ，低速) 数据周期性有没有有没有 发生错误时再可可不可可 传送 应川j 设备键盘鼠标摇打印机扫描仪麦克风音箱 杆 可得剑的最人 67 2 89 7 2 81 0 2 4 0 带宽m b p s( 0 0 5 1 ，低速) 1 控制传输 控制传输是u s b 传输中最重要的传输，唯有正确地执行完控制传输，才能 进步地执行其它传输模式。这种传输用来提供介于主机与设备之间的配置、 命令或状态的通信仂、议。因此，需以双向传输来达到这个请求。控制传输又包 含了3 种控制传输类型：控制读取、控制写入以及无数据控制。其中，又可再 分为2 3 个阶段：设置阶段、数据阶段( 无数据控制无此阶段) 以及状态阶段。 u s b 控制信输 控制读取控制写入 无数据控制 臣耍手3 l 设置阶段数据阶段状忠阶段、 ( 1 ) 阶段：设置阶段 图2 2u s b 控制传输的关联图 数据阶段 + 一状态阶段+ 囤国画 图2 3p c 主机与设备之间执行通信协议的示意图 一9 设置阶段的数据交换包含了s e t u p 令牌封包与随后跟着的d a t a o 数据封包 以及a c k 握手封包所组成。在d a t a o 封包内包含了用来描述从主机所要送给设 备的请求。若这个设备送出a c k 令牌给主机，则代表确认收到了数据。 ( 2 ) 阶段二：数据阶段 数掘阶段的数据交换是用来传输主机与设备之间的数据。在这数据中，将 以d a t a i 为开始的8 字节包来加以传送( 设置阶段已使用了d a t a o 的数据封包， 如图3 3 所示) 。紧接的数据封包将以d a t a o 与d a t a l 的顺序，交替地传输。 ( 3 ) 阶段三：状态阶段 状态阶段用来表示整个传输的过程已经完全结束了。对于控制读取传输， 主机会送出o u t 令牌封包，其后面再跟着0 长度的d a t a l 封包。而此时设备也 会做出相对应的动作：a c k 、n a k 或s t a l l 握手封包。对于控制写入传输，主机 会送出i n 令牌封包，设备也会做出相对应的动作：送出表示完成状态阶段的0 长度的d a7 f a i 、n a k 或s t a l l 封包。 2 ，中断传输 中断传输是用来定时地向主机传送数据的传输。由于u s b 不支持硬件的中 断，所以必须靠p c 主机以周期性的方式加以轮询，以便知道是否有设备需要传 送数据给p c 。如果因为错误而发生传送失败，可以在下一个轮询的期间重新传 送一次。 3 ，批量传输 这类型的传输是用来传送大量的数据。虽然这些大量的数据须准确地传输， 但相对的却无传输速度上的限制，即没有固定传输的速率。批量传输是针对未 使用到的u s b 带宽来向主机提出请求的。这样，须根据目前的总线的拥挤的状 态，以所有可使用到的带宽为基准，不断地调整本身的传输速率。 4 等时传输 此种传输须要维持一定的传输速度，因此相对地就须牺牲一些小错误的发 生。它采用了预先与p c 主机协议好的固定带宽，以确保发送端与接收端的速度 能相互吻合。 2 1 4u s b 描述符 u s b 描述符详细地记录着外围设备相关的一起信息，掌握着有关于设备的 各种信息与相关的设置。为了描述不同的数据，就需以不同类型的u s b 描述符 来加以描述。u s b 描述符的b y t e o 是以字节为单位的描述符的长度，b y t e l 是 放置描述符的类型字段。 其中，设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符是必须具有的。 如图2 5 所示，最上层的阶层是设备描述符，在设备描述符的 b n u m c o n f i g u r a t i 。n s 字段中，设置一个或多个下一层的配置描述符：在配置拙 图2 4 各种描述符的架构与类型 表2 3 描述符的类型值 描述符类型数值 i 5 2 备( d e v i c e ) o x 0 1 配置( c o n f i g u r a t i o n ) o x 0 2 字符串( s t r i n g ) o x 0 3 接口( i n t e r f a c e ) o x 0 4 端点( e n d p o i n t ) o x 0 5 u s bd e v i c ed e s c r i p t o rt y p eo x o i u s bc o n f i g u r a t l o nd e s c r i p t o rt y p eo x 0 2 u s b s t r i n g d e s c r i p t o r t y p e o x 0 3 u s k i n t e r f a c e d e s c r i p t o r t y p e o x 0 4 u s be n d p o i n td e s c r i p t o rt y p eo x 0 5 u s bp o w e rd e s c r i p l o rt y p eo x 0 6 ( 仅w i n d o w s9 8 ) u s bc o n f gp o w e rd e s c r i p t o rt y p eo x 0 7 ( 仅w i n d o w s2 0 0 0 ) u s b _ i n t e r f a c e ，p o 崛r _ d e s c r i p t o rt y p e o x 0 8 ( 仅w i n d o w s2 0 0 0 ) 述符的b n u m i n t e r f a c e 字段中，设置一个或多个下一层的接口描述符：最后在 接口描述符的b n u m e n d p o i n t s 字段中，设置最后一层的端点描述符。 厂 设备描述符 b x l u m c e n f i g u t a t i o n 5 i i 配置描述符 一 迷符 i b 工哦e r f c e l i m b e r l 配置茹 iij ；述符 i 接口描述符 l接口搞 b e n d p o i n t z 。j i 一一一一 i 自述符 l 端点描述符 i 端点茹 j 图2 5u s b 描述符阶层图 1 设备描述符 设备描述符具有1 8 字节的长度，并且是主机向设备请求的第一个描述符 包含了主机需要从没各读取的基本信息。 表2 4 设备描述符 0 b l e n g t h 1 数字描述符大小( 1 8 字节) 1 b d e s c r i p t o r t y p e 1 常数常数d e v i c e ( o l h ) 2b c d u s b 2b c d u s b 规范版本号码 4b d e v ic e c l a s s1 类别类别码 5b d e v i c e s u b c l a s sl 子类别 子类别码 6b d e v ic e p r o t o c o l1协议 协议码 7 b m a x p a c k e t s i z e ( 0 ) 1 数字 端点0 的最大信息包大小 8i d v e n d o r2i d 厂商i d 1 0i d p r o d u c t2 i d 产品i d 1 2b c d d e v i c e 2 b c d 设备版本号码 j 4i m a n u f a c t u r e r1 索引值制造者的字符串描述符的索引 值 1 5i p r o d u c t l 索引值产品的字符串描述符的索引值 1 6i s e r i a l n u m b e r1 索引值序号饷字符串描述符的索引值 1 7 b n u m c 0 n f i g u r a t i o n s 1 数字配置的数目 其中v i d p i d 码非常重要，因为有了正确的v i d p i d 码数值的设置，w i n d o w s 才能加载相对应的驱动程序。 2 配置描述符 配置描述符具有9 字节的长度，并且针对设备给予配置的信息。当主机请 求设备的配置时，它将会连续的读取这些描述符，直到所有的配置已经接收完 毕为止。 表2 5 配置描述符 数字描述符大小( 9 字节) 常数常数c o n f i g u r a t i o n ( 0 2 h ) 数字 描述符的总长度( 3 4 字：恬) 数字 此配置支持的接口数目 数字配置值 索引值 此配置的字符串描述符的索引 值 位图 自身电源总线电源以及远棵 唤醒 m a最大电源( 以2m a 为单位) 接口描述符 1 1 06 ， l ，e p s n n y e 0 0 t h c 1 1 r t a t t o g f a a t n r r r p e e u u h i l t g g t r 1 n l l g c a i f e f n s t m n u n e e 0 u 0 l 0 l d t n c a c b b b b v 1 接口描述符具有9 字节的长度，用来描述每一个设备的接口特性。 表2 6 接口描述符 i 目 0b l e n g t h 1数字描述符大小( 9 字节) 】 b d e s c r i p t o r t y p e 1 常数常数i n i e r f a c e ( 0 4 h ) 2b i n t e r r a c e n u m b e ri数字识别此接口的号码 3b a l t e r n a t e s e t t i n g 1数字 切换设置值 4 b n u m e n d p o i n t s 1数字除了端点0 外，支持的端点数 目 5 b i n t e r f a c e c l a s s1类别接口类别码 6 b i n t e r f a c e s u b c l a s s1子类别接口子类别码 7b i n t e r f a c e p r o t o c o l 1 协议接口协议 8i i n t e r f a c e 1索引值此接口的字符串描述符的索引 值 4 端点描述符 端点描述符具有7 字节的长度，用来描述端点的属性以及各个端点的位置。 表2 7 端点描述符 数字描述符大小( 7 字。柑) 常数常数e n d p o i n t ( 0 5 h ) 端点端点地址 位图传输类型 数字支持的最人封包大小 数字轮询问隔 总之，一个完整的u s b 设备的配置情形如下 图2 6 完整的u s b 设备的配置情形 下图是作者的l o g i t e c hu s b 风火轮鼠标的u s b 描述符。 s e s p e e y r z t d s 1 r d e s o a t t t t u e l p n b k a n 1 1 1 c v t r 0 r a r g c p t p e n s d t x t e e n a a n l d e m m i b b b b b 瓣v s b 设备属性岁睡f 生但 nuiqlllbcdus8 o x o l l 0 鬻b o c e c ；| a s s o x 0 0 戮b d e v i c e s u b c l a s s 魄0 。 漤b d e y i c e r o t o c o l ；弧o o i l 女b m 。p a c k e s l z e 0 o x 0 8 ( 8 】 。孽ih 虫，e n d 。f o x 0 4 6 d l o g i l e c hi r l c ) - i d f or o d l i c f 0 ； c 0 0 c 舞b c d d e v i c e0 x 0 6 2 0 雅1l 、l 五石u x u * u 0 l u g l e 盯) i 冀j p r o d u c 0 x 0 2 ( 语喜i d ：0 x 0 4 0 9 ，u s bm o u s e ) 簇l s e r i a l nl m b e ro x 0 0 蘩b l j u n l c o n l i g u r a t i o n s o x o l 囊麟霸隧瀚黼燃戮蒸戮熏麓蕊渊溺麟囊蒸篓囊鬟燃鬻霆矮 黧洼攫掺巷 设备连接 薹黧当蘸& 0 置值0 x 0 1 i 缀设备总线缝度f 瞳速 蘩设备地址 0 x 0 1 燃字丁扦管遴 1 粼b e n d p o i n 皓d d l e s s 戮鳓麟麟燃潮瀚鬻缫 0 x 8 1 ( 1 n 1 ) 传毓袭型中断 , , m a x f a c k e 3 i z e0 x 0 4 ( 4 ) ”。 瓣ib l n ! e l , l , w0 h 。盘 囊嘲萋糍黼囊，熊黼鳓鲻美麟灏鹩麟麟瀵翩糍囊熬囊囊鬣瑟纛 豢, 4 t o l a l l e n g t h 0 x 0 0 2 2 溅lb n u m l n e f f a c e o阻0 1 纛b c o n i i , ；l u r a t i o r a o l u e 0 x 0 1 舅ii c o r , f i g u r a t i o n0 x 0 0 疆! b n - a t t r i b u t e s 0 x a 0 ( 营蛾供吃运毪唆醒) 囊maxpower0 xs2(100h 拙) 爨i 瀵鏖豳鬃鬟麟女i 瀚溯黼灞黼糕粼麟缫鬻黼黼缫黼鍪g 熬蒸 黧；b i n t e f f a c e n u m b e r 0 0 0 臻酏愉n 。【e s e f l n a o x 0 0 戆b nl e n d p o i n t s 啦0 1 鬻酬n e f a c e c o! o x 0 3 ( h i d ) 鏊霪翻n e “a c 晶t j b c l a s s o x o l 簇b i n t e f f a c e p i o t o c o l0 x 0 2 i n t e r f a c e 0 0 0 豢嘲粼麟缫潲溺粼瓣燃黼麟滋黧戮戮麟l 黼黧i 燃 矗j ：。b “州l d o x 0 1 1 0 - jb c o t t i - l t r y c o d e 一 0 h 0 0 b l | u m d e o c 1 0 0 e0 x 0 1 b d e o c r j p o t p p e0 x 2 2 鬻w d e s c r i p t or l e n g t h 龇0 0 4 4 熬b e n d p 。l n 晴d d s 燃鬻缫斓激粼熬溯剿瓣鬻 o x 8 1 ( 1 n 1 ) 传输娄型中断 w 州d p a c k e s l z e 0 x 0 0 0 4 ( 4 ) b i n t e v e l 0 x 0 a 图2 7l o g i t e c h 鼠标的u s b 描述符 1 4 2 1 5u s b 设备请求 在控制传输的设置阶段的数据交换中包含了令牌封包、数据封包和握手封 包。其中的数据封包就是放置“设备请求”的地方。它是一个8 字节的d a q 、a i 数据封包。 表2 8 标准设备请求的数据格式 2 1 6u s b 设备群组 在u s b 文件中，定义将某种相同属性的设备整合在一起的群体称之为群 组( c l a s s ) 。所有的u s b 设备除了必须符合上面所描述的u s b 规范外，群组中 所制定的设备，也必须符合该群组的特性与规范。 2 2 设备驱动程序 在w i n d o w s 操作系统中，针对u s b 接口的通信工作使用了阶层式的驱动程 序模式。如图2 8 所示，每一个驱动程序阶层负责处理一部分通信工作。 w i n d o w s 操作系统中包含了总线驱动程序与一些群组的驱动程序。如果要 设计与丌发的设备并无支持的群组，那么就必须编写自己的驱动程序。对于 w i n d o w s 而言，针对u s b 设备所要编写的设备驱动程序必须符合w i n 3 2d r i v e f m o d e l (