（通信与信息系统专业论文）usb接口技术在录音电话中的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着通信网络的迅速发展，电话和计算机的普及，电话网络和计算机网络相互渗透 的进程明显加快，电话录音系统也进入了数字化。目前数字录音系统应用已非常广泛。 为此设计一款基于u s b 接口，能连接计算机和电话的录音系统，将电话网与计算机网有 机地连接起来，利用计算机和电话现有优势的方法来适应人们的不断要求就提上了日 程。在这种情况下，采用u s b 作为录音系统的接口，是一个相当好的选择。设计一种基于 u s b 接口技术的电话录音系统，不仅充分利用u s b 规范的各种优越条件，很好地解决了上 述问题，而且具有支持即插即用、使用方便的功能，市场前景广阔。 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) 是用来连接外围设备与计算机的一 种崭新的标准接口，目前在计算机外设中己有较为广泛的应用，技术条件成熟。为此， 论文主要结合电话数据采集和数据传输的需要，进行基于u s b 2 0 的软、硬件开发。本文 以建立主机和外设通信为主题，通过对u s b 协议的学习，了解u s b 通信的内在机制，将采 集到的数字语音数据通过u s b 接口实时存储到计算机上，以实现数字录音的功能，完成 基于u s b 接口技术在录音电话上的开发。 本文在介绍了课题的背景及意义，首先简明扼要地阐述了u s b 协议，然后给出了基 于u s b 2 0 的电话录音系统的硬件设计和实现，接着详细介绍了u s b 电话录音系统的程 序设计过程，主要是设备固件程序和上位机的用户应用程序的开发。 关键字：u s b 2 0 ；c h 3 7 5 ；数据传输；固件 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fu s bi n t e f f a c et e c h n o l o g yt o r e c o r d i n g t e l e p h o n e a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt h ep o p u l a r i t yo ft e l e p h o n e s a n dc o m p e e r s ，t h et r e n do ft h en e t w o r k so ft e l o p h o n e sa n dc o m p u t e r st op e n e r t r a t ei n t oe a c h o t h e ri se v i d e n t l ya c c e l e r a t i n g , w h i c hb r i n g st h et e l e p h o n er e c o r d i n gs y s t e mi n t od i g i u at i m e s c u r r e n t l yt h ea p p l i c a t i o no ft e l e p h o n e r e c o r d i n gs y s t e m s i sr a t h e rw i d e ，a n di ti si nt h ea g e n d a t od e s i g nar e c o r d i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do nu s bi n t e r f a c ea n da b l et oc o n n e c tc o m p u t e r s a n dt e l e p h o n e si no r d e rt os a t i s f yo u rr e q u i r e m e n t s i nt h e s ec i r c u m s t a n c e s i ti sd e s i r a b l et o a d o p tu s ba st h ei n t e r f a c eo ft h er e c o r d i n gs y s t e m au s b - b a s e dt e l e p h o n er e c o r d i n gs y s t e m c a l lr e s o l v et h eq u e s t i o n sm e n t i o n e da b o v ea n dh a v eab r o a dm a r k e tp e r s p e c t i v ew i t ht h e p l u g & p l a yc h a r a c t e m u s b ，ab r a n d - n e ws t a n d a r di n t e r f a c et oc o n n e c tt h ec o m p u t e r sa n dt h ep e r i p h e r a l e q u i p m e n t ，h a sb e e nw i d e l yu s e da n di sm a t u r ei nt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e d o nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do nt h eu s b2 0 ，t om e e tt h er e q u i r e m e n to f d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n w es t u d yt h eu s bp r o t o c o l sa n dt h ei n t r i n s i cm e c h a n i s m ， s t o r et h ed i i g i h a lv o i c ed a t at oc o m p u t e r si nr e a lt i m et or e a l i z et h ed i i g i h a lr e c o r d i n gf u n c t i o n ， a n dt h ea p p l i c a t i o no fu s bi n t e r f a c et e c h n o l o g yt or e c o r d i n g t e l e p h o n ei sc o m p l e t e d t h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w i n g ：t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ；t h eb r i e f i n t r o d u c t i o no fu s bp r o t o c o l ；t h eh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e mo ft h et e l e p h o n er e c o r d i n g s y s t e mb a s e do nu s b 2 0 ：t h es o f t w a r ed e s i g n , t h ef n m w a r ep r o g r a ma n dt h eu s e ra p p l i c a t i o n p r o g r a mo ft h eu p p e rm a c h i n ei ne m p h a s i s k e yw o r d s ：u s b 2 0 ；c m 3 7 5 ；d a t at r a n s m i s s i o n ；f i r m w a r e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盔丝日期： 塑2 ：生：! ! 大连理t 大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：矛新绎 导师签名 丝盔i 年6 月rr 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题背景及意义 随着数字技术的发展，录音系统也进入了数字化。目前数字录音系统应用已非常广 泛，如电力、铁路、石油、企业等行业的指挥调度部门，机场、港口、公安、安全、军 事等要害部门的录音和监听，金融行业授权指令的实时录音，无线寻呼台、电信局、服 务行业的服务、售票窗口、应急电话受理的录音和监听，并且还应用在各种客户服务中 心、投诉中心等，为及时查询和发现事故原因以及提供准确可靠的原始录音记录，发挥 了巨大作用“哪。 为此，人们提出了设计一款能将计算机和电话线直接相连的电话录音盒，充分发挥 u s b 总线接口简洁、使用方便的优势，弥补传统电话录音时间短、不便管理、声卡采集 器录音不稳定等缺陷，而且还可以利用计算机和电话现有两大网络的优势，将电话网与 计算机网有机地连接起来。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是1 9 9 4 年康柏、微软、i b n 、n e c 等公司为 解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。u s b 技术的应用是计算机接口技术的 重大变革。目前在统一的u s b 接口上实现了中低速外设的通用连接，例如键盘、鼠标、 游戏杆、显示器、数字音箱及m o d e m 。u s b i 0 的数据传输率可达到1 2 m b p s ，u s b 2 0 的 数据传输率可达到4 8 0 m b p 。对于电话录音系统来说，u s b 具有不可比拟的优点： 易用性：能自动识别设备，支持热插拔和即插即用，使最终的计算机用户能够简单 方便的使用。 灵活性：u s b 提供了三种传输速度模式：1 5m b s 的低速传输、1 2 f o s 的全速传输和 4 8 0 m b s 的高速传输；四种传输类型：批量( 块) 传输、同步传输、中断传输和控制传输， 这使得u s b 能适合多种场合的需要。 扩展性：由u s b 的拓扑结构可知，一个u s b 主机最多可以连接1 2 7 个u s b 外设。一 个u s b 端口串接一个u s bh u b 就可以扩展为多个u s b 端口。 完备性：u s b 设备类定义了各种标准设备类，从人机接口设备( h i d ) 、音频类、图像 类到海量存储类等，对设备的支持非常完备。 稳定性：u s b 系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的稳定性和可 靠性。u s b 收发器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声。在u s b 协 议中包含了数据错误的检测机制，用来确保数据准确无误地发送和接收。 u s b 接口技术在录音电话中的应用研究 兼容性：u s b 规范具有良好的向下兼容性，如u s b 2 0 主机控制器能够很好兼容 u s b i 1 的产品。 低功耗：u s b 为设备定义了两种供电模式：自供电和总线供电，且设备支持挂起状态 和唤醒。 低成本：u s b 能实现强大的功能，它比以前的接口更加复杂。但是，它的组件和电缆 并不贵，带有u s b 接口的外设和具有同样功能的老接口外设相比，所需费用差不多，有 时会更少一些。 因此课题结合电话语音采集和数据传输的需要，进行了基于u s b 接口技术的软、硬 件开发，这对于推广u s b 总线的应用、增强新的或现有的通信及电话语音设备的互联性 和可编程性有着重要的意义。 1 2 国内外研究动向 从u s b 问世以来，u s b 在不断自我完善，并走向成熟。普通计算机用户、工程师和 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 的硬件和软件支持也越来越完 备了，这对于缩短u s b 的开发周期和降低开发成本起了很重要的作用。随着u s b 应用领 域的不断扩大，人们对于u s b 的期望也越来越高，希望u s b 能应用于各种场合中，尤其 在电话录音领域，希望通过u s b 接口来直接与计算机交换数据。而这正好发挥u s b 的优 势，因为在u s b 的拓扑结构中，主机居于核心地位，任何一次的u s b 数据传输都必须由 主机来发起和控制，所有u s b 设备都只能和主机建立连接，而扮演主机角色的是p c 。目 前市场上所买到和使用的u s b 移动设备，如u s b 移动硬盘、u s b 接口的数码相机等都是 通过p c 来进行数据交换。更因为u s b 技术一开始是基于p c 机发展起来的，p c 机中都内 嵌了u s b 主机控制器，而且主机控制器的驱动无需u s b 设备开发人员的关心，他们仅要 了解自己所做设备的相关驱动。因此，将u s b 接口技术应用到录音电话系统上技术条件 成熟。 现在市场上的录音系统大致可分为电话录音卡和电话录音盒两种。电话录音卡是 以板卡的形式插入电脑主板插槽与主机连接的，安装极为不便。大部分的录音卡为p c i 插槽形式，不仅价格昂贵，而且受计算机插槽数量、地址及中断资源的限制，可扩展性 较差。尤其是在电磁干扰较强的环境中，无法专门对其作电磁屏蔽，容易导致数据丢失， 使声音失真。电话录音盒一般为外置式设备，通过接口线直接接入计算机外置接口，使 用非常方便；但是，计算机提供的接口毕竟有限，传统的串并口都是点对点连接，即一 个接口只能支持一个设备，而且串并口一般不能满足系统的实时性要求。在这种情况下， 采用u s b 作为录音系统的接口是一个相当好的选择。设计一种基于u s b 接口技术的电话 大连理工大学硕士学位论文 录音盒，不仅充分利用u s b 规范的各种优越条件，很好地解决了上述问题，而且具有支 持即插即用、使用方便的功能，市场前景广阔。 u s b 技术在录音电话系统中的应用研究在国内外已悄然兴起，在系统语音处理方面 由于应用场所不同，要求也不同，但大部分都采用了d s p 芯片，这无疑增加了产品投入 和开发复杂性。采取传统的语音处理电路，即利用现有技术又节约成本，将加快系统的 开发进度和市场竞争力。可以预见，基于u s b 接口技术在录音电话的开发具有很好的应 用前景和市场潜力。 1 3 本文所做的工作及特点 ( 1 ) 本文所做的主要工作： 提出了基于u s b 接口技术开发录音电话的思路和目标，并分析了开发过程中所 能遇到的难点及解决方案，印证了其可行性； u s b 录音电话系统的硬件设计； 设计单片机固件程序及用户应用程序。 ( 2 ) 特点： 目前u s b 录音电话系统设计大都是采用m c u ( m p u ) + u s b 主控制器接口芯片的方案， 并有相关产品出现。目前使用比较成熟的u s b 主控制器接口芯片有c y p r e s s 公司的 s l 8 1 1 h s 和p h i l i p s 公司的i s p l l 6 1 。 鉴于当前国内单片机所占有的广阔的市场空间，基于单片机+ u s b 接口技术研究具有 一定的领先性和前瞻性嘲。 u s b 接口技术在录音电话中的应用研究 2g s b 通信协议介绍 2 1u s 8 2 0 规范概述 ( 1 ) 规范产生的背景及其主要内容 传统的计算机外部设备一般都是使用并口( p a r a ll e lp o r t ) 和串口( s e r i a lp o r t ) 与 计算机相连。这两种端口在计算机上使用了很多年，物理层的协议己经相当成熟，但却 己经无法满足目前计算机设备不断提高的速度和使用要求。串口使用的协议是r s 一2 3 2 串 行通讯标准，适用于设备之间的通讯距离不大于1 5 m ，传输速度最大为2 0 l ( b s 的场合。 它的优点主要是开发方便，几乎所有的硬件开发人员都能很容易地使用串口实现设备与 计算机间的通讯。并口使用的是并行通讯协议，在开发和使用上都不是很方便，但它的 速度较串口有很大的提高，要达到每秒l m 字节以上的传输速度并不困难。 这些传统的端口和总线协议都比较简单，一般只对物理层做了一些定义和约束，并 没有涉及到设备和计算机的具体通讯行为和网络模型。这使得开发者在开发时有了很大 的灵活性，但也带来了兼容性的问题。 以上所提到的种种因素，促使硬件开发商不得不推出了一些新型的总线协议，以适 应当前计算机和设备的需要。从2 0 世纪9 0 年代以来，有很多串行总线问世，其中最成功 之一的便是以i n t e l 为首的七家公司于1 9 9 4 年推出的u s b 协议。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 规范的前身是a c c e s s b u s 规范，后由i n t e l 为首的七家 公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出第一个u s b 规范，目的是为了简化计算机和外设的连接，提 高计算机和外设传递信息的速度。为了普及和使用这一技术，1 9 9 5 年由u s b i f 论坛对其 进行了标准化，并制订出相应的技术规范u s b l 0 ，1 9 9 8 年9 月推出的u s b l 1 规范( u s b l 0 和u s b l 1 统称u s b l x ) ，对u s b l o 存在的问题做了全面的修订，并且增加了一个新的传 输类型中断传输。但是由于在w i n 9 8 以前的操作系统均不支持u s b ，使得它的推广受 到影响，支持u s b 的外设也非常少。自从w i n 9 8 操作系统于1 9 9 8 年7 月推出以后，这一技 术才真正进入实用阶段，支持u s b 的外设也日益增多，像u s b 键盘、u s b 鼠标、u s b 相机、 u s b c d - r o m 等等。由于u s b l x 的最高数据传输率为1 2 m b p s ，阻碍了它的进一步发展，为 了提高u s b 数据传输速度，增强计算机和音、视频设备传送信息的实时性，u s b i f 于2 0 0 0 年4 月发表了u s b 2 0 ，在原来u s b l 1 的基础上增加了高速模式，数据传输率可达到 4 8 0 m b p s ，并向下兼容u s b l 1 ”】。 u s b 2 0 规范分成1 1 章，共6 0 0 多页。它主要定义了一个工业化的u s b 标准，其涵盖的 内容非常丰富，主要目的是使u s b 成为对于从生产者到使用者的一个开放型的标准。规 4 - 大连理工大学硕士学位论文 范的内容主要包括：u s b 总线的属性、协议内容、事务处理类型、总线管理机制和建立 设计系统时所需要的可编程的接口、以及外围器件所遵循的标准等。由于规范中的各章 针对的用户不同，其侧重点也不同，在这里我只对本论文所需要用到的内容做一介绍， 其它内容可参考 u n i v e r s a ls e r i a lb u ss p e c i f i c a t i o nr e v i s i o n 2 o 嘲。协议的全 文可以在u s b 的权威网站h t t p ：w w u s b o r g 下载。 ( 2 ) 总线拓扑结构 u s b 系统由主机( h o s t ) 、集线器( h u b ) 、设备( d e v i c e ) 构成。它们之间通过u s b 总线 相连构成一个星型拓扑结构，集线器( h u b ) 位于星型结构的中心。在一个u s b 系统中， 必须有而且只有一个主机，主机利用u s b 主控制器来操纵主机和u s b 设备之间的数据传 输。主控制器像其它i o 设备一样挂在系统总线( p c i 总线) 下面，附着于主控制器的集 线器是u s b 系统的根集线器( r o o th u b ) ，各级集线器提供若干个连接其它设备的下行端 口。由于传输延时的限制，从根节点到最终的u s b 设备之间的层数最多位七层，即最多 5 个h u b 层以及1 2 7 个外设。图2 1 给出了u s b 的拓扑结构嘲。 图2 1u s b 拓扑结构 f i g 2 1u s bt o p o l o g ys t r u c t u r e 7 u s b 接口技术在录音电话中的应用研究 ( 3 ) 电气和物理特性 u s b 2 o 与u s b l 1 兼容，它们使用相同的连接器和电缆。u s b 通过一个四线电缆来传 输信号与电源，如图2 2 所示： v b 潞 d + m g n d 5 m o i l s m 醒 图2 2u s b 电缆 f i g 2 2u s bc a b l e 、国嘛s d g 其中g n d 为地，v b u s 提供的总线电压为+ 5 v ，可作为外界设备的电源，其最大可提供 5 0 0 m a 电流；另外两根用于传输数据，称为d + 和d 一。信号是利用差分方式送入d + 、d - 两 根信号线，利用差分传输方式，接收端差分信号的灵敏度不高于2 0 0 m v 。 时钟信号编码后同差分数据信号一起在d + 和d 一信号线上传输，信号的编码方式采 用n r z i 编码和位填充方式。这种编码方式不需要开始位和停止位，也不需要时钟线， 而是通过位填充和同步( s y n c ) 字段来保证发送方和接收方的同步。 u s b 信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线，而且最长不能超过5 m ；而在 低速模式时中，可以使用不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不能超过3 m 。这主要是由于 信号衰减的限制。为了提供信号电压保证以及与终端负载相匹配，在电缆的每一端都使 用了不平衡的终端负载。这种终端负载也保证了能够检测外设与端口的连接或分离，并 且可以区分高速与低速设备。 所有的设备都有上行的接口。上行和下行的接头是不能互换的，这保证了不会有非 法的连接出现。插头与插座有两个系列，分别为a 和b ，系列a 用于基本固定的外围设 备，而系列b 用于经常拔插的设备，这两个系列是不能互换的”1 。 2 2u s b 系统结构 ( 1 ) 主机 在u s b 系统中只允许有一个主机，从我们开发人员的角度看，它可被分为三个不同 的功能模块：客户软件、u s b 系统软件和u s b 总线接口。如图2 4 。 客户软件：客户软件负责和u s b 设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。 它一般由开发人员自行开发，但有些芯片的开发工具包中提供了范例程序代码，开发人 大连理工大学硕士学位论文 员可根据需要在此基础上进行修改补充m 。 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 件启动的数据传输。它一般包括u s b 总线驱动程序、u s b 主控制器驱动程序和非u s b 主 机软件三部分，这些软件通常由操作系统提供，开发人员不必掌握。 u s b 总线接口：u s b 总线接口包括主控制器和根集线器两部分。根集线器为u s b 系统提供连接起点，主控制器负责完成主机和u s b 设备间数据的数据传输。该模块与u s b 系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实现，开发人员不必掌握。 ( 2 ) 设备 u s b 设备的物理结构：u s b 设备从物理上分为两类，一类是集线器，另外一类是u s b 功能设备。 集线器：每个u s b 设备都必须连接到一个集线器上，集线器本身也是一种特殊的 u s b 设备。集线器至少应含有两个部件：中继器和控制器。中继器负责在上游集线器和下 游设备之间传递u s b 信息，同时检测设备的连接和断开，并给设备供电；控制器用来管 理主机和中继器之间的通信。此外，每个u s b 2 0 集线器都必须有一个事务转换器，它 具有转换速度的功能，用来管理上游高速总线和下游低全速设备之间的通信。每个集 线器都支持标准的设备描述符以及集线器类别描述符。集线器通过设备标准请求来使主 机配置集线器，通过集线器类别特定请求，来监视和控制集线器端口的状态m 。 u s b 功能设备：功能设备是通过u s b 集线器连接到u s b 系统中。一个u s b 功能设 备首先应该能够完成某种功能，如鼠标或存储设备等，此外，它应该能够通过u s b 总线 和主机进行信息的相互传送，为此，应该有一个u s b 控制器，来控制主机和外设之间的 通信。u s b 控制器的形式多样，有些控制器包含有内置的c p u ，有些则需要和外部c p u 连接，来处理外设与控制器之间的非u s b 任务和通信。除了c p u 以外，所有的u s b 控制 器都有一个或多个u s b 连接端口，数据缓冲区、寄存器、程序和数据存储器以及用于连 接外部设备的i o 引脚。u s b 连接端口用来支持和主机之间的数据传输，其中的收发器 ( t r a n s c e i v e r ) 提供总线的硬件接口，与收发器连接的电路形成串行接口引擎( s i e ) ，s i e 主要用来检测和传送信息包，编译和译码总线上传输的数据格式，检测和产生c r c 校验 等，大部分和u s b 相关的任务是通过s i e 自动完成的。程序存储器保存供c p u 执行的代 码，这些代码叫做固件( f i r m w a r e ) ，用来访问u s b 端口和其它i o 引脚以及其它工作， 程序存储器可能是r o m 、e p r o m 、e e p r o m 等。数据存储器用来储存临时的数据，数据存 储器一般是r 删。数据缓冲区用来存储从主机接收到的数据和要发送到主机的数据，它 可以是内存的一块，也可以是专门的寄存器。 u s b 设备的逻辑结构：每个设备内有一个或多个逻辑连接点，称为端点，设备通过 u s b 接口技术在录音电话中的应用研究 端点和主机交换数据，一组相关的端点称为接口，每个接口都有一个配置，端点、接口、 配置的特性是通过各自的描述符来描述。如图2 3 所示。其中，配置、接口u s b 设备功 能的抽象，实际的数据传输由端点完成。注意，在使用u s b 设备前，必须指明其采用那 个配置和端点。 图2 3u s b 设备逻辑结构 f i g 2 3u s bd e v i c el o g i cs t r u c t u r e 描述符( d e s c r i p t o r ) 是一个数据结构，是主机了解设备的格式化信息。主机在检测 设备的时候，要求设备传回描述符以便了解设备并配置该设备，主机要求的首先是设备 的设备描述符，然后是配置描述符以及每个配置的接口描述符，最后是端点描述符，还 可能有可选的字符串描述符。高阶的描述符会包含其它低阶的描述符的情况9 1 。 每一个设备只能有一个设备描述符，设备描述符包含整个设备的信息，例如设备所 支持的u s b 规范的版本，厂商i d 和产品i d ，以及设备支持的配置数目。每一个设备可 以有一个或多个配置描述符，其中包含设备的电源要求以及该配置所支持的接口数目， 大部分设备只有一个配置，但有些设备可支持多个配置，但在同一时间只有一个配置使 能。例如，一个设备既可以配置为总线供电，也可以配置为自供电，当自身配有电源的 设备插入p c 机的时候，设备驱动程序将选择总线供电配置，由主机给设备供电，不需 要连接自身的电源，而当该设备连接到笔记本电脑的时候，就需要用户使用自身所带的 电源。 接口描述符是设备一个特定功能的端点集，每个配置至少必须支持一个接口。对大 部分设备，只有一个接口，但有些设备可以同时有多个作用的接口。例如一个集合有传 真扫描打印功能的多功能设备，就有三个接口，接口1 是描述传真功能的端点集，接 大连理工大学硕士学位论文 口2 是描述扫描功能，而接口3 描述打印功能，每个接口都有接口描述符，它不像配置 描述符，可同时有多个接口同时使能。 端点是u s b 设备中的实际物理单元，u s b 数据传输就是在主机和u s b 设备各个端点 之间进行的。端点一般由u s b 接口芯片提供。在所有的u s b 设备中，必须含有一个0 号 端点，该端点比较特殊，它有i n 和o u t 两个物理单元，但只有一个端点号0 ，且只能支 持控制传输，它的功能是用作缺省控制通道的。其余非0 端点都有端点描述符( 端点0 没有端点描述符) ，端点描述符给出了数据传输类型、方向和该端点所支持的最大包尺 寸等。 2 3u s b 系统的分层 对终端用户来说，u s b 系统就是u s b 设备到主机的简单连接，但对开发人员来说， 这种连接可被分为三个逻辑层：功能层、u s b 设备层和u s b 接口层，且每一层都由主机 和u s b 设备的不同功能模块组成，如图2 4 所示。这种分层简化了u s b 通信机制，有利 于我们理解主机的软硬件和u s b 设备之间的通信关系嗍。 ：l ：g t 设备 士 c = = = = 物理通信流卜逻辑通信流 图2 4 系统的分层 f i g 2 4s y s t e ml a y e r ( 1 ) 功能层：功能层负责实现u s b 设备的特定功能，如传输照片、打印文档等。该 层不理解u s b 的串行传输机制，而只是知道应和u s b 设备传输哪些数据，它由主机方的 磁 u s b 接口技术在录音电话中的应用研究 客户软件和设备方的功能单元组成。功能单元是客户软件对u s b 设备的抽象，且被看作 是一个接口的集合。 ( 2 ) u s b 设备层：u s b 设备层实现了主机和u s b 设备之间的配置通信，如为u s b 设 备分配地址，读取其配置描述符等。该层理解u s b 通信机制和功能层所要求的传输特性， 它由主机方的u s b 系统软件和设备方的u s b 逻辑设备组成。u s b 逻辑设备是u s b 系统软 件对u s b 设备的抽象，它被看作是一个端点的集合。 ( 3 ) u s b 总线接口层：u s b 总线接口层控制主机和设备之间的电气和协议层交互， 主机和设备之间的实际的物理通信流是通过该层来传输的。 2 4u s b 数据传输 在u s b 总线上，所有与u s b 设备功能单元的数据传输都是由客户软件启动的，而且 经过逐级的u s b 系统软件和u s b 总线接口模块才能将数据发送到u s b 设备。对于一个客 户软件向u s b 设备发送数据的过程，其传输步骤如下： ( 1 ) 客户软件把要传输的数据放入数据缓冲区，并向u s b 总线驱动程序发出 i r p ( i o 请求包) ，以请求数据传输。 ( 2 ) u s b 总线驱动程序响应客户软件发出的i r p ，并将其中的数据转化为一个个具 有u s b 格式的事务处理，然后向下传递。 ( 3 ) u s b 主控制器驱动程序负责为这些事务处理建立一系列以帧微帧为单位的事 务处理列表，并保证其不会超过u s 8 的带宽。 ( 4 ) u s b 主控制器负责读取事务处理列表，并将其中的事务处理以信息包为单位发 送到u s b 总线上，且传输速率可以是低速、全速、高速。 ( 5 ) u s b 设备接收到这些信息包后，s i e 自动将其解包并将数据放入指定端点的接 收缓冲区内，由芯片固件对其进行处理。同样，客户软件在接收u s b 设备发来的数据时 也必须经过上述四个软件实体。 2 4 1 传输要素 ( 1 ) 设备端点：g q 有的传输都是以一个设备端点开始，或以一个端点为目的地。端 点是一个储存多个字节的缓冲器或内存的一块，用来作为数据的缓冲区。储存在设备端 点的数据可能是接收到的数据，或是等待要送出的数据。除控制端点可以双向传输数据 外，其它端点只能携带单向数据。每一个设备端点是由一个端点号码和方向组成，号码 范围从o o h 到o f h ，方向如果为输入( i n ) ，表示流向主机，如果为输出( o u t ) ，表示流出 主机。一个单一的端点号码可以支持i n 和o u t 端点地址，例如端点号1 既可以支持一 个i n 端点来传输数据到主机，也可以支持一个o u t 端点来从主机发送数据。除了端点 大连理工大学硕士学位论文 o ( 控制传输专用) 外，一个全速和高速设备最多可以有3 0 个额外的端点，端点号码从 卜1 5 。一个低速设备只能有两个额外的端点，方向可以任意组合嘲。 当设备收到来自主机包含设备地址和端点地址的输出事务后，它将接收到的数据储 存在合适的端点，然后触发一个中断，设备的中断服务程序负责处理接收到的数据。当 设备收到包含设备地址和端点地址的输入事务时，如果设备有发送到主机的数据，它就 会从指定的端点送出数据，然后触发一个中断，设备的中断服务程序就会为下一个i n 事务做好准备。 ( 2 ) 管道：在一个传输发生之前，主机和设备之间必须先建立一个管道( p i p e ) 。t j s b 的管道并不是一个实际的对象，它只是设备的端点和主机控制器的软件之间的连接。 为了向设备请求配置信息，主机在设备上电或设备连接后很短时间内会建立起管 道，如果设备从总线移掉，主机将删除不再需要的管道。每一个设备都会有一个默认控 制管道( d e f a u l tc o n t r o lp i p e ) ，此默认控制管道使用端点，系统软件利用该管道来识 别设备和配置要求，并对设备进行配置。 根据所传输信息是双向还是单向的，管道可以分为两类：消息管道和流管道。消息 管道是双向的，控制传输是唯一使用消息管道的传输；流管道是单向的，其它传输均使 用流管道。 2 4 2 数据传输类型及管理 ( 1 ) 数据传输类型 不同的u s b 设备对数据传输提出了不同的要求，如传输数据量的大小、传输速率的 高低等。根据实际情况的需要，客户软件在和u s b 设备的功能单元进行通信的时候可采 用如下传输方式埘： 控制传输：用来传输命令和状态，一般在枚举过程中，使用控制传输来识别和 配置该设备，所有的设备都必须支持控制传输，对传输时间和传输速率均无要求，也可 以传输其他用途的数据； 批量( 块) 传输：用来传输量大、实时性要求不高但准确性强的数据，通常打印 机、移动硬盘通常以这种方式和主机通信，只有全速和高速设备可以使用批量传输； 中断传输：用于支持数据量少的周期性传输需求，主要用在键盘、鼠标以及操 纵杆等低速设备上： 同步传输：用来传输量大、实时性强但准确性要求不高的数据，只有全速和高 速设备可以使用等时传输，通常音视频设备以这种方式和主机通信。 四种传输类型的传输速率、响应时间和错误校正都有不同的要求。多个不同传输类 u s b 接口技术在录音电话中的应用研究 型的外设可能同时希望和主机交换数据，它们需要共享唯一到主机的数据通道，为了合 理分配u s b 带宽，尽量满足多个外设的传输需求，由主机控制器负责将u s b 总线时间划 分为一个个的时间段，对低全速总线而言，时间段的大小为1 毫秒，称之为帧( f r a m e ) ， 高速总线的时间段为1 2 5 微秒，称之为微帧( m i c r o f r a m e ) 。主机要在一个帧( 微帧) 时 间里合理安排不同的事务类型，并把它们组织为合适的数据结构，由主控制器驱动程序 负责把这些数据结构排列成一个进度表( s c h e d u l e ) ，存放在系统存储器中，主控制器按 照进度表的排列来发起u s b 事务。 ( 2 ) 传输管理 关于主控制器和主控制器驱动程序是如何共同管理u s b 传输请求，u s b 共定义了三 个规范，低速与全速通信控制器使用u h c i ( u n i v e r s a lh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 与 o p e n u s b d i ( o p e nu n i v e r s a ls e r i a lb u sd r i v e ri n t e r f a c e ) ，高速控制器则必须使用 e h c i ( e n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) ，在w 聊u s b o r g 网站上有这些规范的链 接”1 。 在分配u s b 带宽的时候，必须预留一定的带宽给控制传输，这是因为u s b 系统允许 随时插入新的设备，这些新插入设备都需要通过控制传输来配置。对于低全速，为控 制传输预留的带宽为一个帧时间1 0 9 6 ，高速则需要预留2 0 9 6 的微帧时间，低全速的中断 和同步传输最多使用一个帧时间的9 0 ，高速的中断和同步传输最多可以使用一个微帧 时间的8 0 。对于周期性传输( 同步和批量传输) ，必须要求足够的带宽来保证在一定的 时间内完成，如果带宽不够，主机就拒绝配置该传输。批量传输可以使用控制、中断和 同步传输未使用的全部剩余带宽，当总线很忙的时候，批量传输可以因为其它类型的传 输而延迟，而当总线空闲的时候，批量传输是非常快的。 在图2 5 中给出了在全速的情况下一个帧时间的分配情况。在一个帧时间中，首先 是帧开始包( s o f ) ，主机送出该包的时距对于全速为l 毫秒，高速为1 2 5 微秒，然后， 如果在总线上有等时数据要传输，主机控制器首先将在进度表中安排同步数据传输，然 后再安排其它的传输类型。e o f 是帧结束时间段，在e o f 期间主机和设备将停止所有的 数据传输，直到下一帧的开始。一个传输可以在一个帧里完成，也可以使用多个帧时间。 一1 m s - l 卜 图2 5 帧时间分配 f i g 2 5f r a m et i m ea s s i g n m e n t 大连理工大学硕士学位论文 2 5u s b 事务处理 u s b 事务处理是主机和u s b 设备间数据传输的基本单位，有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： 令牌阶段：表示事务处理的开始，并定义传输类型。 数据阶段：负责传输相关的数据，长度最大为1 0 2 4 字节。 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。 ( 1 ) 包类型 一个u s b 事务包括令牌包，可选的数据包和状态包。每一个包都是由一个同步字段 ( s y n c ) 开始。紧跟s y n c 是8 位的包标识p i d ，p i d 中高4 位为包类型域，低4 位为校验 域。在u s b 中共有四种包：令牌( t o k e n ) 包，数据( d a t a ) 包，握手( h a n d s h a k e ) 包和特殊 类型( s p e c i a l ) 包。每种包又分为若干个类型，所有的包类型均是由p i d 统一编码来标 识”1 ，这里我们仅列出用到的前三种包类型。如表2 1 所示。 表2 1 包类型 t a b 2 1p a c k e tt y p e p i d 类型p i d 名称 p i d 说明 o u t0 0 0 1 b 主机向u s b 设备发送数据 令牌i n1 0 0 1 b u s b 设备向主机发送数据 ( t o k e n )s o fo l o l b 帧开始 s 踟p1 l o l b 主机向u s b 设备发送配置 d a t a 00 0 1 l b 偶数据包 数据 d a t a l1 0 1 l b 奇数据包 ( d a t a )d a t a 30 1 1 l b 高速同步数据专用数据包 肋a 1 f a1 1 1 l b 高速同步和s p l i t 事务专用 a c k0 0 1 0 b 成功接收数据 握手 n a kl o l o b 不能接收或不能发送 ( h a n d s h a k e )s t a l l1 1 l o b 指定端点被挂起或不能发送 唧0 1 l o b 接收方无响应 ( 2 ) 包格式 u s b 接口技术在录音电话中的应用研究 令牌包：每个u s b 事务总由主机发送一个令牌包开始，令牌包向u s b 设备表明将 要开始的事务的类型以及包所要发送到的设备地址和端点地址。共有四种基本类型的令 牌包：i n 、o u t 、s e t u p 和s o f 。i n 令牌包表示本事务是输入事务，主机要从u s b 设设备 读数据；o u t 令牌包表示本事务是输出事务，主机要向u s b 设备发送数据；s e t u p 令牌 包在枚举过程中使用，表示将要开始一个控制传输。这三个令牌包的包格式如下： 表2 2 令牌包格式 t a b 2 2t b k e np a c k e tf o r m a t s o f - 叫贞开始包，由主机在全速时以1 毫秒的时距送出，在高速时以1 2 5 微秒的 时距送出。帧开始包不需要设备返回任何信息，在该包中包含有帧标号，以供实时性强 的设备跟踪帧标号。低速设备看不到s o f 包。s o f 的格式如下： 表2 3s o f 格式 t a b 2 3s o ff b r m a t 数据包：令牌包后面是可选的数据包，数据包用来传输本令牌包需要的数据或信 息。共有四种类型的数据包：d a t a o 、d a t a l 、d a t a 2 和m d a t a 。两种数据包d a t a o 和d a t a l 交替使用是为了防止数据发送方和接收方的比特序列失调。在控制器芯片中，通常用一 个触发器来指示数据交替的状态，发送端和接收端都会跟踪数据交替的状态，保证经过 多个处理操作后，双方的比特序列仍能保持同步。只有在高带宽、高速的等时传输中才 用到所有四种