（信号与信息处理专业论文）基于usb接口的数据采集系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 通用串行总线c o s b ) 具有成本低，使用方便，支持热插拔，传输速率高，功 耗低等优点，已被广泛应用于p c 机及嵌入式系统中。采用u s b 接口进行数据 采集是本课题的一大特点。 本文首先研究了u s b 接口的通信协议，包括u s b 基本架构与总线结构，硬 件规范，n r z i 编码方式，控制传输、批量传输、中断传输以及等时传输四种 u s b 数据传输方式，设备枚举及u s b 设备描述符等内容。 接着，通过a t m e l 的8 9 s 5 2 单片机和p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 接口芯 片实现了模拟信号的采集与传输。其具体实现过程包括单片机端的固件程序设 计，u s b 设备驱动程序设计及其上位机应用程序设计三大模块。 固件编程设计采用分层结构进行，实现了u s b 协议的解析和应答，完成了 模拟信号的采集和传输等过程，并且通过给出部分源程序代码和程序流程图， 采用从下向上的层次顺序详细研究了硬件提取层、p d 砌s b d l 2 命令接口层、中 断服务程序、标准设备请求及主循环程序的实现过程。 u s b 设备驱动程序为上位机应用程序访问硬件设备提供了统一的软件接 口，u s b 的设备驱动程序必须符合m i c r o s o f t 定义的w i n 3 2 驱动程序模型( w i n s 2 d r i v e rm o d e l ，w d m ) 规格。在此本文选用n u m e g a 公司的第三方驱动程序开发 工具d r i v e r s t u d i o ，由于它所含的d r i v e r w o r k s 工具提供独特的d r i v e r w i z a r d 向 导，包含丰富的例子和库的完整源代码，可以引导用户根据实际需要完成设备 驱动程序开发的全过程，所以利用它大大简化了设备驱动程序的开发过程。 上位机应用程序采用了c + + b u i l d e r 开发工具，通过调用w i n 3 2a p i 函数的 打开设备c r e a t e f i l e 0 、读写设备w r i t e f i l e 0 r e a d f i l e 0 、i o 设备控制 d e v i e e l o c o n t r o l 0 及关闭设备c l o s e f i l e o 等函数即可实现与基于u s b 接口的数据 采集系统的通信。 本设计实现了外部信号的采集并通过u s b 接口传输到p c 机上实现了实时 显示。本系统由于引入了u s b 接口，较以前的传统接口提高了数据传输的速率， 支持热插拔，使用更方便。 关键字：u s b ，p d i u s b d l 2 ，设备驱动，w d m ，c + + b u i l d e r 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t u n i v e r s a ls c r i mb u s ( u s b ) h a sb e e nu s e dw i d e l yi np ca n de m b e d d e ds y s t e m s b a 峨o fi t sm a n ym e r i t s ，s u c ha s1 0 w - c o s t , s u p p o r t i n go fp l u g - a n d - p l a y , h i g h t r a n s m i s s i o nr a t ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n d a t aa c q u i s i t i o nb yu s bi n t e r f a c ei sa m a r k i n gf e a t u r eo f t h i sr e s e a r c l 眦 f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eu s b c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 i ti n c l u d e su s b b a s i cs t r u c t u r e ，b u sa r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r es t a n d a r d s ，n r z ip a t t e r no fc o d i n g ，c o n t r o l t r a n s f e r 、b u l kt r a n s f e r 、i n t e r r u p tt r a n s f e ra n di s o c h r o n o u st r a n s f e rf o u rt y l ) e so f t r a n s m i s s i o n , e q u i p m e n te n u m e r a t i o n a n du s bd e v i c ed e s c r i p t o r sa n ds oo i l s e c o n d l y , t h et h e s i si n t r o d u c e sh o wt o c o l l e c ta n dt r a n s m i ta n a l o gs i g n a lb y i l s i i l g 8 9 s 5 2m c uo fa t m e la n dp d i u s b d12i n t e r f a c ec h i po fp h i l i p s t h e s p e c i f i cd e s i g nc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ：t h ef i n m w a r ed e s i g no fm c u ，d e s i g no ft h e u s bd e v i c ed r i v e ra n da p p l i c a t i o nd e s i g no fp c f i r m w a r ep r o g r a m m i n gi st h em o s ti m p o r t a n tt a s k , b e c a u s ei ta c c o m p l i s h e st h e u s bp r o t o c o la n a l y s i sa n dr e s p o n s e ，a n da c h i e v e st h ep r o c e s so fa n a l o gs i g n a l a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n - t oi d e n t i f yt h ep e r i p h e r a la c q u i s i t i o ns y s t e mo f t h eh o 瓯 f i r m w a r ep r o g r a mm u s tb ew e l lp r e p a r e d i n t r o d u c i n gh a r d w a r ea b s t r a c t i o n l a y e r , p d i u s b d 12c o m m a n di n t e r f a c el a y e r , i n t e r r u p ts e r v i c er e q u e s t s ，s t a n d a r d d e v i c er e q u e s t sa n dt h em a i nc y c l i n gp r o g r a m , ah i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei sp r e s e n t e d a n ds o m es o u r c ec o d e sa n dp r o g r a mf l o wc h a r ta r ei l l u s t r a t e d u s bd e v i c ed r i v e rp r o v i d e sau n i f i e ds o f t w a r ei n t e r f a c ef o rp ca p p l i c a t i o nt o a c c e s sh a r d w a r ed e v i c e ，t h eu s bd e v i c ed r i v e rm u s tb ea c c o r dw i t h 啪2d r i v e r m o d e l ( w - m 3 2d r i v e rm o d e l , w d m ) s p e c i f i c a t i o n sd e f m e db ym i c r o s o f tc o r p t l l i s t h e s i sc h o o s e st h et h i r d - p a r td r i v e rd e v e l o p m e n tt o o l so fd r i v e r s t u d i od e s i g n e db y n u m e g ac o r p b e c a u s et h ed r i v e r w o r k st o o lp r o v i d e sau n i q u ed r i v e r w i z a r d g u i d a n c ea n d c o n t a i n sa b u n d a n te x a m p l e sa n di n t e g r a t e ss o u f c ec o d e s ，i tc a ng i l i d eu s t od e v e l o pt h ed e v i c ed r i v e rd u r i n gt h ew h o l ep r o c e s s i tg r e a t l ys i m p l i f i e st h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fd e v i c ed r i v e r n 武汉理工大学硕士学位论文 t h ep ca p p l i c a t i o ni sd e v e l o p e db ym e a n so fc + + b u i l d e r b yc a l l i n gt h e g r i n 3 2a p if u n c t i o n s ，s u c ha so p e n i n gt h ed e v i c e ，r e a d i n g w r i t i n gd e v i c e ，i o d e v i c ec o n t r o la n dc l o s i n gd e v i c e ，c o m m u n i c a t i o no ft h ep e r i p h e r a lu s ba c q u i s i t i o n s y s t e mc a nb er e a l i z e da to n c e t h i sd e s i g nh a sr e a l i z e de x t e r n a ls i g n a lc o l l e c t i n ga n dt r a n s m i t so np cm a c h i n e t h r o u g ht h eu s bi n t e r f a c et or e a l i z et h er e a lt i m ed i s p l a y b e c a u s eo fi n t r o d u c i n g t h eu s bi n t e r f a c e ，c o m p a r e dt h et r a d i t i o n a li n t e r f a c e ，t h es y s t e me n h a n c e dt h ed a t a t r a n s m i s s i o ns p e e d , s u p p o r t i n gp l u ga n dp l a ya n db e c o m e sm o r ec o n v e n i e n t k e y w o r d s ：u s b ，p d i u s b d 12 ，d e v i c ed r i v e r , w d m ，c + + b u i l d e r m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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了谢意 研究生( 签名) ：巨盔西醯日期：虿翌壁：垒z 丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：期：望喳：生：膨 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 数据采集系统概述 数据采集技术是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而 形成的一门综合应用技术，主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等， 涉及模拟信号调理、模拟信号数字化、数字信号处理等方面，具有很强的实用 性。在工业生产和科学研究中经常需要对一些物理量如液位、温度、压力、频 率进行采集，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。随着计算机、微电 子等技术和数据采集理论的迅速发展，数据采集系统的应用范围也在日益扩大， 已逐步成为促进各个有关科技领域发展的重要手段。例如雷达、通信、水声、 遥感、语音处理、智能仪器、工业自动化以及生物医学工程等。但是，数据采 集是信息处理系统的最前端，对于一般的数据采集任务有通用的数据采集系统 可供选用，考虑到数据源以及用户需求的多样性，通用的采集设备不可能总能 满足定制要求。 1 2u s b 的产生背景及其发展历程 随着计算机的广泛应用，计算机外设也在不断更新。计算机接口负责计算 机内外设备之间的信息交换。由于外设种类繁多，在设计计算机系统时，就必 须预留出尽可能多的i o 接口，这将造成系统成本过高，外设连接过于繁琐。为 了降低成本，各计算机厂商推出了自己的接口规范，产生了外设总线的概念， 旨在提高各种外设接口的兼容性，同时实现外设的自动识别和配置【1 1 。 目前，在工业控制和仪表行业广为使用的总线和接口标准主要有i s a ，p c i ， r s 2 3 2 ，r s - 4 8 5 等，它们各有各的缺点：或者传输速率低，或者不支持即插即 用，安装麻烦，或者扩展能力差，或者稳定性差，或者功耗大，或者传输距离 短，或者兼容性差。如果不采用新的总线和接口标准，仪器仪表行业的发展必 将受到较大的制约。 为了解决p c 机在发展过程中所遇到的问题，1 9 9 5 年由c o m p a q 、d i g i t a l e q u i p m e n tc o r p 。( 现在属于c o m p a q ) 、i b m 等七个计算机与通信工业领先的公司 武汉理工大学硕士学位论文 组成的联盟推出了一种新的总线标准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) 。 同一年，该联盟建立了u s b 实施者论坛_ u s b i f m s b i m p l e m e n t e r sf o r u m ) 来加 速u s b 标准的高质量兼容设备的开发 2 1 。 在1 9 9 6 年，u s b i f 公布了u s b 规范1 0 ，这是第一个为所有的u s b 产品 提出设计请求的标准。1 9 9 8 年，在进一步对以前版本的标准进行阐述和扩充的 基础上，发布了u s b 标准的1 1 规范。而此时联盟仅剩四个核心的成员公司， 它们是c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 公司。由于u s b 的方向已偏离了通信 的相关领域，使得m m 和n o r t h e r nt e l e c o m 退出了该联盟。这样，也造成了目 前应用于电话的u s b 设备的发展仍然稍微缓慢一型3 1 。 第三个版本的u s b 2 0 是发布于1 9 9 9 年。此时，h e w l e t t 、p a c k a r dp h i l i p s 和l u c e n t 三个公司加入了u s b i f 联盟，使得联盟的核心成员数又重新恢复为七 个。u s b 2 0 在u s b l 1 的基础上增加了高速数据传输模式。u s b 2 0 将u s b l 1 的传输速率提高了4 0 倍达到了4 8 0 m b p s ，并且完全兼容u s b l 1 。2 0 0 1 年1 2 月， u s b i f 公布了u s bo t g ( o n - t h e c o ) * b 充条款，u s bo t g 作为u s b 2 0 规范的 补充，实现了在没有u s b 主机的情况下，设备间的数据传送。u s bo t g 技术主 要应用于各种不同设备或移动设备间的联接。 u s b 接口自提出以来，凭借其即插即用，热插拔，接口体积小巧，节省系 统资源，传输可靠，提供电源，良好的兼容性，共享式通信和低成本等优点， 迅速在p c 机接口领域流行，特别是u s b 2 0 技术提出后，u s b 传输速率理论最 高可达4 8 0 m b p s ，u s b 接口已成为目前p c 机接e 1 的发展趋势。同时可以预见， u s b 的应用将会越来越广泛，其传输速率也会越来越高 4 1 。 1 3u s b 技术在国内外的发展现状 整体而言，在全球市场规模方面，预计u s b 的产品出货量将从2 0 0 4 年的七 亿套成长至2 0 0 9 年的二十一亿一千万套，年复合成长率为2 4 9 * 6 。在u s b 的市 场应用方面，主要分为计算机相关、消费性电子与通讯三大类，目前最大应用 市场为计算机相关产品。在2 0 0 5 年，u s b 在计算机相关的应用比重占整体应用 的6 9 9 ，而在消费性电子产品与通讯产品的应用则分别占2 0 6 与9 5 。在 u s b 2 0 推出后，4 8 0 m b p s 的传输速度已能符合目前计算机与外围设备传输的需 求，在成本优势与合理效能下，目前已是计算机相关外围的主流规格。而在消 费性电子产品方面，以应用在非实时性的静态影像或档案传输为主，如：数字 2 武汉理工大学硕士学位论文 相机、m p 3p l a y e r 等产品，消费者可利用u s b 接口将数字相机所摄取的数字影 像传至计算机上储存或打印，或是透过p c 将音乐档案下载至m p 3p l a y e r 。至于 在通讯方面的应用，包含t # b 接式的缆线调制解调器( c a b l em o d e m ) 、d s l 调制 解调器与r o u t e r 等，未来在u s b 的应用中所占的比重将逐年升高1 5 1 。 由于u s b 接口蕴藏了巨大的市场需求，国外很早就开始了u s b 接口芯片的 研发，甚至早在2 0 0 1 年，c y p r e s s 和p h i l i p s 就推出了u s b 2 0 接1 2 1 芯片。当前， u s b 2 0 接口控制芯片的市场份额也主要被这些国外的厂商所占据，其中 c y p r e s s 、i n t e l 、p h i l i p s 、n c t c h i p 、n e c 、t i 等几家公司的芯片比较成功。目前， 市场上流行的u s b 接口控制芯片分为两种类型：一种是集成了微处理器的u s b 接口控制芯片，如m o t o r o l a 的6 8 h c 7 0 5 j b 2 、6 8 h c 7 0 5 j b 3 、6 8 h c 7 0 5 j b 4 ，c y p r e s s 公司的m 8 系列与e z - u s b 系列，i n t e l 的8 x 9 3 0 a x ，s i e m e n s 公司推出的c 5 4 1 u 等产品；另一种是纯粹的u s b 接口芯片，仅处理u s b 通信，如p h i l i p s 的 p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口) 、p d i u s b d l 2 ( 并行接口) ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的 u s b n 9 6 0 2 、u s b n 9 6 0 3 、u s b n 9 6 0 4 等。前一种由于开发时需要单独的开发系 统，因此开发成本比较高；后一种只是一个芯片与微处理器间实现了u s b 通信 功能的接口，成本较低，而且可靠性高。 国内u s b 接口控制芯片现在也有了一定的发展，比如青岛硅盛电子有限公 司在2 0 0 4 年5 月已经为u s b 2 0 高速接口芯片申请了专利。他们所研制的新一 代u s b 2 0 高速接口芯片除了与传统的u s b 2 0 、u s b l 1 标准完全兼容外，还具 有如下特点： ( 1 ) 电路设计简化：传统的u s b 2 0 采用锁相环电路，而新一代u s b 2 0 采 用非锁相环电路： ( 2 ) 低功耗：传统u s b 2 0 功耗为0 5 w ，而新一代u s b 2 0 小于0 1w ； ( 3 ) 芯片面积小：传统u s b 2 0 为2 0 k 门，而新一代u s b 2 0 为3 k 门； ( 4 ) 延迟反应时间短：传统u s b 2 0 为l m s ，而新一代u s b 2 0 为5 0 - l o o u s t 6 1 。 国家相关部门也高度重视u s b 2 0 接口芯片的研发，并将其列为国家8 6 3 项目， 课题组在2 0 0 2 年承接了u s b 2 0i p 核开发的国家8 6 3 项目，在2 0 0 4 年3 月通过 了国家的验收。 1 4 本课题的研究意义和内容 早期常见的数据采集系统一般通过传统接1 2 1 如r s 2 3 2 串口、并1 2 1 或p c i 总 3 武汉理工大学硕士学位论文 线与p c 机进行通信。串口连接方式简单，但传输速度有限；并口传输方式的数 据线连接复杂，传输距离较近，而且在w m d o w s 环境下开发消息驱动方式较麻 烦；p c i 总线已无法满足p c 机发展的速度，过多的i o 接口也会增加芯片的成 本，并且p c i 扩展槽在p c 机的内部，应用时需要打开机箱后盖，不支持即插即 用，使用非常不方便。本课题所设计出的基于u s b 接口的数据采集系统，由于 引入了u s b 这种新型的通信接口，使得整个系统不再那么庞大，且连接方便， 支持即插即用，其数据传输速度远远高于普通的串口和并口，它的应用对数据 采集系统的设计增添了亮点，也为u s b 外围设备的开发增加了经验，本设计为 以后u s b 接口应用于a r m 嵌入式系统及d s p 系统，提高数据传输速率，降低 开发成本，节省电源等方面打开了新的局面。 本论文将具体内容安排如下： ( 1 ) 第一章：引言，介绍u s b 的产生背景及发展历程，u s b 技术在国内外 的发展现状，本课题的研究意义及其内容安排。 ( 2 ) 第二章：u s b 协议介绍，包括u s b 基本特征，u s b 通信协议，u s b 设 备枚举过程，u s b 标准设备请求，u s b 设备描述符这几个内容。 ( 3 ) 第三章：主要讲述采用u s b 接口的数据采集系统的整体设计，分别介 绍u s b 外围数据采集部分和u s b 接口通信部分，其中对芯片选择及其引脚进行 了详细地阐述。 ( 4 ) 第四章：采用u s b 接口的数据采集系统设计的第一个模块：固件编程。 在此应用k e i lc 5 1 编译调试固件程序，这是本设计的重点所在，因为固件程序 实现了外围数据采集及u s b 通信协议的解析与处理 ( 5 ) 第五章：采用u s b 接口的数据采集系统设计的第二个模块：驱动程序 开发。应用d r i v e r s t u d i o 工具生成并调试u s b 驱动程序。 ( 6 ) 第六章：u s b 采集系统的最后一个模块：上位机应用程序设计。应用 c + + b u i l d e r 开发工具，调用w m 3 2a p i 函数，实现了u s b 设备与p c 机的通信。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章u s b 协议介绍 2 1u s b 基本特性 2 1 1u s b 简介 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) 是一种标准的连接接口，在把外围 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 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。另外，在连 接p c 机时，对所有u s b 接口设备，提供了一种“全球通用一的标准连接器( a 型与b 型) 。这些连接取代了所有的各种传统外围端口，如串行端口、并行端口 以及游戏接口等。此外，u s b 接口还允许将多达1 2 7 个外围设备同时串接到p c 的一个外部的u s b 接口上。这样，就不必像传统的串口或并口那样，一个端口 仅能接一个外围设备【7 】。 相对的，对于接口设备的制造商而言，也能降低成本，因为他们不再需要 为每一种接口设备分别设计与生产各种型号的产品。因此，u s b 接口除了可作 为标准接口设备的应用外，还逐渐成为各种新型设备( 包括数据采集、测量设备 等产品) 的通用标准连接接口，颇有“一统江湖的趋势。 综上所述，u s b 接口具有如下优点： ( 1 ) 使用方便 使用u s b 接口可连接多个不同的设备；支持热插拔。在软件方面，为u s b 设计的驱动程序和应用软件可自动启动，无须用户干预l s 】。 ( 2 ) 传输速率高 u s b 支持三种传输速率：低速( 1 0 w - s p e e d ) 的1 5 m b p s 、全速( f u l l s p e e d ) 的 12 m b p s 及高速( h i g h - s p e e d ) 的4 8 0 m b p s 【9 】。 ( 3 ) 连接灵活 u s b 采用“级联 方式，u s b 接口既可以连接u s b 设备，也可以连接u s b 集线器把多个u s b 设备连接起来。通过这种类似菊花链式的连接，一个u s b 控 5 武汉理工大学硕士学位论文 制器最多可连接1 2 7 个外设，而每个外设之间的距离可达5 m 。 ( 4 ) 独立供电 u s b 接口包含了+ 5 v 的电源线与地线，可由p c 机或集线器提供电源。在 5 0 0 m a 下，u s b 外围设备可以直接使用由u s b 端1 2 1 提供的电源【l o l 。 ( 5 ) 低功耗 u s b 有一套独特的电气层机制来保证其低功耗。u s b 协议为设备定义了两 种供电模式：自供电和总线供电【1 1 1 。u s b 外围设备处在待机状态时，会自动启 动省电的功能来降低耗电量。 ( 6 ) 可靠性高 不管是硬件的设计还是数据传输的协议，u s b 都很稳定。u s b 驱动程序、 接收器以及电缆的硬件规范，都会尽量减少噪声的干扰来所导致的错误数据。 另外，u s b 协议一旦检测到数据有错误，就会要求发送端重新传送数据1 0 1 。 2 1 2u s b 的基本架构与总线结构 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行 数据传输。由主机预定的标准的协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和 主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。一个u s b 系统主要 被分为三个主要部分：u s b 主机控制器根集线器、u s b 集线器和u s b 设割1 2 1 。 如下图2 1 所示。 图2 1u s b 基本架构 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) u s b 主机控制器根集线器( h o s tc o n t r o l l e r r o o th u b ) 主机硬件包括u s b 主机控制器邸s bh o s tc o n t r o l l e o 与u s b 根集线器s b r o o th u b ) 两种。u s b 主机控制器负责激活u s b 系统上的处理动作，目前有 “o h c - o p e nh o s tc o n 仃o l l c r 开放式主机控制器 与“u h c u n i v e r s a lh o s t c o n t r o l l e r 通用式主机控制器 两种【1 3 】。u s b 根集线器提供u s b 连接端口给u s b 设备或u s b 集线器来使用，以达到u s b 接口最多连接1 2 7 个外围设备的目的。 ( 2 ) u s b 集线器( u s bh u b ) 用于向另外的外围设备提供u s b 接口。 ( 3 ) u s b 设备m s bd e v i c e ) 在u s b 规范书中，称这种设备为“功能 。它就是通常所说的u s b 外围设 备。例如带u s b 接口的键盘、鼠标、打印机、显示器等。 u s b 的总线结构采用阶梯式星形( t i e r e ds t a r ) 的拓手b ( t o p o l o g y ) 结构。u s b 设 备包含了两种类型：u s b 集线器与u s b 设备。位于最顶端的是h o s t ( 主机) 。往 下连接至h u b ( 集线器) ，再由集线器按阶梯式往下扩展，连接在下一层的设备或 集线器上。在此，集线器也可视为一种设备。而其中最大阶层数多达6 层( 包括 计算机内部的根集线器) 。 通过这种阶梯式的星形连接方式，最多可同时连接1 2 7 个设备f 1 4 1 。 2 1 3u s b 硬件规范 ( 1 ) u s b 的硬件特性 通用串行总线u s b 采用精心设计的4 芯连接器，以一种特别的差分电平编 码方式来实现数字信号的高速传输。u s b 线缆包括4 条线：v c c ( u s b 电源) 、m 数 据) 、d ( 数据) 和g n d ( u s b 地) 【1 5 1 。这4 条内含于u s b 缆线的电线的线规以及颜 色如下表2 1 所列。 表2 - iu s b 缆线信号与颜色 引脚编号信号名称缆线颜色缆线型号 lv c e 红2 m 乞8 a w g 2 d a t a 羽d - ) 白2 8 a w g 3d a t a ( d + ) 绿 2 8 a w g 4g n d 黑 2 0 一2 8 a w g 在此需要特别注意的是d + 与d 这两条差动数据信号线。由于u s b 的数据 武汉理工大学硕士学位论文 传输速率分为全速与低速两种规范，虽然这两种传输格式都可以使用 2 8 a w g ( a m e r i e aw hg a u g e ，美国线规) 的导线，但是全速的差动数据信号线必 须采用绞线对的形式，而且还需加上屏蔽的处理，防止高速传输时所产生的e m i 电磁干扰【1 6 1 。但对于低速的差动数据信号线就无须使用绞线对或加上屏蔽处理， 以减少成本。 ( 2 ) u s b 接口的电气特性 如下图2 - 2 所示为为全速设备与与主机间的电气特性的连接方式。由图可以 看出，在p c 主机的根集线器或集线器端，d + 与d 两条信号线同时接上1 5 ( 1 4 - 5 ) k q 的下拉电阻并连接至接地端。而u s b 设备端在d + ( 低速设备将电阻连接 在d ) 数据线上接了一个1 5 ( 1 1 5 ) i “q 的上拉电阻，这个电压源的范围为 3 0 - 3 6 v 。这样在设备未连接至p c 主机的根集线器或集线器的连接端口时， d + 与d 两条信号线由于下拉电阻的关系，几乎都视为接地，但是若有一个设备 刚连接上时，由于提升电阻( 1 5 陋) 与下拉电阻( 1 5 l m ) 形成了一个分压器，因此 其中有一条数据信号线畔或d ) 的电位将被提升至电压的9 0 左右。此时，当 集线器检测到其中一条数据信号线趋近3 v ，而另外一条仍维持接地状态时就可 确定有一设备已连接上。 主机m u b 口 z 矿- - 9 0 ( 1 5 1o 带屏蔽的u s b 电缆 r l = i s k q r 2 = 1 5 k f l r f 2 9 - 4 4o rv c c r i 掣瓿 q l 设备 全速设备 图2 2 全速设备与主机的连接 ( 3 ) u s b 接口的电源管理 u s b 设备和h u b 采用2 种供电模式，即自供电( s e l f - p o w e r e d ) $ f l ：l 总线供电 ( b u s p o w e r e d ) 1 7 1 。所谓自供电，是指u s b 设备或h u b 能够自己提供电源，而无 需从v c c 上提取电流，这样做的好处是该设备在工作时功率不必受u s b 协议的 限制，可以根据自身电源能力任意提取电流；但局限性也是显而易见的，该设 备必须带有额外的电源设备，增加了体积和成本。而自线供电模式则为耗电量 小的设备提供了一种方便的连接方式，能够完全从u s b 总线的v c c 获得所需的 8 武汉理工大学硕士学位论文 电流，但是这样的设备运行时所耗的功率受到u s b 协议的限制，不能无限制的 从总线上取得电流。对于低功率设备，最高只能从上行端口获得1 0 0 m a 的电流； 对于大功率设备，最高只能从上行端口获得5 0 0 m a 的电流l l 引。 u s b 供电的工作状态也被分为两种，即正常工作( n o r m a l ) 状态和挂起 ( s u s p e n d ) 状态。如果总线供电设备在3 m s 内没有总线操作，即u s b 总线处于空 闲状态的话，该设备就需要自动进入挂起状态。这时从总线上提取的电流必须 小于5 0 0 u a 。实际上，5 0 0 u a 的电流中包括了h u b 和主机端1 5 k f l 的终端匹配 电阻的电流，这个值通常为2 2 0 u a 。因此，对于总线供电的设备而言，在进入挂 起状态后，总的电流功耗不超过2 8 0 u a 。由此可见，这个设备的功耗是非常低的。 这便是u s b 低功耗的一个非常重要的特点 1 9 1 。 在设备进入挂起状态后，可以通过唤醒( r e s u m e ) 操作来恢复到正常工作状 态。唤醒操作既可由主机发送唤醒或复位信号来触发，也可以由设备自行通过 远程唤醒来实现。处于挂起状态的设备通过发送信号给主机，使得主机恢复处 理其u s b 事务。 2 1 4u s b 的编码方式 u s b 采用了n r z i ( n o nr e u l t l lt oz e r oi n v e r t ，不归零就反向) 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 “1 一时不转换，为“0 时再作转换刚。如下图2 - 3 所示，显示了n r z i 编码的 具体过程。 黼列司：h ：h ： ：p n r z i 图2 3n r z i 编码 但这样的编码方式会遇到一个很严重的问题，若有重复相同的。1 刀信号一 直进入时，就会造成数据长时间无法转换，逐渐累积，而导致“塞车一的状况， 使得读取的时序就会发生严重的错误。因此，在n r z i 编码之间，还需执行所谓 的位填塞c o i t s t u m n g ) 工作。若是原始的串行数据中含有连续的6 个“l 位，就 9 武汉理工大学硕士学位论文 需执行“位填塞 工作【2 1 1 。 2 2u s b 通信协议 要对u s b 传输有个清楚的了解首先必须要了解两个基本概念：端点和管道。 ( 1 ) 端点 所有的传输都是传送到设备端点，或是从设备端点发出。端点其实就是一 个能够储存多个字节的缓存器。在u s b 规范中，端点被定义为“u s b 设备中唯 一可寻址部分，是主机与设备之间通信流的来源或去向。一 每个端点所需的唯一地址是由端点编号和方向组成的。编号范围可以是 o 1 5 ，方向则基于主机的角度：烈表示朝向主机，o u t 表示远离主机。配置为 执行控制传输的端点必须在两个方向上都能传输数据。所以控制端点实际上包 含一对共享一个端点编号的玳和o u t 端点。 每个设备都必须将端点o 配置为控制端点。其他传输类型则仅以一个方向 发送数据。一个单一的端点编号既可以支持玳端点地址，也可以支持o u t 端 点地址。除了端点0 外，中速设备还可以再增加3 0 个端点( 1 1 5 ，每个都既支持 烈，又支持o u t ) 。低速设备仅限于再增加2 个端点，采取任何方向组合。 端点的特性，主要包括数据传输方式( 用于事务的端点、o u t 事务的端 点和s e t u p 事务的端点等) 、总线访问频率、带宽、端点号( 由u s b 接口芯片定 义) 和数据包最大容量等。除了端点0 ( 用作控制传输端点，默认) 外，端点必须在 设备被主机配置后才能使用 2 2 1 。 ( 2 ) 管道 管道( p i p e ) ，并不像端点那样具有实在的意义。它只是一种逻辑上的概念， 它是指主机与设备端点之间的连接【2 3 1 。管道就是数据传输的通道，代表了主机 的数据缓冲区与设备端点之间交换数据的能力。设备被配置后，端点就可以使 用了，因此管道也就存在了。每个设备都拥有一个使用端点0 的默认控制管道 ( d e f a u l tc o n t r o lp i p e ) 。 u s b 规范根据信息是单向传输还是双向传输，将管道定义为流管道和消息 管道。控制传输是唯一使用双向消息管道的传输，其他的传输则是使用单向的 流管道。 在消息管道中，每一个传输都以一个包含请求的设置事务开始。要完成这 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 个传输，主机与设备可能交换数据和状态信息，或是设备只传送状态信息。如 果设备支持某个请求，它会执行该请求的动作。如果设备不支持该请求，它会 用一个表示不支持的码来响应。u s b 规范并没有定义流管道的数据格式，设备 只是接收传来的数据，主机的软件或是设备的固件再做适当的处理1 2 4 】。 此外，还有一种特殊的管道控制管道，为了与端点0 的特殊性配合，因 而这里单独提出来。所以设备必须支持端点o 以构筑控制管道。通过控制管道， 主机可以获得描述u s b 设备的完整信息，包括设备类型、电源管理、配置及端 点描述等【2 5 1 。作为u s b 即插即用的典型体现，只要设备连接到主机上，端点就 可以被访问，即与之相应的管道也就存在了。 2 2 1u s b 数据通信结构概述 如下图2 - 4 所示为p c 机与设备执行通信协议的传输格式。由图可以看出， 一个通信协议所需包含的各种封包与各类型字段。 画 图2 - 4p c 主机与设备执行通信协议示意图 由此可见，要了解完整的u s b 通信协议就必须从数据域谈起。通过由下而 上，从简单到复杂的通信协议单位来组合成各种复杂的通信协议，进而构建出 完整的通信协议。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 数据域 ( 1 ) 同步序列域( s y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e ，s y n c ) ，简称同步域 s y n c 字段由8 位组成，代表一个包的开始。顾名思义，它是用来产生同步 作用的，将会起始p l l ，因此，它的数值固定为0 0 0 0 0 0 0 1 。它位于每一个包的 开始。 ( 2 ) 封包标识数据域( p a c k e ti d e n t i f i e r ，p i d ) ，简称标识域 p i d 字段紧随在s y n c 字段后面，用来表示数据封包的类型。p i d 字段是由 一个4 位的标识符栏以及一个与之互为补码的检查栏组成的。下表2 - 2 中，列出 了封包的四种类型。而这四种类型可由p i d 0 ：i 两个位来定义。此外，每一种的 封包类型中，还可通过p i d 2 ：3 两个位来定义出不同的封包格式。 表2 2 各种封包的类型与规范 封包类型p i d 名称 p i d 3 ：0 l 意义 令牌 o u to l 起始一个传送到设备且内含主机地址与端点值 令牌 i n1 0 0 1 起始一个传送到主机且内含设备地址与端点值 s o f s o f 0 1 0 1 帧的起始标记与帧码 令牌 s e t u p1 1 0 1设置控制端点，并起始一个传送至设备且内含主机地址与端点值 数据 d a t a 01 l 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 k1 0 接收器收到无错误的数据封包 握手n a k1 0 1 0接收器无法接收数据或发射器无法送出数据 握手 s t a l l l l l 0 端点产生停滞的状况 特殊p r e l l 使能下游端口的u s b 总线的数据传输切换到低速设备 由于同步域主要由硬件来处理，因此，标识域就是u s b 软件机制最先收到 并处理的包的内容。u s b 主机和设备都要首先对接收到的标识域进行解码。如 果出现错误或是标识域指明的类型或