（通信与信息系统专业论文）基于usb20和dsp的数据采集处理系统.pdf

硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 摘要 现代数据采集技术发展迅速，各种基于i s a 、p c i 等总线的数据采集系统已经相 当成熟，但这些采集系统存在安装麻烦、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制、 可扩展性差等缺陷。u s b 总线是1 9 9 5 年i n t e l 、n e c 、m i c r o s o f t 、i b m 等公司为解决 传统总线的不足而推出的一种新型串行通信标准。为了适应高速传输的需要，2 0 0 4 年4 月，这些公司在原来1 1 协议的基础上制定了u s b 2 0 传输协议，使传输速度达 到了4 8 0 m b s 。该总线具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数 据采集传输的发展趋势。 随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一 门关键的科学技术。而数字信号处理器( d s p ) 芯片的出现则为数字信号处理算法的 实现提供了可能。d s p 芯片是具有特殊结构的微处理器，专门为快速实现各种信号处 理算法而设计。 基于u s b 2 0 和d s p 技术，本文设计了一套高速数据采集处理系统。详细讨论了 u s b 协议及其各功能模块的设计。硬件部分包括输入通道模块、采集处理模块和计算 机接口模块；系统的软件设计主要包括固件程序、驱动程序和主机端应用程序设计。 其硬件系统以d s p 为核心处理器，通过a d 转换，将采集的数据传送给d s p 进行数据 处理，并将处理后的数据经过u s b 接口传送到上位机。 关键词：通用串行总线，数字信号处理器，固件，w d m 设备驱动， 数据采集，数据处理 硕士论文 基于u s b 2 0 和d s f 的数据采集处理系统 a b s t r a c t n 砖d e v e l o p m e n to fm o d e r nd a t aa c q u i s i t i o nt e a c h n o l o g yi sv e r yq u i c k , m a n yd a t a a c q u - i s i t i o ns y s t e m sw h i c ha d o p ti s ao rp c it e c h n i q u ea r eq u i t em a t u r e ，b u tt l l e yh a v es o m e d e f e c t ss u c ha sc o m p l e x ，e x p e n s i v e ，u n e x p a n d e d ，e l e c t r o m a g n e t i s md i s t u r be t c u s bb u si sa n e wk i n d o fs e i a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dw h i c hi sp r o v i d e db yi n t e l 、n e c 、 m i c r o s o f t 、i b me t c t os o l v et h ed e f e c to ft r a d i t i o n a lb u si n1 9 9 5 i no r d e ri oa d a p tt h e h i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n , t h e s ec o m p a n i e se s t a b l i s ht h eu s b 2 0t r a n s m i s s i o np r o t o c o li n a p r i l2 0 0 4 ，w h i c hi sb a s e do nt h eu s b1 1 ，i tm a k e si t ss p e e d t or e a c h4 8 0 m b s t h eb u sh a s s o m ev i r t u e ss u c ha sc o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o n , h i 曲b a n d w i d t h , e a s i l ye x p a n d e da n ds oo n , s oi t h a sb e e nb p 圮o m ea d e v e l o p i n gt r e n do f m o d e md a t aa c q u i s i t i o nt r a n s m i s s i o ng r a d u a l l y w 池t h eh i 曲s p e e dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d i g i t a l s i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g yh a sb e e nav e r yk e ys c i e n c eg r a d u a l l y t h ea p p e a r a n c eo fd s p p r o v i d e sap o s s i b i l i t yf o rr e a l i z a t i o no ft h ed i g i t a ls i g n a lp m c e s sa r i t h m a t i c a n dd s p ，t h i s k i n do f c h i ph a v i n gas p e c i a la r c h i t e c t u r ef o rf f t a r i t h m a t i c ，h e l p su st op r o c e s ss o m ed i g i t a l s i g n a l s b a s e do nu s b 2 0a n dd s p t e c h n o l o g i e s , t h ep a p e rd e s i g n sah i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gs y s t e m i td i s c u s s e su s bp r o t o c o la n de a c hf u n c t i o nm o d u l ed e t a i l e d t h e h a r d - w a r ec o n s i s t so fi n p u tp a s s a g em o d u l e ，a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l ea n dc o m p u t e r i n t e r f a c em o d u l e t h es o f e w a r ed e s i g no ft h es y e t e mi sc o m p o s e do ft h ef i r e w a r e ，t h ed e v i c e d r i v e ra n dt h eh o s ta p p l i c a t i o np r o g r a m t h eh a r d w a r es y s t e mp i c k sd s pa st h ec o r e p r o c e s s o r t h r o u g ha dc o n v e r s i o n , t h ec o l l e c t e dd a t a a r cp a s s e dt ot h ed s pf o rf a r t h e r m a t h e m a t i ct 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 b i n t e r f a c e k e yw o r d s ：u s b ( u n i v e r s a l s e r i e s b u s ) ，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ， f i r e w a r e ，w d m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g 声明 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，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历 而使用过的资料。与我一起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：壑叁一年臼碉 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：垄叁 年石月矿日 | 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 l 绪论 1 1 研究背景 数据采集卡是中低端数据采集系统设计的必选产品，目前各专业测控公司生产的 主要是基于i s a ，p c i 的插卡式数据采集卡。这些数据采集设备存在着以下缺陷：安装麻 烦：价格昂贵：受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差：在一些电磁干扰 性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。而现代工业生产 和科学研究的发展要求数据采集卡具有更好的信号采集、处理能力，传统的c p u 已经不 能满足这一要求。针对以上问题，本文将论述一种基于u s b 和d s p 的数据采集解决方案， 并重点介绍作为u s b 外设的数据采集卡的开发步骤。 数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是在模拟信号转换成数字信号 以后进行高速实时处理的专用处理器。它的突出特色包括哈佛( h a r v a r d ) 结构，流水线 操作，独立硬件乘法器，零开销循环等。d s p 具有快速的运算速度和强大的数据处理能 力，特别适合于数字信号处理场合，因而将d s p 应用于数据采集系统能够满足采集卡对 数据处理速度的要求。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 技术是自1 9 8 0 年串口和并口技术出现以来，最重要 的计算机外设互联标准之一，它追求的是外设的通用性。为了把外围设备连接至i j p c 机 上，u s b 提供了一种低成本的解决方案，设备连接后e h l s b 自动检测，并且由软件自动 配置，完成后即可使用，不需要用户干涉。u s b 定义了一种简单的连接器，它可以用来 连接任何一个u s b 设备，多个连接器可以通过u s b 集线器连接。每个u s b 总线支持1 2 7 个 设备的连接，u s b 支持三种设备传输速率：1 5 m b p s 、1 2 m b p s 和4 8 0 m b p s 传输速率。外围 设备能够直接通过总线供电，u s b 总线提供最大5 v 电压，5 0 0 m a 的电流。u s b 设备不像i s a ， e i s a ，p c i 设备，它不需要内存和i o 地址空间，也不需要中断请求线路。u s b 事务处理 包括错误检测机制，该机制用以确保数据无错误发送。若发生错误，事务可以重来。 如果连续3 m s 没有总线活动，u s b 就会自动进入挂起状态，处于此状态时设备消耗电流 不超过5 0 0 u a 。u s b 还定义了4 种不同的传输类型来满足不同设备的需求。总之，u s b 外 设具有热插拔、即插即用、易扩展、高性能和价格低廉等优点【1 2 ”l 。 1 2u s b 的前景展望 随着u s b 2 o 版本的发布，u s b 越来越流行，它已经成为一个标准接口。目前市场上 出售的所有p c 机都百分百支持u s b ，而且很多外设只推出t u s b 版本，如移动硬盘和电 子盘等。可以预见，u s b 的应用肯定会越来越广泛，其传输速率也会越来越高。 在u s b 夕f 设普及后，目前纠缠在p c 机箱后面的各种各样的连接线将有所改观，大多 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 数老式接口将被淘汰，如i s a 接口、p s 2 接口、串并行接口等。取而代之的是各种u s b 接口。可以预见，将来一台p c 机使用三五个u s b 外设的情形是可以想象的，因此在p c 机 箱上提供多个u s b 接口也是发展趋势。 1 3 国内外研究动向 随着微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为高速数据采集 系统的应用开拓了广阔的前景，也对高速数据采集技术的发展产生了深刻的影响。高 速数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性 能。 ( 2 ) 高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系 统的广泛应用。 ( 3 ) 与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领 域的应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。 ( 4 ) 分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。 基于u s b 2 o 和d s p 的高速数据采集处理系统正是在这样的趋势下应运而生。在u s b 接口芯片部分，各大硬件厂商纷纷推出了自己基于u s b 2 o 协议的芯片，其中以p h i l i p s 公司i s p l 5 8 1 及c y p r e s s 公司的e z u s b f x 2 系列最为普遍，而c y p r e s s 公司e z u s b f x 2 系列 的芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 以其丰富的功能、较高的性价比、完善的开发环境成为众多开发者理 想的开发平台，也为基于u s b 2 o 的数据采集系统提供了更为广阔的应用前景。 1 4 研究任务 本文将论述一种u s b 、d s p 数据采集系统的研发过程，详细介绍u s b 设备的硬件和 软件开发的技术细节，从而使开发者可以迅速熟悉和开发基于u s b 、d s p 的数据采集系 统，同时帮助他们尽快掌握u s b 设备的特点，以及硬件电路设计和软件编程中的注意事 项。各章节的安排如下： 第一章简要介绍了本论文的内容、意义和各章节安排。 第二章简要介绍了u s b 体系，使读者了解u s b 协议。 第三章介绍了u s b 、d s p 数据采集卡的硬件设计方案。 第四章介绍了数据采集卡的软件构成。包括u s b 应用系统软件、固件程序设计以及 在w i n d o w sx p 环境下u s b 内核驱动程序的开发。 第五章总结全文。 2 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 2u s b 系统概述 通用串行总线u s b 是一种新兴的并逐渐取代其他接口标准的数据通信标准，最早 是由c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等多家公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出的，其目的是用 u s b 来取代p c 现有的各种外围接口，使外围设备的连接具有单一化、即插即用、热插 拔等特点。它的出现大大简化了p c 机和外设的连接过程，使p c 机接口的扩展变得更 加容易。现在，u s b 支持3 种传输速率：低速( 1 5 m b s ) 、全速( 1 2m b s ) 和高速( 4 8 0 m b s ) ，4 种传输类型：块传输、同步传输、中断传输和控制传输。即u s b 应用起来灵 活方便，能够满足多种外设的需要。所以，研究u s b 具有一定的意义。 2 1 总线构成睁8 】 u s b 总线可分为3 大部分描述： ( 1 ) 主机和设备：这是u s b 系统中的主要构件。 ( 2 ) 物理构成：u s b 元件是如何连接的。 ( 3 ) 逻辑构成：不同u s b 元件的角色和责任，以及从主机和设备的角度出发，u s b 所呈 现的结构。 2 1 iu s b 主机 u s b 主机是u s b 中唯一的一个用于协调工作的实体。任何u s b 系统中都只有一个主 机。u s b 主机的逻辑构成包括：u s b 主控制器( u s b 和主机系统的接口) 、u s b 整体系统软件 ( u s b 驱动程序，主控制器驱动程序和主机软件) 以及客户软件三部分。主机受u s b 系统 软件控制，负责与u s b 设备通信，管理电源，检测错误。u s b 系统软件通常由主板制造 商提供，它为u s b 客户软件和u s b 设备提供一个标准的服务接口，把来自于u s b 主机控制 器的信息传送到客户软件，或把客户软件需要发送的数据信息送到u s b 设备。u s b 客户 软件主要用于实现与具体的u s b 设备进行数据交流。它解释收到的数据类型，并向u s b 设备发出相关的控制命令或数据。u s b 主机内还嵌入了根集线器，用来提供u s b 连接点。 因此，在u s b 系统软件和u s b 客户软件的控制下，u s b 主机可通过主机控制器与根集线器 所连的u s b 设备进行交互。 2 1 2u s b 设备 u s b 物理设备向主机提供了附加的功能，虽然这些u s b 设备所提供的功能差异很大， 但所有的u s b 逻辑设备都具有相同的接入主机的基本接口，所以主机能够通过相同的方 式管理不同的u s b 设备中与u s b 有关的问题。u s b 设备可分为功能部件和集线器( h u b ) 两 大类。 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 功能部件是指带有u s b 接口的外部设备。每个功能部件中都有描述其性能和所需资 源的配置信息，使用前u s b 主机根据信息完成对它的配置。常见的功能部件包括u s b 扫 描仪、u s b 调制解调器以及u s b 键盘、鼠标和游戏杆等。 集线器是一种用来提供扩展端口的特殊的u s b 设备。它有上行端口和下行端口，下 行端口可接u s b 设备也可接u s bh u b 。集线器可检测每个下行端口的设备的安装和拆卸， 区分高速设备和低速设备，而且还能给设备分配能源。 2 1 2 1u s b 设备检测 在应用程序能够和设备通信之前，主机必须了解该设备的设置与能力，并且指定 给设备一个驱动程序，检测设备就是主机与设备的最初的数据交换过程，其包括： 指定设备的地址 从设备内读取数据结构 指定与加载一个设备驱动程序 从接收的数据选项中选择一个适当的设置 2 l2 2u s b 设备状态 根据u s b 设备所实现的功能，它可包含若干种状态，有的状态是外部可见的，有的 状态只适用于设备内部，我们只讨论对于u s b 和主机来说可见的设备状态，表2 1 1 描 述了u s b 设备的各个状态。 表2 1 iu s b 设备状态表 连接加电缺省地址配置挂起实际状态 否 设备没有连接到u s b 上 是否 设备连接n u s b 上，但没有上电 是是否 设备连接n c s b 上且已经上电，但没有 复位 设备连接到u s b 上，且已经上电和复 是是是否使，但没有分配惟一的地址，设备用 缺省地址0 响应 设备连接到u s b 上，已经上电和复位， 是是 是是 否 且分配了惟一的地址。设备没有配置 设备连接到u s b 上，已经上电和和复 是是是是是否位，有惟一的地址，配置完成，主机 可以使用设备提供的功能 是是是是是是同上，但由丁= 设备已挂起，主机不能 使用设备的功能 ( 1 ) 连接状态：u s b 设备已经连接在主机或集线器的下行端口上，但u s b 总线的v b u s 还没有提供。 4 硕士论文 基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 ( 2 ) 上电状态：u s b 设备已经连接至某集线器的下行端口，且已得至u u s b 总线的电源 v b u s ，但它还没有被复位。 ( 3 ) 缺省状态：u s b 设备会响应集线器下行端口发出的复位信号，并进行复位操作。 ( 4 ) 地址状态：u s b 设备复位后，主机为其分配一个惟一的设备地址，但还没有被 配置。 ( 5 ) 配置状态：u s b 设备在使用前必须被配置，也就是正确处理主机发出的s e t c o n - f i g u r a t i o n ( x ) ( 6 ) 挂起状态：为节省u s b 系统的功率消耗，当u s b 设备在3 m s 没有检测到总线活动 时，将自动进入挂起状态。 2 1 2 3u s b 设备描述符 u s b 采用设备构架的概念来描述一个u s b 设备，它把u s b 设备看成是一个配置、接口 和端点的集合，并通过描述符来反映它们的属性。表2 1 2 列出了描述符和它们的类型 值。 表2 i 2 标准u s b 描述符的类型值 描述符的类型值描述符的类型 值 设备描述符 1 喘点描述符 5 配置描述符 2 设备限定描述符6 字符串描述符 3 其他速率配置描述符 7 接口描述符 4 ( 1 ) 设备描述符：其给出了u s b 设备的一般信息，包括对设备及所有设备配置起 全程作用的信息。一个u s b 设备只能有一个设备描述符。 ( 2 ) 配置描述符：u s b 设备的一个配置可包含一个或多个接口，且每个接口都可 以相互独立地工作，此描述符给出了一个配置下的接口数。所有的u s b 设备都要至少支 持一个配置描述符。 ( 3 ) 字符串描述符：其是可有可无的，用丁保存一些文本信息，如供应商名称、 产品序列号等。 ( 4 ) 接口描述符：u s b 设备的接口是一个端点的集合，它负责完成该设备的特定 功能。接口可以包含一个或多个可替换设置，它们能够在u s b 设备处于配置状态时，改 变当前接口所含端点的个数和特性。此描述符用于指出u s b 设备中各个接口的特性，如 接口所含端点的个数、其所属的设备类及子类等。 ( 5 ) 端点描述符：此描述符被主机用来决定每个端点的带宽需求，指出u s b 设备 端点的特性，如其所支持的传输类型、传输方向等信息。 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 ( 6 ) 设备限定描述符：若高速u s b 不仅采用高速传输，而且需要采用全速传输， 那么它必须支持设备限定描述符，以指出另一传输速率下该设备的总体信息。此描述 符只适用于高速u s b 设备。 ( 7 ) 其他速率配置描述符：若高速u s b 不仅采用高速传输，而且需要采用全速传 输，那么它必须支持其他速率配置描述符，以指出另一传输速率下该设备的配置信息。 此描述符亦只适用于高速u s b 设备。 2 1 2 4u s b 设备的请求 u s b 设备应通过缺省控制管道响应来自主机的请求命令。这些请求是通过使用控制 传输来完成的，请求及请求的参数通过s e t u p 包发向设备，由主机负责设置s e t u p 包内 的每个域的值。这里主要讲述所有u s b 设备都支持的标准设备请求。不管设备是否分配 了非o 地址或是否经过了配置，它们都应当对标准请求产生响应。 ( 1 ) 清除特性( c l e a r f e a t u r e ) 这个请求用于清除或禁止设备、接口或端点的某些特性。现在只用于设备和端点 两种特性选择符，还没有用于接口的特性选择符。此请求只在u s b 设备处于地址状态和 配置状态时有效。 ( 2 ) 取得配置( g e t c o n f i g u r a t i o n ) 此请求用于主机读取u s b 设备当前的配置值。如果返回0 值，表明设备未配置。 ( 3 ) 取得描述符( g e t d e s c r i p t o r ) 此请求返回设备定义的描述符，它包括三种描述符，分别为设备、配置及字符串 描述符。所有的设备必须提供一个设备描述符，并且至少提供一个配置描述符。如果 一个设备不支持一个描述符的请求，则返回请求错误。 ( 4 ) 取得接口设置( g e t i n t e r f a c e ) 当设备的配置支持多个接口时，主机通过该请求要求设备返回当前的接口号。 ( 5 ) 取得状态( g e t s t a t u s ) 请求接收者返回其状态信息。接收者可以是设备、接口或端点，三者返回的状态 信息不同。对于设备请求，定义了两位，其它位预留，第0 位是自供电字段，为0 时， 是总线供电，为l 时则是自供电。第l 位是远程唤醒字段，远程唤醒指的是一个处在挂 起状态的设备通知主机它要重新激活，该位为0 ，设备发送远程唤醒信号的能力被禁止， 设置为l 时，该能力被激活。对于接口请求，所有位均预留。对于端点请求，只定义了 第0 位，该位为l 时，说明该端点当前被禁止，否则为复位。 ( 6 ) 设置地址( s e t a d d r e s s ) 这个请求为设备设置设备地址。主机在w v a l u e 域中给出为设备统一分配的u s b 设备 地址，地址值是i 至u 1 2 7 之间的一个值。u s b 总线上的所有设备，包括根集线器都有一个 6 硕士论文 基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 唯一地址。 ( 7 ) 设置配置( s e t c o n f i g u r a t i o n ) 此请求用于主机为设备选择一个配置值。在w v a l u e 域中给出了配置的值。该值必 须为零或者和配置描述符的一个配置数值相匹配。 ( 8 ) 设置描述符( s e t d e s c r i p t o r ) 此请求用于更新或添加新的描述符，w v a l u e 域的高字节指出了描述符的类型，低 字节指出了描述符索引。如果设备不支持该请求，则设备返回一个请求错误。 ( 9 ) 设置特性( s e t f e a t u r e ) 此请求被用来设置或使一个特性生效。w v a l u e 域中的特性选择符必须跟接收者相 配。如果s e t f e a t u r e 指的是一个不存在的接口或端点，设备返回一个请求错误。 ( 1 0 ) 设置接口( s e t i n t e r f a c e ) 此请求让主机为指定的接口选择一个替代设置。如果u s b 设备接口配置中有不同的 设置，此请求让主机选择所要的设置。如果设备的接口只支持缺省状态，在状态交换 阶段设备返回s t a l l 。如果所指接口或设置不存在，设备返回请求错误。 ( 1 1 ) 同步帧( s y n c h f r a m e ) 此请求用来设置或汇报一个端点的同步帧。 2 1 3u s b 的物理拓扑结构 u s b 总线上的设备以星形的拓扑结构实现与主机的物理连接，接入点由集线器提 供。主机中包含了一个根集线器，通过此集线器，主机可以提供一个或多个接入点。 图2 1 1 表示了u s b 的物理拓扑结构。 图2 1 1u s b 总线的物理拓扑结构 7 硕士论文 基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 2 1 4u s b 的逻辑拓扑结构 u s b 设备虽然是以星形拓扑结构与主机相连，但主机与每个设备之间的通信逻辑上 却是一对一的，如图2 1 2 所示。集线器也是一个逻辑设备，当拔下集线器后，从逻辑 图来讲，所有与集线器相连的设备也都从主机移出。 图2 l2u s b 总线逻辑拓扑结构 2 2 物理连接和电气特性【1 3 】 图2 2 1u s b 的电缆 有两种类型的u s b 连接器：一种用来连接下游设备，如p c 机后面的根集线器；另一种 用来连接上游的h u b 或功能部件。上行连接器和下行连接器不可简单互换，所有设备都 有一个上行的连接。u s b 电缆中有四根导线：一对双绞数据线d + ，d 一，一对符合标准的 电源线v b u s 和g n d ，如图2 2 1 所示。 u s b 主机、u s bh u b 支持i 5 m b p s 、1 2 m b p s 和4 8 0 m b p s - - - 种数据传输率。而u s b 功能部 件只支持其中一种传输模式，因而为了区分不同的传输模式，高速设备、全速设备和 低速设备的总线连接是有区别的。 u s b 采用在d + 或d 一线上增加上拉电阻的方法来识别低速和全速设备，如图2 2 2 ， 图2 2 3 所示：电缆的下行端的电阻r p u 在两图中的连接位置是不同的。正因为这样，u s b 系统才可以根据总线d + ，d _ 上的电平来判定u s b 设备的类型和连接状态。 8 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 图2 2 2 全速u s b 设备电缆和电阻的连接 图2 2 3 低速u s b 设备电缆和电阻的连接 高速设备在连接起始时需以全速速率与主机进行通信，以完成其配置操作，这 时需要在d + 线上连接1 5 k q 的电阻r p u 至3 o v 一3 6 v 的电压。当高速设备正常工作 时，如果采用高速传输的话，d + 线不可上拉：但如果仍采用全速传输，则在d + 线上 必须使用上拉电阻r p u 。所以，为识别高速u s b 设备，需要在上拉电阻r p u 和d + 线 上之间连接一个由软件控制的开关，如图2 2 4 所示。 v c c ：3 0 3 6 v、 图2 2 4 高速u s b 设备电缆和电阻的连接 2 2 1u s b 电源 在u s b 系统中，所有的集线器端口都可为和其相连的u s b 设备提供电源，且每个 端口的最大输出电流一般为l o o m a 或5 0 0 m a 。u s b 设备可以使用总线提供的电源。也可 9 硕士论文 基于u s b 2 0 和d s p 的数据采囊处理系统 以使用单独的本地电源。 2 2 1 1 电源分配 根据u s b 设备消耗电流量的不同，可以将其分为低功率设备和高功率设备。其中， 低功率设备消耗的总线电流不超过l o o m a 或s o o m a ；高功率设备消耗的总线电流大于 l o o m a ，但不超过5 0 0 m a 。所有的u s b 设备在被配置前都工作在低功率模式下，只有在 配置完毕后，它们才可以得到自己所需的电源供应。根据采用的电源形式和所消耗的 总线电流的不同，u s b 设备可分为根集线器、总线供电集线器、自供电集线器、低功率 总线供电u s b 功能单元、高功率总线供电u s b 功能单元和自供电u s b 功能单元等几类。 2 2 1 2 电源管理 u s b 主机中含有一个独立的电源管理系统，和u s b 系统软件共同控制着诸如挂起、 恢复等u s b 电源时间。u s b 设备也具有一定的电源管理能力，以响应u s b 系统软件发出 的电源操作。 2 3u s b 事务处理嘲j u s b 事务处理是主机与u s b 设备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，如s e t u p 包、a c k 包等。根据所含信息包的种类，可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。其各个阶段的功能如下： ( 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。 所有的事物都必须以令牌包开始，有些事务处理可以不包含数据包和握手包。 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，包含有进行u s b 通信所需的全部信息， 由一系列字段组成。当数据在u s b 总线上实际传输时，首先是数据的最低有效位( l s b ) ， 然后是下一最低有效位，最后是最高有效位( m s b ) 。 l 同步字段( s y n c ) 在u s b 系统中，主机和设备不是共享一个时钟的，这使得接收方没有办法知道发 送方何时发送数据。尽管能检测到总线从空闲到k 状态的一个跳变( s o p ) ，但这个跳 变还不足以确保发送方和接收方在传输信息包的过程中能保持同步。要保持同步，所 有的信息包都必须以一个同步字段开始。 2 包标识字段( p i d ) 1 0 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 在u s b 信息包中，包标识字段紧跟在同步字段之后，并指明信息包的类型、格式 和所采用的差错控制机制。 3 地址字段( a d d r ) 地址字段用于指定u s b 系统中的一个u s b 设备，地址零被用作缺省地址，不能被 分配给u s b 设备。在设备配置过程中，主机会为其分配一个唯一的设备地址。 4 端点字段( e n d p ) 端点字段用于指定u s b 设备中的一个端点，全速高速设备最多可含有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，以 完成与主机间的配置通信。 5 帧号字段 帧号字段用于指出当前的帧号，它仅在每帧小帧开始的s o f 令牌包中被发送，每 传输l 帧，主机就将其内容加1 当达到最大值7 f f h 时归零。 6 数据字段 数据字段内包含主机和u s b 设备间需要传输的数据，以字节为单位，最大长度为 1 0 2 4 字节，实际长度取决于传输的具体情况。 7c r c 字段 为了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校验 ( c r c ) ，它可以百分百识别出信息包中的一位或两位错误。 2 3 2 信息包的格式 根据信息包所实现的功能，其可分为3 种类型：令牌包、数据包和握手包。其中， 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。 2 3 2 1 令牌包 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 属于专用令牌。 ( 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，如图2 3 1 所示。这几个令牌包 都以p i d 字段开始，且都包含a d d r 字段和e n d p 字段，最后以5 位的c r c 字段结束。 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 ( l s b )( 船b ) 字段名 p i da d d r咖pc r c 5 l位数 8745 图2 3 1i n 、o u t 、s e t u p 和p i n g 令牌包的格式 i n 令牌包的p i d 定义了u s b 设备到主机的数据传输，其a d d r 字段和e n d 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u s b 设备的数据 传输，其a d d r 字段和e n d p 字段指明唯一要接受数据的端点。p i n g 令牌包的p i d 定义 了u s b 设备到主机握手信号的传输，其a d d r 字段和e n d p 字段指明唯一要发送握手包 的端点。 ( 2 ) s o f 令牌包 s o f 令牌包由p i d 字段、帧号字段和5 位c r c 字段组成，如图2 3 2 所示。 l 字段名p i d帧号字段c r c 5 l 位数 81 1 5 图2 3 2s o f 令牌包的格式 主机以每1 o o m s _ + o 0 0 0 5 m s ( 全速) 和1 2 5 u s 0 0 6 2 5 u s ( 高速) 的额定时间间 隔发出s o f 令牌包，以表示帧小帧的开始，它不需要接收方做出任何响应。 ( 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( 且其下行端口上连接有低速全速u s b 设 备) 问的通信，它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。它定义了两个令牌包：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；而c s p l i t 令牌包用于主机结束一个s p l i t 事务处理。 ( 4 ) p r e 令牌包 通过s p l i t 事务，集线器能把低速全速传输从高速传输中分离出来。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阻止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先发送一个p r e 令牌包，它表示在其之后将以低速传输 一个信息包。这时相应的集线器会激活其低速端口，并准备低速传输，而其他的u s b 设备会忽略该p r e 令牌包。 2 3 2 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，如图2 3 3 所示。 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 l 字段名p i d数据字段 c r c l 6 位数80 - 8 1 9 25 图2 3 3 数据包的格式 根据p i d 的不同，数据包可分为4 种类型：d a t a o 、d a t a i 、d a t a 2 和m d a t a 。其中， 只有d a t a o 和d a t a l 支持数据触发机制；s p l i t 事务处理需要使用d a t a o 、d a t a i 和 m d a t a ；而高速同步传输需要使用全部4 种类型的数据包。 2 3 2 3 握手包 握手包用来报告数据事务的状态，还能表示数据的成功接收、命令的接收或拒绝， 流量控制和停止条件。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 属于专用握手。 ( 1 ) a c k 握手包表示主机或u s b 设备接收到的数据包没有位填充或数据字段上的c r c 校验错误，且数据p i d 字段被正确收到。 ( 2 ) n a k 握手包表示设备不能从主机接收数据( 对于输出事务) ，或者设备没有传 输数据到主机( 对于输入事务) 。n a k 用于表示设备暂时不能传输或接收数据，但最终 还是能在主机不干预的情况下完成事务处理。主机永远不会发出n a k 。 ( 3 ) s t a l l 握手包表示u s b 设备没有能力发送或接收数据，或者不支持一个控制管 道的请求。 ( 4 ) n y e t 握手包仅适应于高速传输，它通常作为p i n g 协议的一部分由高速端点返 回。在s p l i t 事务处理中，当低速全速事务不能正确结束或集线器不能处理该s p l i t 事务时，集线器也会返回n y e t 。 ( 5 ) e r r 仅适应于高速传输，u s b 集线器用该握手包来向u s b 主机报告集线器下游 端口上的错误状态。它仅仅在s p l i t 事务处理中作为应答包使用。 2 4u s b 数据传输f 1 3 l u s b 根据u s b 设备对传输数据量的大小、传输速率的高低、需同步传输或突发传输 等的不同要求定义了4 种传输类型：控制传输、块传输、中断传输和同步传输。 2 4 i 块传输 块传输适合使用在时间不重要的传输。块传输可以传输大量的数据而不会阻塞总 线，因为它会让其他传输类型先执行，等待有可以传输的时间。使用块传输的包括从 主机传送数据给打印机，从扫描仪传送数据给主机，以及读写磁盘等。在一个闲置的 总线中，块传输是最快的传输类型。只有全速与高速设备，才可以使用块传输。 1 3 硕士论文基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集处理系统 2 4 2 中断传输 、 中断传输适用于传输少量或中量的且对服务周期有要求的数据。u s b 为中断传输保 留了总线带宽，以保证其能在规定的周期内得到服务，但其并不是使用准确的传输速 率。一般的应用包括鼠标、键盘、游戏杆以及集线器的状态报告。低速、全速和高速 设备都支持中断传输。 2 4 3 同步传输 同步传输适用于传输大量的、速率恒定的、且对服务周期有要求的数据。同步传 输保证大量数据可以尽快地通过总线，其特别适合于音频和视频类设备，如c d 播放机、 扬声器等。只有全速和高速设备可以做同步传输。 2 4 4 控制传输 控制传输适用于传输少量的、且对传输时间和传输速率均无要求、但必须保证传 输的数据。其主要用于发送和接收与u s b 设备的配置信息有关的数据，如设备地址、 配置描述符等，也可用于传输其他用途的数据。控制传输可用于低速、全速和高速设 备，且所有的u s b 设备都必须支持控制传输。 2 4 5 传输的要件 2 4 5 i 设备的端点 所有的传输都是传送到一个设备端点或者是由一个设备端点发出。在u s b 规范中， 定义设备端点是“一个u s b 设备中的唯一可寻址部分，是主机与设备间通信的来源或 目的”。u s b 设备中每个端点都有唯一的端点号，且各个端点所支持的传输方向也是确 定的：输入( i n ) 或输出( o u t ) 。除控制端点可以双向传输数据外，其他的设备端点 只能单方向传输数据。 2 4 5 2 管道 u s b 的管道并不是一个实际的对象，它是设备的端点与主机控制器的软件之间的连 接。管道是对主机和u s b 设备间通信流的抽象，它表示主机的数据缓冲区和u s b 设备 的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输由u s b 总线接口完成。 按管道中传输数据结构的不同，可将其分为流管道和消息管道。 (