（通信与信息系统专业论文）usb主机接口在机顶盒上的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 当前，伴随着u s b ( 通用串行总线) 技术在p c 领域的日益成熟，移动数据 的交换和存储成为近年来i t 行业的一个热点，u s b 既是数据交换的媒介，又是 控制数据交换的核心机制。而随着u s b 应用领域的扩展，业界迫切的期望把u s b 应用到非p c 应用领域，即嵌入式领域。因此，实现嵌入式u s b 主机( u s bh o s t ) 接口成为了当今电子世界中的热门话题。 正是在这样的背景和趋势下，本文探讨了怎样在多媒体数字机顶盒系统中， 实现嵌入式u s b 主机接口，完成机顶盒系统与u 盘大容量的，快速的数据交换， 满足机顶盒作为一种真正的多媒体平台的要求。 本文首先对数字电视原理、数字机顶盒及u s b 总线协议进行了概述，包括 u s b 总线拓扑结构，u s b 通信原理和u s b 设备与主机等几个方面，同时对当前 u s b 主机接1 ：3 设计的两种研究方法进行了对比分析：( 1 ) u s b 主机控制器4 - c p u ， ( 2 ) ( u s b 主机控制器4 - m c u ) 4 - c p u ，综合考虑两种方案之后，采用方案2 来 实现u s b 主机接口。其次，本文阐述了u s b 主机接口芯片的选型原则，选用 c y p r e s s 公司的s l s li h s 作为主机控制芯片，构建了m c u + s l 8 1 1h s 主机控 制芯片+ 双端口r a m 的实验模型，完成了系统硬件设计，并对部分芯片进行了 详细的说明；接下来，着重探讨了系统的软件设计实现，这是整个系统设计的 重点和难点。分别完成了主机控制器驱动程序，精简后的u s b 核心驱动程序， 针对本系统设备u 盘，实现了裁减后的m a s ss t o r a g e 协议，并建立了简易 的f a t 文件系统，完成后的u s b 主机系统可以实现对u 盘文件的读写操作。 最后，对设计出来的u s b 主机接口硬件电路和相应的驱动系统进行了测试 与评估，着重分析了测试的方法和测试指标以及测试的结果，各种参数都达到 了预期的设计要求。同时对整个项目研究过程中碰到的问题进行了思考，为以 后更深入的研究提出了许多建议；文章的结尾总结了全文，探讨了该主机接口 在机顶盒上相关的上层应用，并对该u s bh o s t 接口在嵌入式领域中更广泛的 应用作了展望。 关键字：数字机项盒：双端口r a m ：s l 8 1l h s ；大容量存储；文件系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a l o n gw i t ht h em a t u r a t i o no fu s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) t e c h n o l o g yi np c ，t h ee x c h a n g ea n ds t o r a g eo fm o b i l ed a t ah a sr e c e n t l yb e c o m eah o t f o c u si ni tf i e l d s u s bi st h em e d i u mo fd a t ae x c h a n g ea sw e l la s t h ek e m e l m e c h a n i s mo f d a d ae x c h a n g e a l o n gw i t ht h es p r e a do fu s b a p p l i c a t i o n ，t h ei n d u s t r y h a si n t r o d u c e du s bt ot h en o n p cf i e l d ， n a m e l ye m b e d d e ds y s t e m f i e l d t h e r e f o r e ，t h er e a l i z a t i o no fe m b e d d e du s bh o s ti n t e r f a c eh a sb e c o m eah o t t o p i ci nn o w a d a y se l e c t r o n i cw o r l d i nt h i sb a c k g r o u n da n dt r e n d s ，t h i s p a p e rd i s c u s s e do nh o wt od e s i g na n d i m p l e m e n te m b e d d e du s bh o s ti n t e r f a c eo nd i g i t a ls e t t o p b o x ，a n da c c o m p l i s ht h e m a s ss t o r a g ea n df a s td a t ae x c h a n g eb e t w e e nu d i s ka n ds e t t o p b o x ，w h i c hm e e t s t h et r u er e q u i r e m e n t sa sam u l t i m e d i ap l a t f o r m f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fd i g i t a lt v ，d i g i t a ls e tt o pb o x a n du s bb u sp r o t o c o l ，i n c l u d i n gab r i e f p r e s e n t a t i o na b o u tu s bb u st o p o l o g y ，u s b c o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e ，u s bd e v i c ea n dh o s ta n ds of o r t h ，w h il ea n a l y z i n g c o n t r a s t i v e l yt w ok i n d so fp r i m a r yr e s e a r c hm e t h o d sa b o u tt h ec u r r e n tus bh o s t i n t e r f a c ed e s i g n ：( 1 ) u s bh o s tc o n t r o l l e r + c p u ，( 2 ) ( u s bh o s tc o n t r o l l e r + m c u ) + c p u a f t e r c o n s i d e r i n gt h et w ok i n d so fs c h e m e ss y n t h e t i c a l l y , s c h e m e ( 2 ) w a s a d o p t e dt oi m p l e m e n to u ru s bh o s ti n t e r f a c e s e c o n d l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m e p r i n c i p l e sa b o u tt h es e l e c t i o no fu s bh o s ti n t e r f a c ec h i p ，a n ds e l e c t sc y p r e s s ，s s l 81i h st oa c ta su s bh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c ec h i pt ob u i l dt h ee x p e r i m e n tm o d e l o fm c u + s l 81 1h sh o s ti n t e r f a c e + d u a l p o r tr a ma n dc o m p l e t e st h ed e s i g no f h a r d w a r e t h e nt h i sp a p a e rm a k ei n s t r u c t i o ni nd e t a i la b o u ts o m ec h i p s f u r t h e r m o r e ， t h er e a l i z a t i o no fu s bp r o t o c o ls t a c ks o f t w a r es y s t e mw a sp r o b e di n t o ，w h i c hi st h e d i f f i c u l ta n dk e yp o i n to ft h ew h o l es y s t e md e s i g n t h es y s t e ma c t u a l i z e su s b h o s t c o n t r o l l e rd r i v e ra n du s bc o r ed r i v e rt h a ti st a i l o r e d a c c o r d i n g t ou s b s p e c i f i c a t i o n i nv i e wo ft h eud i s ke q u i p m e n t ，t h i sp a p e ra c h i e v e st h em a s ss t o r a g e p r o t o c o la f t e rr e d u c t i o na n de s t a b l i s h e sas i m p l ef a tf i l e s y s t e m ，w h i c hc a n 武汉理工大学硕士学位论文 c o m p l e t e dt or e a da n dw r i t eud i s kd o c u m e n t s f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h eu s bh o s ti n t e r f a c eh a r d w a r ec i r c u i ta n d c o r r e s p o n d i n gd r i v i n gs y s t e mt h a ta r ed e s i g n e do u t ，t h i sp a p e rc o m p l e t e st e s t i n ga n d e v a l u a t i o no ft h ee n t i r eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，w h i c hf o c u so na n a l y s i st h e t e s tm e t h o d sa n dt e s tt a r g e ta n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c er e s u l t so ft e s t s ，v a r i o u sk i n d s o fp a r a m e t e r sr e a c h e dt h e a n t i c i p a t e dd e s i g n i n gr e q u i r e m e n t a n dt h e n ，t h i n k e s c a r e f u l l ya b o u tt h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ee n t i r ep r o c e s so fp r o j e c ts t u d i e s ， m a k ean u m b e ro fr e c o m m e n d a t i o n sa b o u tt h ef u r t h e rs t u d y ；i nt h ee n d ，t h i sp a p e r d i s c u s s e so ns o m er e l e v a n tu p p e rs t r a t aa p p l i c a t i o n s ，a n dm a k e sa no u t l o o ka b o u tt h e a p p l i c a t i o no ft k su s bh o s ti n t e r f a c ei nab r o a d e rf i e l do fe m b e d d e ds y s t e m k e yw o r d s ：d i g i t a ls e t t o p - b o x ，d u a l - p o r tr a m ，s l 8 11 h s ，m a s ss t o r a g e ， f i l es y s t e m 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 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) 、 签名：垂立垄 导师签名： 日期：生鱼亨h 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着通信、计算机、信息处理技术的不断发展，美国、日本、欧洲先后都 提出了自己的数字电视标准，数字电视已经开始进入产业化阶段，得到了广泛 的应用，正在逐步取代传统的模拟电视而进入大众家庭。数字电视作为一种真 正的多媒体数字业务平台，在不久的将来，必将成为家庭信息获取，娱乐的主 要工具，成为家庭网络的终端。在这种情况下，数字电视机项盒作为数字电视 的终端接收系统，得到越来越多的应用与发展，我们在通过数字机顶盒收看高 清晰度电视节目的同时，基于机项盒的各种多媒体扩展业务正被众多的公司和 工程开发人员不断完善和丰富1 1 儿2 1 ，如在线点播、数据广播等。随着这一系列多 媒体业务的继续发展，数字电视系统对数据存储容量和交换速度的要求也越来 越高，机顶盒上传统的存储介质如f l a s h 、e e p r o m 等已经不能满足众多新的业 务需求了。因此，我们需要设法扩展外界的存储媒介，如硬盘、u 盘等。 在机项盒上扩展存储设备是可能的，有很多可供选择的实现方法。如使用 普通p c 上的硬盘就是一种不错的方法，其产品价格随着技术的不断进步已经逐 渐下降了，而硬盘的存储容量却越来越大了，同时，硬盘的接口标准已经很成 熟了，很多的c p u 都提供对硬盘的接口支持。但是，使用p c 机硬盘也有不足 之处，它必须固定在机顶盒上，不能热插拨，不方便文件的交换使用，综合考 虑存储容量和交换方便等实际需求，我们需要一种容量大、支持即插即用和热 插拔的移动存储介质，同时考虑到应用的通用性、成本、实现的技术难度等因 素，我们选用u s b 接口来实现对数字机项盒的存储空间扩展和文件交换【3 】，即 在机顶盒上实现嵌入式u s b 主机接口，实现机顶盒在脱离p c 的情况下对大容 量存储设备的访问。 1 2 国内外研究现状 u s b ( 通用串行总线) 1 4 1 是一种新兴的正被广泛使用的计算机外围串行通信 接口标准，从国外的发展情况来看，人们对u s b 技术极为关注，这从u s b 规范 武汉理工大学硕士学位论文 的改进速度和国际市场上基于u s b 产品普及程度可以看出。自1 9 9 4 年u s b l 0 公布之后，短短几年时间，u s b 总线经历了三个主要阶段：u s b l 1 、u s b 2 0 、 u s b o t g 。另外，国外利用u s b 技术开发的产品层出不穷，像u s b 存储设备， u s b 通讯设备等，最近还推出了u s b 接口的数据采集存储系统、u s bo t g 设 备等，国外市场上基于u s b 的外设己经囊括几乎所有的主流数字产品，可见国 外在u s b 实用性方面已作了很多工作，并且目前也正以很快的速度发展。由于 u s b 的各种协议标准都是由国外提出的，国内目前对u s b 系统的研究主要在实 际应用方面，例如一些以往的计算机通用外设和主流的数码电子产品中也广泛 采用u s b 技术。 作为当前热门技术的标志，到2 0 0 8 年，u s b 技术以1 8 3 的年增长率高速 发展，u s b 技术正在从全速u s b 平稳地过渡到高速u s b ，高速u s b 能够向后 支持市场上数亿低速和全速u s b 设备。 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 除能应用在p c 领域外，还能广泛应用在各种嵌入式系统中。目前，在嵌入 式领域，已经实现了诸多的基于u s b 的移动存储设备。而具备u s b 主机功能， 实现无p c 参与就可进行嵌入式系统之问的数据通信，己经成为众多使用 m p u m c u 的嵌入式应用的发展方向。将u s b 应用到嵌入式系统中的需求越来 越高，尤其是移动数据领域。然而，由于拓扑结构的原因，非p c 应用领域恰好 是u s b 的一个致命的弱点。过去大量的数以亿计的嵌入8 1 6 位单片机的嵌入式 设备，如各种仪器仪表、数据采集和显示、过程控制等设备正成为“u s b 主机” 的发展目标和对象，顺应“p c 领域”向“嵌入式领域”扩展的大潮。把u s b 协 议栈实现在各种嵌入式系统中，构建嵌入式系统中的u s b 主机功能逐渐成为了 一项基本要求p j 。 1 3 本课题的主要研究工作与预期目的 本课题研究的主要方法是在深刻理解u s b 协议的条件下，总结了当前国内 外关于嵌入式u s b 主机接口设计的方法和研究手段，提出了本系统的研究和设 计方案，在完成了系统中最重要的u s b 主机控制芯片的选型后，逐步完成了系 统的硬件和软件的实现，最后对系统性能进行了测试和评估，提出了系统测试 的方法和测试指标，给出了测试的结果，最终完成了整个u s b 主机接口的设计 工作。本课题研究的主要目的是在机顶盒上开发u s b 主机接口，通过u s b 主机 2 武汉理工大学硕士学位论文 控制芯片实现对特定子类的u s bm a s ss t o r a g e 设备一u 盘的读写功能，完成系统 与u 盘的数据交互。主要的研究工作首先是选择一个满足性能要求的，性价比 合适的u s bh o s t 控制芯片，在选择芯片之后，搭建该模块硬件电路，编写u s b 主机控制芯片的驱动程序，实现裁减后的u s b 核心驱动程序，实现m a s ss t o r g a e 类的设备驱动程序，构建精简的f a t l 6 文件系统。最后，在系统的硬软件实现 后，对系统是否满足预期目标进行了测试与评估，提出了系统的评估方法，完 成了系统的测试。 1 4 本论文的组织安排 第一章阐述了本课题的研究背景和国内外u s b 的发展与研究现状，本论文 的研究方法及预期目的和章节安排。 第二章对数字电视原理和数字机项盒作了介绍，包括数字电视标准，机顶 盒的外设接口，功能等。对u s b 总线协议进行了简要概述，包括u s b 总线拓扑 结构，u s b 数据通信原理，u s b 设备，u s b 主机等几个方面。 第三章提出u s b 主机接口研究的几种方案，并从系统性能，实现难易程度， 可扩展性等方面做了对比。对系统主机控制芯片的选型做了介绍，并给出了系 统的构成模块。 第四章详细介绍了本课题的硬件实现和软件实现的方法，绘制了电路原理 图，并完成系统软件的分层实现。 第五章给出了系统性能测试评估的方法与指标，对系统硬件和软件进行了 测试，编写了部分测试程序，并对开发过程中碰到的问题做了总结、思考。 第六章对全文做了总结，并对以后的进一步研究开发提出建议。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数字机顶盒和u s b 总线原理 2 1 数字机顶盒原理 2 1 1 数字电视概述 所谓数字电视i lj ，是从节目采集、编辑制作到信号的发送、传输和接收全部 采用数字处理的全新电视系统，它利用了先进的数字图像压缩技术、数字信号 纠错编码技术、高效的数字信号调制技术等，在处理、传输信号过程中引入的 噪波，只要幅度不超过一定的门限，都可以被清除掉；即使有误码，也可利用 纠错技术纠正过来。所以，数字电视接收的图像质量较高。数字电视采用压缩 编码技术，在只能传送一套模拟电视节目的频带内可传送多套数字电视节目， 使电视频道数迅速增多。数字电视便于开展多种数字信息服务，如数据广播、 文字广播等，数字电视容易实现加密、加扰，便于开展各类收费业务。 近十多年来，由于微电子技术、超大规模集成电路技术、数字信号处理技 术、计算机技术的突飞猛进，使数字电视的发展已取得了令人鼓舞的成果，特 别是数字图像获取、数字存储、位图打印和图形显示的数字设备的出现带来了 许多数字图像方面的应用。技术先进国家的电视演播室设备数字化已完成，数 字电视机项盒也广泛进入了大众家庭，各种数字图像编码压缩设备随多媒体技 术的发展已投入使用。国际上也相应地制定了统一的数字电视的编码压缩标准， 为数字电视的发展奠定了坚定的基础。从应用讲，数字电视的使用范围已超越 了广播娱乐界，并逐渐地扩展到文化教育、科研管理、工矿企业、公安交通、 军事宇航等各个重要部门。 目前，数字电视广播有三个相对成熟的标准制式：欧洲的d v b ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) 、美国的a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) j f l 日本的 i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 。其中，欧洲的d v b 标准出现时间 较早，发展最快，普及范围最大，目前已被欧洲、非洲、东南亚等的许多国家 和地区的众多成员采用。它包括了数字卫星电视( d v b s ) 、数字有线电视 ( d v b c ) 和数字地面广播电视( d v b t ) 三个主要标准。 在国外，美国和欧洲很早就开始了模拟电视向数字电视的转换，到目前己 4 武汉理工大学硕士学位论文 经基本达到预期目标。我国的数字电视在“十一五”计划中己被列为发展的重 点，并计划2 0 0 8 年用数字电视转播北京奥运会，2 0 1 0 年全面实现数字电视广播。 2 1 2 数字电视机顶盒简介 数字电视机顶盒是一种能够让用户在现有模拟电视机上观看数字电视节目 的电视终端接收设备，它接收各种传输介质来的数字电视节目和各种数据信息， 通过解调、解复用、解码和音视频编码( 或者通过相应的数据解析模块) ，使用户 可以在模拟电视机上观看这些节目和信息，并进行交互式数字化娱乐、教育和 商业化活动等。根据数字电视标准所定义的传输媒体的不同，数字电视机顶盒 又分为数字卫星机顶盒( d v b s ) 、地面数字电视机顶盒( d v b - - t ) 和有线数 字电视机顶盒( d v b - - c ) 三种，三种机顶盒的硬件结构主要区别在解调部分。 2 1 2 1 数字电视机顶盒的功能 数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具有广播各种 数据信息和交互式多媒体应用功能，包括： ( 1 ) 电子节目指南( e p g ) ：它为用户提供一种容易使用、界面友好、可以 快速访问想看节目的方式，用户可以通过该功能看到一个或多个频道甚至所有 频道上近期将播放的电视节目。 ( 2 ) 高速数据广播：它能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热 门网站等各种信息。 ( 3 ) 软件在线升级：它可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器按 d v b 数据广播标准将升级软件广播下来，机项盒能识别该软件的版本号，在版 本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。 ( 4 ) 因特网接入和电子邮件：数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方 便地实现因特网接入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子 邮件。同时机项盒也可以提供各种接口与p c 相连，使用p c 接入因特网。 ( 5 ) 支持交互式应用如：视频点播、互动游戏等。 ( 6 ) 有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密，数字机顶盒应具有解 扰和解密功能。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 2 数字电视机顶盒的结构 根据接收数字电视广播和数据信息的要求，一个数字电视机顶盒的硬件结 构由信号处理( 信道解码和信源解码) 、控制和外围接口几大部分组成。机项盒 的结构如图2 1 所示： 数 图2 1 机顶盒结构图 嵌入式c p u 是数字电视机顶盒的心脏，它与存储器模块用来存储和运行软 件系统，并对各个硬件模块进行控制。接口电路提供丰富的外部接口，包括通 用串行接口u s b ，以太网接口及r s 2 3 2 接口等。 在我们目前使用的数字电视机项盒中，前端的各种数字电视标准都是规范 标准化的，后端数字机顶盒硬件却因厂家的不同各有差异，运行的操作系统也 不径相同，且外围接口都是自主开发，自由设计，因此，要实现数字机顶盒与 u s b 设备的数据交互，完成各种广播数据信息的存储和交换，我们必须要自己 扩展u s b 主机接口，实现对u s b 主机协议的软件和硬件支持【6 】。 在我们使用的数字机顶盒系统中，所采用的c p u 是由l s i 公司设计的 s c 2 0 0 5 芯片，它集成了m p e g 2 解码器以及丰富的外围电路接口，如u a r t 接 口、f l a s h 接口等。除了这些特定的外围接口外，s c 2 0 0 5 还提供了扩展总线接 口e b u s ，通过对它的灵活配置，我们可以方便地扩展对多个外部设备的支 持，如u s b 接口、以太网接口等，因此，本文我们通过e b u s 连接u s b 主机接 口电路。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2u s b 总线概述 u s b 是一种查询总线，它都是由主机控制器启动在主机和各种u s b 设备之 间的数据传输。u s b 上所挂接的各种外设都通过主机调度、基于令牌的协议来 共享u s b 带宽【7 1 。 2 2 1u s b 技术的特点 u s b ，从最初的u s b l x 规范到现在的u s b 2 0 规范及其补充规范o t g ， 1 2 】 【乃j 不仅已经成为所有外设在与p c 相连时的常用标准协议，且在当前飞速发展的 嵌入式系统领域，u s b 也成为了必备接口。u s b 主要优点有以下几个方面：1 8 】 ( 1 ) u s b 的易用性 支持热插拔和即插既用，以及操作系统的自动配置。在不关闭系统的情况 下，可以安全的插上和断开设备，计算机系统可以动态的检查外设的插拔，并 动态的加载程序。 ( 2 ) 总线拓扑结构完备，易于扩展 u s b 分层的星型拓扑结构，能够支持多达1 2 7 个外设同时连接，具有很灵 活端口扩展性。 ( 3 ) 硬件结构标准化 u s b 协议规定了2 种标准的接插件：a 型和b 型。其中a 型是下行端口， b 型是上行端口。不同u s b 设备之间的硬件接口的统一，为整个u s b 拓扑结构 的实现奠定了基础，为最终用户的使用提供了便捷。 ( 4 ) 可供选择的速度模式及传输模式 u s b 支持3 种类型的传输速率：1 5 m b s 的低速传输、1 2 m b s 的全速传输 和4 8 0 m b s 的高速传输；支持4 种传输类型：批量传输、同步传输、中断传输 和控制传输，满足不同环境下系统设计的不同需求。 2 2 2u s b 总线拓扑结构 u s b 系统采用级联式星型拓扑结构，典型的u s b 总线拓扑结构如图2 2 所 示。可见，u s b 的拓扑结构由三种元素组成：主机( h o s t ) 、集线器( h u b ) 和设备 ( d e v i c e ) 。1 9 武汉理上大学硕士学位论文 图2 2u s b 拓扑结构图 u s b 主机由软件和硬件两部分组成，软件部分包括主机控制器驱动程序 ( h c d ) 和u s b 核心驱动程序( u s b d ) ，硬件部分包括u s b 控制器和一个集成的 根集线器。 集线器( h u b ) 1 10 1 是u s b 结构中的特定元素，每个集线器都具有一个上行端 口和多个下行端口。集线器的功能是负责扩展u s b 主机端口、设备的检测和电 源管理。设备是为主机系统提供某种功能的u s b 设备。例如u s b 鼠标、u s b 键盘、u 盘等。 2 2 3u s b 通信原理 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，数据包作为最基 本的完整信息单元，包含了一系列数据信息。数据包可以分解为更小的单元：域 ( f i e l d ) ；以包为基础，构成u s b 的3 种事物处理，进而组合成4 种不同的数据 传输类型：中断传输、实时传输、控制传输、批量传输。通过各种类型的数据 传输，实现u s b 的各种功能。下面分别对包，事物处理，传输类型进行逐一介 绍。 2 2 3 1 包的组成和类型 包是u s b 最基本的数据单元，包含一个完整的u s b 信息，所有数据都是经 过打包后在总线上传输的。包可分为3 类：令牌包、数据包和握手包。他们之 间的区别是由更小的单元域来区分的。域又可分为7 类：同步域( s y n c ) 、 标识域( p i d ) 、地址域( a d d r ) 、端点域( e n d p ) 、帧号域( f r a m ) 、数据域 武汉理工人学硕士学位论文 ( d a r a ) 及效验域( c r c ) 。 ( 1 ) 同步域( s y n c ) 位于每个包的最开始，代表包的起始，用于本地时 钟与输入信号的同步。同步域的数值固定为0 0 0 0 0 0 0 1 b ，最后两位表明标识域的 开始。同步域主要由硬件来处理。 ( 2 ) 标识域( p i d ) 紧跟在同步域之后，用于标识包的类型和格式，以及 检测包的错误。标识域由4 位标识符和紧跟的4 位标识符的反码组成，能够定 义1 6 种类型的包。 ( 3 ) 地址域( a d d r ) 存放设备在主机上的地址，共7 位，由主机分配给 设备，具有唯一性。其中零地址( 0 0 0 0 0 0 0 b ) 是保留的缺省地址。当任何一个 设备连接到主机时，主机都通过零地址与设备进行通信。 ( 4 ) 端点域( e n d p ) 用于标识与主机通行的端点。端点实际就是u s b 系 统中的物理数据缓冲区，设备的端点一般由u s b 接口芯片提供，每次u s b 数据 传输都是在某个特定的端点与主机之间进行。端点域由4 位二进制数组成，最 多标识1 6 个端点。u s b 协议规定，所有设备必须支持一个控制端点0 。低速设 备最多支持2 个端点( 端点0 和1 ) ，而全速设备最多可支持1 6 个端点。除端点 0 外的任何端点都能定义为输入或输出端点。 ( 5 ) 帧号域( f 洲e ) 在u s b 协议中帧是时间概念，1 帧是l m s 。帧号 域是一个1 1 位的二迸制数，表示当前的帧号，每过一帧这个域的值加l ，达到 最大值0 x 7 f f 后返回0 再循环增加。这个域存在每帧开始的s o f 令牌中。 ( 6 ) 数据域( d a t a ) 存放要传输的数据，长度为0 - - 1 0 2 4 b y t e 。在不同的 传输类型中，数据域可以长度不同，但必须是整数个字节的数据。 ( 7 ) 效验域( c r c ) 全称循环冗余效验域，包括对令牌效验和数据效验。 令牌效验是对令牌包和数据包中的地址域和端点域进行效验，采用5 位的c r c 校验法。数据效验是对数据域的效验，采用1 6 位的c r c 校验法。在多数的u s b 接口芯片中，c r c 校验都是由硬件实现的。 u s b 定义了四种类型的包：令牌包、数据包、握手包和前导包。包类型不 同，其所包含的域也不同。根据包结构的不同，令牌包细分为令牌包和帧起始 包。 令牌包包括输入包( i n ) 、输出包( o u t ) 和设置包( s e t u p ) ，由标识域 指出。帧起始包( s o f ) 帧起始包是主机以1 次m s 的速率发送的。它可以被 任何设备和h u b 接收，但不引起任何操作。对于需要帧同步的设备可能会利用 9 武汉理工大学硕士学位论文 帧号信息来定时。数据包根据p i d 的不同，分为d a t a 0 和d a t a l 两种，u s b 发 送方以d a t a 0 、d a t a i 交替的顺序发送数据包，同时接收方在接收数据的时候 检查数据包的顺序是否是d a t a 0 、d a t a l 交替的，这是u s b 协议保证数据通 信j 下确的机制之一。握手包用于报告上一个数据传输的状态，根据p i d 的不同， 握手包分为确认包a c k ( 收到正确的数据包) 、无效包n a k ( 接收端无法接收 数据或发送端无法发送数据) 和停止包s t a l l ( 端点被禁止或不支持控制管道 请求) 。各种数据包的格式可参考相关文献。1 9 1 0 i i j l 2 2 3 2 事务处理 在u s b 上数据信息的一次接收或发送的处理过程称为事务处理( t r a n s a c t i o n ) i l 。事务处理由包组成，其类型包括输k ( r n ) 事务处理、输出( o u t ) 事务处理和 设置( s e t u p ) 事务处理。 输入( 烈) 事务处理表示u s b 主机从总线上某个u s b 设备接收一个数据包的 过程；输出( o u t ) 事务处理表示u s b 主机向总线上的某个u s b 设备发送一个数 据包的过程；设置( s e t u p ) 事务处理表示u s b 主机向某个u s b 设备发送控制命 令的过程。每种事务处理一般都包括令牌包、数据包和握手包，设置事务处理 数据包中装的是主机发送给设备的控制命令，用来控制u s b 设备完成某种操作。 2 2 3 3 数据传输 u s b 数据传输由总线上的一个或多个事务处理组成，位于u s b 传输的最高 层，用来传输主机和设备之间完整意思的数据。u s b 协议提供了四种数据传输 类型：控制传输、批量传输、中断传输和实时传输【9 l 。四种不同的传输模式均是 由3 种事务来完成数据交换的，不同的是这3 种事务的组合和搭配有所差异而 已。见图2 3 所示： ( 1 ) 中断传输 中断传输适用于那些小批量的、非连续的、有一定传输周期的数据传输场 合，如u s b 鼠标、键盘等。中断传输是以错误检测和重传的机制保证u s b 主机 和设备之间的数据被正确地传送，但要定期占用总线带宽。中断传输的事务处 理过程按令牌时相、数据时相和握手时相的时间顺序完成。但进行中断传输的 管道是单向的，要进行双向传输需要一收一发两个管道。 l o 武汉理：l = 入学硕士学位论文 传输t r !二二i ”二：i ! f ： i 输入事务 i 输出事务 k 。l 设置事务 | | _ _ _ _ 一一二一l 。二f 二i 一- 一i - - 二- j 令牌包 一数据包1 l 握手包 | | - i i j 一。j 一弋一一。一一 ；标识域誓 数据域、| 校验域； 图2 3 包、域、事务和传输关系图 ( 2 ) 实时传输 实时传输适用于那些要求数据连续的、实时的、以固定数据传输率传送的 场合，如音视频播放设备。对于实时传输来说，实时性比正确性更重要，因此 需要足够多的带宽，且不进行数据错误的检测。实时传输的事务处理过程中只 有令牌时相和数据时相，没有握手时相。u s b 主机发出输入或输出令牌包后， 紧跟着是端点( 输入) 或主机( 输出) 传送的数据包。同中断传输一样，实时 传输的管道也是单向的，要进行双向通信，只能采用两个实时管道。 ( 3 ) 控制传输 控制传输是最为重要也是最复杂的传输类型，它是u s b 枚举阶段最主要的 数据交换方式。控制传输用于在设备接入时对设备的识别、配置。控制传输一 般包括设置阶段、数据阶段( 可选) 和状态阶段。在设置( s e t u p ) 阶段，u s b 主 机首先向某个u s b 设备的控制端点发送设置令牌包，后面紧跟着装有命令信息 的数据包，设备接收到数据包后必须接受数据并用a c k 握手包应答，但如果数 据损坏，则丢弃数据且不返回握手包。数据包使用d a t a o 的包标识符，数据长 度是固定的8 个字节，包含了命令的完整信息。控制传输的所有的数据阶段中 的事务处理都必须是同一个方向的。数据传输的数量和方向由设置阶段制定。 设置信息通过输出事务处理发送信息，那些获取设备状态的控制命令则通过输 入事务处理接受信息。数据发送正确时，指定的设备会返回a c k 握手包，设备 忙时返回n a k 握手包，当设备出现问题时设备返回s t a l l 握手包，当数据出 错时，设备不做任何应答。主机在完成数据阶段后，进入控制传输的状态阶段。 首先主机发出一个输入令牌包，设备接收到令牌包后，在数据时相返回一个长 度为零的数据包，主机接受到数据包后发送一个a c k 握手包。如果主机忙就返 武汉理工大学硕士学位论文 回n a k 握手包，如果主机出错就返回s t a l l 握手包。 根据不同的三个阶段就可拥有不同的令牌包，比如控制读取传输为 s e t u p i n 一 o u t ，或者控制写入传输s e t u p 一 o u t - i n ，下面的图2 4 反映了 整个控制传输的数据流程。 初始设置 蒯写曰 d 汀a 0 控制读 控制无数据 曰 d a l 。a o 曰 d a l l a 0 可选数据传输阶段 回圈圈 d 正a ld a r a 0d a t a 0 1 回回圈 d 觚a ld 盯a 0d 正a 0 1 图2 4 控制传输数据发送顺序 状态信息 回 d a t a l 回 d a t a i 回 d p d a l ( 4 ) 批量传输 批量传输适用于那些大量的、非实时数据传输的场合。如移动硬盘、打印 机等。u s b 主机在总线带宽空闲时将剩余带宽分配给批量传输，并以差错检测 和出错重传保证数据无差错地传输，没有固定地传输速率。只有全速和高速设 备才支持批量传输，全速数据包大小为8 、1 6 、3 2 或6 4 字节，高速数据包固定 5 1 2 字节，数据的传输过程采用d a t a 0 和d a t a i 数据切换来进行。批量传输的 事务处理的过程是按令牌时相、数据时相和握手时相的时间顺序完成的。根据 传输方向的不同，可分为输入( i n ) 和输出( o u t ) 两种类型。图2 5 为批量传输的 数据过程： 批量写 批量读 圈回圈 d 钔r ald 町。a od a l o l 回圈圈 d 芦j al d 盯a od u 、a 0 i 图2 5 为批量传输的数据过程 在机顶盒的u s b 主机接口系统中，我们存储数据采用的媒介是通用的u 盘， 武汉理：1 ：大学硕士学位论文 u 盘属于大容量存储设备，设备枚举是控制传输方式，数据的传输是批量传输， 因此认真研究批量传输和控制传输十分关键。 2 2 4u s b 设备 2 2 4 1 标准描述符 u s b 设备是u s b 总线系统的重要组成部分，u s b 协议对外部设备进行了标 准化，根据设备完成的功能不同，被划分为不同的子类：1 1 3 j 大规模存储类如u 盘：人机接口设备类如鼠标、键盘等；音频、视频设备类，打印机类和图像设 备类等。在逻辑功能上，u s b 设备又被分成设备层、配置层、接口层和端点层。 在u s b 规范中，规定了5 种标准的u s b 描述符：1 1 2 j 设备描述符( d e v i c e d e s c r i p t o r ) 、配置描述符( c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t o r ) 、接口描述符( i n t e r f a c e d e s c r i p t o r ) 、端点描述符( e n d p o i n td e s c r i p t o r ) 和字符串描述符( s t r i n gd e s c r i p t o r ) ， 它们共同来描述设备功能和属性。 图2 - 6u s b 标准描述符结构 每个u s b 设备只有一个设备描述符，比较特殊的是默认控制管道数据包的 长度是在设备描述符中定义的，而不像其他端点一样是在端点描述符中定义的。 一个设备中可以包含一个或多个配置描述符，即一个u s b 设备可以支持多种配 武汉理工大学硕士学位论文 置，但一次只能有一个配置是活动的，称为当前配置。设备的每个配置中可以 包含一个或多个接口，即一个u s b 设备可以支持多个接口功能，一般一个u s b 设备只需要一个接口。例如对于u 盘设备，仅需要一个用于实现m a s ss t o r a g e 类的接口，在该接口下使用了批量输入b u l ki n 和批量输出b u l ko u t2 个非0 端点用于传输文件。为了与u s b 主机进行数据传输，每个接口包含一个或多个 端点。端点就是u s b 设备硬件上具有一定容量的数据缓冲区，每个端点都有唯 一的地址，即端点号，由包中的端点域标识。每个端点有自己的端点描