（测试计量技术及仪器专业论文）高速串行总线usb在dsp数据采集系统中的应用与研究.pdf

浙江大掌硕士学位论文 摘要 ( 高速串行总线( u s b ) 作为一种新兴的计算机外设总线标h ：，从杯准的现 到大规模的应用，仅用了短短几年的时间，这一切都得益于它易用、真正的热插 拔、高性能和系统造价低廉等优点。同时随着我们所处的工业环境越来越复杂， 现场工程师不断增加了对监控这些工业环境设备的易用性、简单性的要求。而工 业系统中的各种监控设备中，最核心的技术就是数据采集和分析控制系统。这都 离不开d s p 技术的发展和支持。怎样利用最新的技术来满足这种需求，是本论 文的主题。 u s b 技术和d s p 技术的结合提供了一种优秀的数据采集系统的解决方案。 u s b 使系统具有简单的接口界面、优秀的可扩展性，使整个系统变得如流水线 一般的简洁、流畅。而d s p 技术提供了处理复杂运算的能力，能够满足复杂t 、 业环境所要求的大量运算，它们的结合提供了一种新型的系统方案对 全文共分成两个部分，第一部分“新技术的出现一u s b ，d s p ”主要描 述了数据采集系统的演变，新型工业环境对数据采集系统的要求，新技术u s b ， d s p 的出现对数据采集系统设计的影响。第二部分“u s b 的解决方案”重点 描述了如何开发一个基于u s b ，d s p 的新型数据采集系统，对系统进行了详细的 需求分析并给出了整体的系统体系结构。它共分三章分别对d s p 系统中u s b 设 备的硬件，固件及u s b 的主机驱动接口进行了描述并提供了相应的解决方法。 、本课题研究了u s b 技术在d s p 数据采集系统中的应用与研究，并给出了一 个可行的整体开发解决方案。j 【关键词l 高速串行总线数据采集系统u s b d s p解决方案 浙江大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( o s b ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n t si np c p e r i p h e r a li n t e r c o n n e c tt e c h n o l o g ys i n c et h ei n t r o d u c t i o no f s e r i a la n d p a r a l l e lp o r t si n t h ee a r l y19 8 0 s t h eb e n e f i t so fu s b ，s u c ha se a s eo f u s e ，t r u ep l u ga n dp l a y , h i g h p e r f o r m a n c e ，a n dr e d u c e do v e r a l ls y s t e mc o s t ，a r ej u s t af e wo ft h er e a s o n st h i s t e c h n o l o g yh a sg o n ef r o ms p e c i f i c a t i o nt op r o d u c td e v e l o p m e n ti nl e s st h a n2y e a r s a tt h es a m et i m e ，t h ec o n d i t i o na r o u n dt h em a c h i n e si nt h ei n d u s t r yf i e l di sm o r e c o m p l i c a t e d t h er e q u i r e m e n t i si n c r e a s i n gt om a k et h o s em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n g i n s t n u n e n t sm o r es i m p l ea n de a s eo fu s ef r o mt h ef i e l de n g i n e e r s a n da sy o uk n o w , t h ek e yt e c h n o l o g yi nt h o s em o n i t o r i n gd e v i c e su s e di nt h ei n d u s t r yi sd a t aa c q u i s i t i o n a n a l y s i sa n dc o n t r o ls y s t e m sd e s i g na n dd e p l o y m e n t a l lo f t h e s ed e p e n d s t r o n g l yo n t h eu s eo fd s pa n di ts e l f sd e v e l o p m e n t h o wt ou s et h el a t e s tt e c h n o l o g yt os a r i s f y t h ea b o v e r e q u i r e m e n t i st h i sp a p e r sm a i n g a i n m a k i n g t h ed s pa n du s b t o g e t h e rc a l lp r o v i d e a ne x c e l l e n td a qs o l u t i o n u s b g i v et h es y s t e mav e r ys i m p l ei n t e r f a c e ，g o o de x t e n s i o n ，a n da l s om a k et h es y s t e m l i k em o r eap i p e l i n e t h ec o m p l e xd a t ao p e r a t i o nl e f ti nt h ed a q s y s t e mc a nb ed o n e b yd s p , w h i c hp r o v i d e a s t r o n ga b i l i t yi nd a t ap r o c e s s i n g t h e r ea r et w op a r t si nt h i s p a p e r t h ef i r s t ，“n e wt e c h n o l o g y , u s b & d s p ”， c o n s i s to ft h ee v o l u t i o no ft h ed a q s y s t e m ，n e wf e a t u r e so fd a qs y s t e mn e e d e db y m o d e mi n d u s t r y , h o wt h ed s p & u s ba f f e c tt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e t h es e c o n d “t h eu s bs o l u t i o n s ”，a n ds h o w sas t e p b y s t e pm e t h o d o l o g yt od e v e l o p m e n tan e w d a qs y s t e m b a s e di nu s b & d s p ii n t r o d u c ead e m oh o w t oa n a l y s i sad a q s y s t e m a n dc o n s t r u c ti t ip r o v i d et h r e ec h a p t e r st os h o w t h ed e t a i l sa b o u th o wt od e s i g na n d d e v e l o p t h eh a r d w a r e ，f i r m w a r ea n dh o s ts o f t w a r eo ft h eu s bd e v i c e ，w h i c hi so n eo f t h em o s t i m p o r t a n t d e v i c e si nt h ed a q s y s t e mb a s e di nu s b & d s p t h i sm s d e g r e ep r o j e c t sm a i ng a i ni st or e s e a r c h & d e v e l o pt h eu s b t e c hi n d s p s y s t e m ，a n dp r o v i d e ad o a b l et o t a ls o l u t i o n f k e yw o r d s l ： u s bd s p d a qs y s t e mi n d u s t r y s o l u t i o n 浙大掌硬士掌位论文 第一章对u s b 的需求 今天所处的工业环境越来越复杂，工程师们在让这些设备和环境越来越复杂 的同时也不断的努力让它们越来越“简单”流线型的装配、简单的人机交 互。正是他们对这个看似矛盾的理想的追求，才使我们今天出现了这么多的智能 化设备。 上述这切都离不开数据采集技术的发展，它是实现人机交互，状态监测， 设备控制的基础。这一章我将说明数据采集系统的基本组成和它的演变，新技术 u s b 和d s p 的出现对其的影响，并引出本文的标题高速串行总线( u s b ) 在d s p 数据采集系统中的应用技术研究，最后给出了u s b 在这种“简单”化理想下的 任务和目标。 1 1 数据采集系统的演变 随着电子工业的发展，尤其是p c 的出现大大的促进了工业自动化的程度， 现在越来越多的设备实现了自动控制和无人职守，而这一切又促进了数据采集技 术的发展。这一切都离不开计算机技术的发展，系统工程师在工业应用中集成一 些严格应用时，如需要安全关闭、流程控制等业务时，总离不开计算机，下面我 将以p c 的发展为线索简单阐述一下数据采集系统的演变。 在最早期的系统中，硬件结构是非常简单的，只有一个i o 卡或者一个直接 联到计算机i o 外设总线上的设备。如图i l 所示。它适合于那些对系统的监 测或者对来自p c 的控制要求不十分严格的应用。 圈】一1 简单数采结构图 在这利，结构中，只是需要以下四个必不可少的部分 浙江大掌硕士掌位论文 1 ) 输入输出卡( i ob r o a d ) 2 ) p c 和它的c p u 3 ) d o s 操作系统和数据采集应用软件 4 ) 显示器( c r t ) 随着这种结构被应用以来，关于这四个部分的技术又都有了大幅度的提到， 同时也带来了结构上的改变。这j l y 0 出近几年计算机技术的发展。 1 ) 自从i b m 开发出第个多任务操作系统p s 2 以来，微软也丌发出了类似 的基于p c 的w i n d o w s 操作系统，这给p c 提供了隔离多任务的能力，使其能够处 理更复杂，自动化更高的采集和监控系统。在基于u n i x 的系统中还提供了更强 的特性，当然这时对实时任务仍然有问题。 2 ) 标准r s 2 3 2 或4 2 2 总线的应用，一些集成了i o 和控制功能的设备通过 这些总线联到p c ，实施监控和数据采集。这种方案提供了当p c 死机或失效时， 仍然可以提供一部分事件处理能力，但此时失去了对整个系统的控制，并且不可 恢复。 3 ) 多台监视器被引入数采系统，但在实时系统中，因数据量大、p c 负载过 重从而导致超长的刷新时间。事实上，尽管是多显示器系统，一般也只有一个处 理器，所以一旦p c 失效整个系统也不保。 4 ) 随着更多成熟的通讯技术的出现，如r s 4 8 5 ，e t h e r n e t 协议如n o v e l l ， t c p i p ，这时多个p c 可以共同运行在一个高速通道上并访问同个数据库。这 种解决方法比较完整，但价格比较昂贵。但是此时p c 仍然是基本上什么都做， 这时监控系统的实时性仍然没有得到很好的解决。 上诉所述的是数据采集系统早期的解决方案，虽然它们也经过了不断的改 进，但是有一个共同的弱点，即严重依赖于p c ，从而导致实时性不能得到满足。 技术发展到今天使我们可以在p c 的c p u 之外在加上一到二个独立的c p u ，他们 共同运行在a t 总线上。如图l 一2 所示， 阁i 一2 第二代数采结构示意图 浙江大掌硕士掌位论，： 主c p u 以外的处理器进行数据采集、存储、管理控制，从而把p c 释放出来， 仅用来显示操作界面，从而作为m i s 系统的一部分。另外的两个或一个c p u 用来 关注实时控制，这样一来p c 也可以运行数据库软件，如l o t u s l 2 3 或d b a s e 等， 它或者从其他c p u 板上收集和更新实时数据，或者显示历史数据。 当只把p c 当作一个操作界面时，它可以更关注图形显示，统计分析，趋势， 报警等其他m i s 功能，我们的实时控制处理器结合前端的微处理器，它们通过 r s 4 8 5 或者2 mb a u d 的m i c r o l i n k 相连接，控制间隔可以达到j 0 毫秒，这样的 采集工作站可以在小于2 秒的情况下更新数据，从而实现一种实时的效果。结构 如图】一3 所示。 图1 - 3r s 4 8 5 总线型数据采集系统 在数据采集系统中，主c p u 以外的微处理器的发展是非常迅速的，从最初的 8 位单片机发展到高速的d s p ，数据处理的能力越来越高，运算能力越来越强。 但是在整个拓扑结构上，仍然没有脱离r s 4 8 5 总线的模式，也没有彻底摆脱p c 的固有缺点，如资源限制，可扩展性差，不能带电插拔等。在本章以及本文的以 下章节我将引入一种新的，建立在新技术上的数据采集系统。 1 2 新技术的出现 数字处理技术的发展f 新月异，随着集成电路技术和软件技术的不断发展和 解决复杂问题能力的不断提高，数据采集系统的概念和内涵也在0 i 断的调整，从 最初单纯的采集，到现在包括高速、复杂的运算和信号处理，可扩展性和易用。i + l 的提高。今天结构清晰，流程简洁，性能强大的数据采集系统离不 丁d s p 技术和 u s b 技术的发展。 浙江大掌硕士学位沦文 1 2 1d s p 技术 d s p 芯片是专门完成各种实时数字信息处理用的，它是建立在数字信号处理 的各种理论和算法基础上的。d s p 技术的发展经历了三个阶段，7 0 年代- 8 0 年代 一9 0 年代。 第一个d s p 微处理器i n t e l 2 9 2 0 出现在1 9 7 6 年，接着是1 9 8 2 年的a m d 2 8 ll ， n e cup d 7 7 2 0 ，德州仪器公司的t m s 3 2 0 1 0 。2 8 11 和7 7 2 0 两者都有片上阵列乘法 器，都有可编程r o m 和相对小的数据和程序寻址空| 白j 。3 2 0 1 0 是第个可全速从 片外r a m 执行指令的微处理器，且容纳的程序也比7 7 2 0 大一个数量级。第一阶 段的d s p 具有下列特点：指令流水，有效的寻址模式，有子程序调用和地址传递 协议；使用h a r v a r d 结构，可同时取指令和数据；特殊的d s p 相对寻址模式( 如 变址计算任意数的模式) ，对于f i r ( f i n i t e l e n g t hi m p u l s er e s p o n s e ) 的滤 波器自动循环队列或数据移动，对于f f t 的比特反转；附加的寻址a l u ：对于特 殊应用的接口( 如对于通信编码的串行接口) 。d s p 系统主要由分立元件组成， 包括线性电路模拟前端、模拟数字转换器和外围界面电路、一大堆的组合电路、 可编程的阵列逻辑( p a l ) 及可编程只读存储器( p r o m ) 、存储器及个别处理器。 当时的d s p 技术在医疗电子、生物电子、应用地球物理等领域获得应用。进 入8 0 年代，随着数字信号处理技术应用范围的扩大，要求提高处理速度，到1 9 8 8 年出现了浮点d s p ，执行浮点算术运算和乘累加，如a t & td s p 3 2 c ，m o t o r o l a d s p 9 6 0 0 2 ，t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 0 等，同时提供了高级语言的编译器。这种d s p 是一种专用的综合性微处理器，能够告诉输入和输出数据，专门处理以运算为主 的信号处理应用系统。如电话p c m 传输和程控交换中大量使用的语音处理，数据 传输用的调制解调器，计算机的硬盘驱动器等。到了9 0 年代，d s p 技术发展十 分惊人，以d s p 作为主要元件，再加上外围设备和特定功能单元综合成的单一芯 片，加速了d s p 解决方案( d s ps o l u t i o n d s p s ) 的发展，同时产品的价格降低， 运算速度和集成度获得提高，9 0 年代d s p 揭丌了计算机、通信、消费类、汽午、 军事等电子市场的新纪元，这些技术也反过来促进了数字信号处理器的发展和 需求。 当前的d s p 多数基于r i s c 结构，且进入v l s i 阶段，如t i 公司的t m s 3 2 0 c 8 0 代表了d s p 的新一代芯片集成技术，它将4 个3 2 位的d s p 、1 个3 2 位的刖s c 扛 浙江大掌硕士掌位论文 处理器、1 个传输控制器、2 个视频控制器和5 0 k b s r a m 集成在一个单片上。由于 数字信号处理系统愈来愈先进，高科技含量愈来愈高，系统性能愈来愈强大，现 在的d s p 芯片制造商随d s p 芯片提供系统的解决方案d s p s 。d s p s = d s p + 混合信号 处理电路+ 系统软件+ 软件。d s p s 可包括其它半导体器件，如逻辑电路、存储器 及a s i c 。系统技术包括设计工具、技术支持及产品信息。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的 d s p 是t i 公司的高端d s p 产品，它包揽了许多高性能的芯片，是具有先进的v l i w 的高度并行类r i s c 结构的指令集。业界可以得到的最高性能的d s p 芯片，该系 列芯片的发展蓝图中有高至5 0 0 0 m i p s 、3 g f l o p s 的处理性能。也是唯一的一种在 定点和浮点芯片指令级兼容的d s p 芯片系列，同时该系列芯片是面向c 编译器而 设计的，c 语言的编译效率较高。 自从德州仪器( t i ) 1 9 8 2 年推出第一个通用可编程d s p 芯片以来，d s p 技术 带来了决定数字技术未来的突破性应用。整整1 5 年，t i 一直在d s p 技术上独领 风骚。在此期间，t i 的d s p 芯片性能由最初的每秒5 0 0 万条指令增加到1 6 亿条 指令，也就是说，从互联网上下载软件的时间由l o 分钟缩短到了5 秒钟以下。 与此同时，d s p 芯片的价格却由8 0 年代的数百美元，下降到了目前的5 美元， 甚至还可以更便宜。t i 公司为不同应用领域提供了不同的解决方案，持续开发 了t m s 3 2 0 c l x ，t m s 3 2 0 c 2 x ，t m s 3 2 0 c 3 x ，t i s 3 2 0 c s x ，t m s 3 2 0 c 6 x 等系列d s p 器件， 其中c 2 x x 以其低廉的价格，低功耗和高性能等特点被广泛应用于国内的数据采 集系统中，以c 2 x x 系列内核为基础的新一带d s p 器件t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 不仅继承了 上述优点，同时增加了数字马达和运动控制功能，内置最小采样间隔5 0 0 n s 、1 0 位采样长度的高速a d 和片内r o m ，最高运算速度达到3 0 m i p s ，其一系列特点完全 满足一般工业控制领域的数据采集要求。本文所涉及的数据采集系统即建立在 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的基础上，它的详细特点和解决方案将在以后的章节中说明。 1 2 2 高速串行总线( u s b ) u s b 总线是1 91 9 8 0 年来串口和并口技术出现以来，最重要的计算机外设联 标准之一。它追求的是对外设的高速度和高通用性，于1 9 9 4 年由i n t e 等7 家 公司推出协议标准，专门用于中低速的计算机外设。它迅速被应用在视频会议的 摄像采集、扫描仪、监视器、p c 电话设备、人机交互设备如键盘、游戏设备等， 浙江大学硕士掌位论文 在国内也逐渐应用在工业数据采集系统中。u s b 具有易用、真正的热插拔、高性 能和系统造价低廉等优点，也正是由于这些优点是它从书面的协议变成产品只用 了不到两年的时间。 u s b 总线是一个星型总线结构，它相对于以往的计算机外设总线如 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等具有以下优点。 速度快。u s b 有高速和低速两种模式，主模式为高速模式，速率为1 2 m b p s 。， 同时为了适应某些对速率要求不高的外设如键盘、鼠标等的要求，u s b 也提供低 速模式，速率为1 5 m b p s 一真正的热插拔。大家一定有以下的经历，为了给计算机换一个新键盘或一 块新的数采卡，你必须结束当前的任务，关闭机器，换卡，然后启动机器，不幸 的是痛苦才刚刚开始，然后系统会提示你新硬件的驱动，接着你安装正确( 假定 你完全懂得这一套) ，还是重起，然后。现在有了u s b 外设，你再也不用打 开机箱，再也不要开关机，也不用装什么驱动( 也许你本不知道它是什么) 。u s b 系统对其进行自动配置，切变的那么简单，只有拔掉和插上的动作。 易于扩展。u s b 通过h u b 可扩展至最多1 2 7 个设备，标准u s b 电缆长度为 3 米( 低速5 米) 。通过h u b 或中继器可使外设距离达到3 0 米。 能够采用总线供电。u s b 总线提供最大5 v 电压，5 0 0 m a 电流。 使用灵活。u s b 共有4 中传输模式，控制传输( c o n t r 0 1 ) ，同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n ) ，批量传输( b u l k ) ，中断传输( i n t e r r u p t ) 。以方便对不同的 设备和不同的数据类型采用不同的传输模式。 u s b 总线的出现改变了过去十几年工程师们关于数据采集系统的几种模式的 固有思维，自从i p c 被广泛应用于工业控制和监测领域，对现场数据的采集总是 以以下的模式，信号经过传感器经数采单元进入i p c ，然后i p c 对现场数据进行 分析处理。数采单元与i p c 的通讯手段在u s b 未出现以前，主要通过r s 4 8 5 总线 或i p c 内置的i s a p c i 板卡两种方法。r s 4 8 5 是一个扩展性能良好的低速总线， 被广泛应用在温度、压力、流量的数据采集中，但是今天的工业环境同益复杂， 我们所面对的对象种类和数量大幅增加，如电信领域的数据监测，i n t e r n e t 的 数据流量监测，数据流量越来越大，显然r s 4 8 5 的传输带宽远不能达到要求。 奉文所提到的u s b 为u s b ii 。事实i 靳的u s b 坍 义2 0 支持的培人速率口j - 达4 8 0 m b p s 。 浙大掌硕士掌位论，： i s a p c i 卡给我们提供了满足要求的另外一种选择，p c i 的最大传输速率达到 】3 3 m b p s ，完全可以满足要求，但它总是伴随i p c 出现的，安装麻烦、容易受机箱 内环境干扰，而且受计算机内插槽和地址、中断资源的限制，不可能挂接什么设 备。u s b 总线既继承了r s 4 8 5 总线的可扩展性，又一定程度上增加了对带宽的适 应性，同时克服了p c i 卡的一些固有缺点，如同i p c 的连接在箱外，不受插槽和 中断等其他限制。因此u s b 总线成为目前构建可扩展性数据采集系统的最佳选 择。 由于u s b 的诸多优点，市场上已经出现了很多u s b 的产品，不过目前多集中 于低速设备如鼠标，键盘，显示器，游戏杆等，或在图像领域如u s b 摄像头，在 数据采集领域，虽然也有一些u s b 的数据采集卡，但多是简单的应用u s b 协议， 而没有很好的结合d s p 技术形成完整的优秀的数据采集系统。在以后章节中我将 结合d s p 技术详细阐述u s b 在数据采集系统中的应用。 1 3 u s b 的解决方案 我在以上阐述d s p 和u s b 两种新技术时，提到了旧的数据采集机制上的许多 缺点，当这些缺点阻碍了应用的发展，已经使原有的数据采集机制满足不了目前 的应用，就应该设计一种新的解决方案，所以作为一种新的解决方案就应该克服 目前现存方案的缺点，不仅如此，它还要求能够提供进一步的发展和扩充空间。 1 3 1 目标 借助d s p ，u s b 等新技术的发展，研究和设计新型的数据采集系统。结合u s b 自身的特点开发出具有价格竞争力、易用的、可扩展的、能满足中高速带宽要求 的数据采集方案一- - u s b 的解决方案。 新解决方案应有以下特点。 _ 满足对复杂数据的采集和处理能力。 一从与i p c 的i 0 实现有关的系统资源的问题中解放出来，如 o 地址空问， l r q 以及d m a 通道。 一带宽应满足中高速要求，并具有良好的发展、升级空f b j 。 _ 系统要具有可扩展性，能够挂接多个和不同的设备。 浙江大学硕士掌位论文 精简操作，支持热插拔和p l u g p l a y 。 1 3 2 任务及组织 在本文中，我将论述一种u s b 、d s p 的数据采集解决方案，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，同时能够给出启迪，帮助工程师 丌发出其他的u s b 外设。由本文题目可以看出我的重点将说明在新的系统中的 u s b 的解决方法，关于d s p 部分的详细论述本文将给出参考索引。 结合上述的目标和u s b 系统的开发步骤，本文组织如下。全文共分6 章，借 助本文的组织，熟悉u s b 协议的读者可以略过第2 章“理解u s b 协议”，直接到 第3 章“d s p 系统中u s b 设备的硬件开发”，在这一章中我也将借阐述硬件方案 的机会，给出一个基于d s p 、u s b 的数据采集系统方案，并以此为例作为以后各 章论述的基础。第4 章“d s p 系统中u s b 设备的固件开发”，主要说明如何开发 在数据采集系统中u s b 设备的固件，第5 章“u s b 的主机驱动接口”，c 兑明如何 开发u s b 设备的主机驱动程序，第6 章“总结”，本章是本文的结束，总结了全 文并对u s b 系统的终端用户接口作了简单介绍，同时也对u s b 技术的发展给出了 展望。 开发一个基于u s b 的数据采集系统的步骤和方法，我将在以后各章中详细讨 论。 浙江大掌硕士掌位论文 第二章理解u s b 总线 为了设计一个u s b 设备，首先必须理解u s b 总线协议。u s b 协议1 1 版共有 2 8 1 页，但是幸运的是，正如协议本身所声明的，我们并不是必须通读整个协议 后才能开始设计一个u s b 设备。这章我将给出足够的关于一个设计u s b 设备的知 识，这些都是对u s b 协议的简化，详细的内容请参考协议本身。 在上一章中，我已经提到了一些u s b 的设计目标，如易用、真正的热插拔等， u s b 总线是一个可以被很多p c 外设共享的一条串行总线，带宽为1 2 m b p s ，最多 可同时连接1 2 7 个p c 外设。它有四根连接线：两根电源线，两根数据线。它是 一个令牌式总线协议，u s b 的主控制器( h o s t ) 是整个总线的中心。主控制器在u s b 总线上广播信令，而总线上的设备接受信令并进行地址比较，如果地址相符则根 据信令给主控制器相应的回答。它通过时分复用( t d m ) 方式，每l m s 形成一个 u s b 帧，让所有的设备共享1 2 m b p s 的带宽。主控制器管理所有设备的总线请求 和调度总线。 2 1 u s b 总线的拓扑结构 图2 1u s b 总线拓扑结构 浙江大学司e 士学位论文 u s b 协议定义了u s b 系统中两个主要部分：u s bh o s tp c 和u s 8 设备，及其 它们之间的连接和通讯方式。它的物理拓扑结构如图2 1 所示，是星型总线结 构。 在一个u s b 系统中，只有唯一的一个主控制器( h o s t ) 。u s bh o s t 就是一个 集成了包括硬件、固件、软件的u s b 主控制器的p c 。本文主要描述u s b 设备的 开发，关于h o s t 的详细介绍可以参考u s b 协议的第1 0 章。h o s t 是整个u s b 系 统的中心，它控制和调度整个u s b 总线的活动。为了连接更多的设备，一个根集 线器( r o o th u b ) 被集成在h o s t 中。 有两种类型的u s b 设备：u s b 集线器和u s b 功能设备( u s bf u n c t i o n ) 。集线 器为u s b 系统提供更多的功能设备连接接口，可以把它当作成连接更多设备的电 气插口。u s b 功能设备为系统提供需要的功能，如键盘、游戏操纵杆等。本文主 要的焦点是u s b 的功能设备，所以设备和功能设备并不区分。 2 2u s b 总线的数据流模型 u s b 提供了在设备和主控制器之间的通讯协议。尽管u s b 总线是一个星型的 总线结构，但u s b 设备到u s bh o s t 之间的连接可以逻辑上认为是一对一的，如 图2 - - 2 所示。它是u s b 系统的逻辑拓扑结构，数据流模型是基于这个逻辑结构 的。 幽2 2u s b 系统的逻辑连接 浙江大学硕士掌位论文 2 2 iu s b 的管道( 地址和端点) u s b 的通讯可以看作是用一个管道( p i p e ) 进行的，如图2 3 所示。 图2 3u s b 的管道和端点概念 备) 微管道( 端点) 它包括一个大的管道( 1 2 m b p s ) 和总共最大可达1 2 7 个的小管道。每一个小 管道连接到一个u s b 设备。在一个u s b 的信令( t o k e n ) 中，有7 个地址位( 详细 的指令格式在栅膨自移茸一节中) ，所以应该可以有1 2 8 个不同地址的设备。 但是地址0 0 00 0 0 0 b 被u s b 保留为缺省地址( d e f a u l ta d d r e s s ) ，每一个设备在 上电时都是使用这个地址。这样一来，u s b 所能支持的最大设备就只有1 2 7 个了。 连到每个设备的小管道还可以被分成更小的管道，称之为微管道，如图2 3 所 不。 在一个小管道中最大有1 6 个微管道。这是因为在一个u s b 信令中有4 个b i t 的端点( e n d p o i n t ) 位，这些信令可以标示成i n 和o u t 信令。一个设备收到一 个i n 指令后，它从设备向h o s t 发送数据，如果设备收到的是o u t 指令，它从 i q 0 s t 接受发送到设备的数据。端点和微管道结合是为了更清楚的阐述u s b 管道 的概念。在u s b 系统中，这些端点( 或微管道) 是最重要的概念。例如在一个多 媒体u s b 设备中，一个端点传输数据，一个端点传输声音，一个端点传输控制信 息。所有的这些数据包要求不同的传输特性，如文件中的数据传输( 例如，文件 发送到打印机) 要求很高的准确率，一般误码率要求低于l 1 0 “”。同时，声音 数据能够容忍1xi 0 1 的误码率，却不能容忍过长的延时( 一般延时 2 0 m s ，即 认为效果已经很差) 。因此，u s b 通过管道的概念，即用不同的管道分离不同的 数据类型、数据源等，从而u s b 可以传输各种不同的信息。 浙江大掌硕士掌位论文 2 2 2u s b 的传输类型 共有4 中传输类型，1 ) 控制( c o n t r 0 1 ) ，2 ) 同步( i s o c h r o o u s ) ，3 ) 中断 ( i n t e r r u p t ) ，4 ) 块( b u l k ) 。 1 ) 控制传输 控制传输是双向的，主要用来支持h o s t 和设备之间的配置、命令、和状态 通讯。一个控制传输包括2 到3 个阶段：建立阶段( s e t u p ) ，一个可选的数据阶 段( d a t a ) ，状态阶段。在建立阶段，h o s t 发送一个请求给设备。在数据阶段， 数据按照建立阶段所要求的方向进行传输。在状态阶段，设备返回一个握手信号 给h o s t 。 任一个u s b 设备的端点0 都必须是控制传输端点。当设备第一次被连上u s b 总线时，它用来交换信息( 参见u s b 总线的我驾爹一节) 。u s b 通过c r c 校验( 参 见脚的自移才一节) 并且如果错误不能恢复则重传，保证控制传输模式的准 确性。 2 ) 同步传输 同步传输可以是单向的，也可以是双向的。它用在要求恒定传输速率，同时 可以忍受一定误码率的情况下。这种传输类型的一个成功应用的例子是6 4 k b p s 的通过脉冲编码调制( p c m ) 的声音数据。声音数据要求恒定的传输速率同时能 够容忍出错( 般容忍最大误码率为1x1 0 。b i t ) 。 同步传输有以下特征： 保证带宽和延时 不重新发送发生错误的数据 在每l m s 的一个u s b 帧内，同步传输的最大包为1 0 2 3 字节长。这使同步传 输的最大带宽可达8 1 8 4 b f b p s 。 3 ) 中断传输 中断传输是单向的，只能是从设备到主控制器。它用来传输小量的、经常发 生的数据。u s b 的中断传输是查询型的，也就是说，h o s t 按照端点的请求的时问 间隔，不断的问设备是否有数据需要传输。对于全速设备，端点可以设定查询时 t 日j 隔从l m s 到2 5 5 m s 。对于低速设备，查询时间间隔将从1 0 m s 到2 5 5 m s 。因此， 对于全速设备最快的查询频率为1 k h z 。在中断传输中，如果数据m ”- j l ：，那么存 浙江大掌硕士掌位忱文 下一个查询周期中将重新传输出错的数据。一个非常好的应用中断传输的设备例 子是键盘，每当有键被按下时，它就发送小量的数据到h o s t 。 4 ) 块传输 块传输可以是单向的，也可以是双向的。当需要传输大量的数据并要求高准 确性，同时对延时的要求不是很高时，就用块传输。块传输从设计上保证只请求 u s b 总线上空闲的带宽，因此块传输只发生在u s b 总线有可用带宽的基础上。如 果在传输中数据出错，数据将重发。典型应用是扫描仪，大量的数据需要不出错 的传输但不要求马上传输。 2 3u s b 总线的机械和电气特性 有两种u s b 连接器：a 系列和b 系列。a 系列连接器如图2 4 所示 厂i 絮接彭奄刁 “器u s b 黼 浙江大掌硕士学位? 文 图2 5a 型和b 型连接器的用法 标准u s b 电缆包括对2 0 - - 2 8 a w g 的供电电源线对，一对2 8 a w g 的双绞数据 线，外面包上屏蔽层。电缆的横截面如图2 6 所示。这个电缆使用来连接全速 设备的( 速率为1 2 m b p s ) 。 图2 6 高速电缆段的横截面 对于带宽为1 5 m b p s 的低速设备，数据信号线可以使非双绞线的标准导线， 也不要求屏蔽。除了提到的区别外，全速和低速数据线在机械特性上是相同的。 正如图2 6 所示，一共有4 根u s b 传输线：一对电源线( v b 。和g n d ) 和一对信号 线( d + 和d ) 。对于全速设备，一个大小为1 5 k q 5 的上拉电阻需要接在d + 数据信号线 上，如图2 7 所示。 图2 7 全速设备的上拉电阻连接示意图 如图2 7 所示，在u s b 数据连接线上还需要一些串行电阻( 典型值为2 9 - - 4 4 q 。对于低速设备，1 5 k q 5 的上拉电阻需连接在d 数据信号线上，供电电 浙江大掌司e 士掌位论文 源在3 0 到3 6 v 之间。 2 3 1 u s b 总线供电 u s b 总线可以对设备提供一定的供电，从根集线器或个自供电的集线器的 端口上，可以提供4 7 5 v 一5 2 5 v ( v 。) 到o v 的电压。一个总线驱动型设备可以从 根集线器或一个自供电的集线器那里最大得到5 0 0 m a 的供电电流。总线驱动型设 备的定义是设备直接从u s b 总线上得到电流。那种依靠设备自身供电的设备也叫 作自供电设备。在u s b 设备第一次连接上u s b 总线时，它所请求的电流量还没有 得到h o s t 的保证时，这个设备从u s b 总线上得到的最大电流不能高于l o o m a 。 对于连接到自供电集线器上的设备，所允许的最大电流为1 0 0 m a ( u s b 协议1 1 第7 章) 。 2 4u s b 的包格式 u s b 的包有以下几种格式：信令，s o f ，数据，握手和特殊包。 2 4 1 信令包( t o k e np a c k e t s ) u s b 的一个事务( t r a n s a c t i o n ) 总是由h o s t 开始的，它以一个t o k e n 开始 格式如下： 图2 - 8u s b 信令包 s y n c 所有的包以个同步域( s y n c ) 丌始。输入电路用它来对接收的数据与木地 时钟进行同步，长度为8 b i t s 。 p i d 在s y n c 后紧跟一个包的标识符( p i d ) ，一个p i d 包括4 b it s 的数据位和4 b i t s 的校验位，如图2 9 所示。 浙江大掌硕士掌位沦文 图2 - - 9p i d 包格式 p i d 标识传输包的类型( 通过p i d o 和p i d i ) ，或者是信令，数据，握手或特 殊包类型。 这四种类型的包同p i d 2 和p i d 3 被进一步分成以下具体信令，如表2 1 所 示。 包类型p i d 名p i d 3 ：p i d 2p d i ：p i d o 信令 o u t0 0o l 信令 i n1 00 1 s o fs o f 0 10 1 信令 s e t u p 1 10 1 数据 d a t a 00 01 1 数据 d a t a l1 0l l 握手 a c k0 01 0 握手 n a k1 01 0 握手 s t a l l 1 11 0 特殊 p r e 1 10 0 表2 1u s b 包列表 在u s b 中，发送是先从最低有效位( l s b ) 开始的，然后下一个l s h ，直到 m s b ( m o s ts i g n i f i c a n tb j t ) 。在本章所有图示中，包都是按照其在u s b 总线上 的发送顺序列出的，即从左到右的读顺序。 a d d r 这个7 位的地址域表示设备的地址。在u s b 总线枚举过程中，当u s h 设备第 一次接入u s b 总线时，h o s t 给设备分配一个唯一的地址。 e n d p 这个4 b it s 的微管道域进一步表示数据包发送到一个设备的哪个微管道。例 如，一个设备有端点0 和端点l 被配置了，那么在这l l 寸，h o s t 可以选择和端点0 通讯而忽略端点1 。 c r c 循环冗余校验( c r c ) 对u s b 信令包中除了p i d 域的其他域进行错误校验。 浙江大掌硕士学位论文 正如图2 9 所示，p i d 域不被包括在c r c 校验中，是因为它自身包括了错误校 验。 2 4 2 帧开始包( s o f ) s o f 包格式如图2 1 0 所示，h o s t 每隔1 o o m s 0 0 5 广播它一次。 图2 - - 1 0 u s b 的s o f 包格式 p i d 用来标示它是一个s o f 包，在p i d 后面用一个1 1 b i t s 的数表示这个帧的 序列号。 2 4 3 数据包 在u s b 中，h o s t 负责管理总线，设备响应来自h o s t 的请求。如果h o s t 想从 设备取得信息，它会向设备的端点发送一个i n 信令，设备收到后返回一个u s b 数据包。数据包的格式如图2 1 1 所示，其中p i d 用来区分是d a t a o 还是d a t a l 数据包。 图2 - - 1 1u s b 的数据包格式 如果一个端点的传输类型是块、控制、或者中断传输，并且h o s t 正确的收 到数据，那么它会给设备一个响应信息。如果传输类型是同步方式，没有任何握 手信号会返回。h o s t 如果想传输数据到设备，它会在发送一个o u t 信令之后发 送数据包。 2 4 4 握手包 握手包只包括个p i d ，如图2 一1 2 所示。它用在需要握手的传输中，通过 p i d 的标识，分别用来报告a c k ，n a k ，s t a l l 握手信号。 匝二工互 幽2 1 2u s b 的握手包格式 浙江大掌硕士学位论文 2 4 5 特殊包 当h o s t 需要和低速设备通讯时，它需要发送一个前导包p r e ( p r e a m b l e ) 。h o s t 将先发送这个p r e 包，然后才会发送速率为1 5 m b p s 的包同低速设备进行通汛。 2 5 不同传输模式下的u s b 协议 这一节将详细的描述不同传输模式的u s b 协议实现。控制传输不同于其他类 型的传输，它要经过几帧才能完成。其他传输类型都在一帧内完成。 1 ) 控制传