（通信与信息系统专业论文）基于mcf5249的usb主机的设计与实现.pdf

皂王型垫盔堂三堂堡主堂笪笙苎 一 摘要 在u s b 技术广泛应用的今天，研究u s b 的相关应用具备鲜明的时代 意义。移动数据的交换和存储，是近年来i t 行业的热点。可以预见，能 让移动数据交换真正“移动”起来的嵌入式u s b 主机将被广泛应用于消 费类电子产品中。 本文根据设计要求，首先分析了u s b l 1 协议，其中，对u s b 的系统 体系、数据通信模型、数据包格式、u s b 标准描述符进行了深入剖析；其 次，在分析u s b 大容量存储设备( m a s ss t o r a g e ) 类规范的基础上，建立 了u s b 主机与m a s ss t o r a g e 类设备之间的逻辑通信模型；然后，进行了 u s b 主机控制器扩展接口电路和u s b 主机系统软件的设计；最后对u s b 主机系统进行了硬件和软件上的测试。 在硬件设计上，以m c f 5 2 4 9 为处理器( 3 2 一b i t 嵌入式m c u ) 和 s l 8 1 1 h s ( u s b 主机控制器) 为主机控制芯片，依托m 5 2 4 9 c 3 实验开发 板，通过分析芯片结构，引脚信号功能和读写时序，m c f 5 2 4 9 对m 5 2 4 9 c 3 上各模块存储空间的管理，完成了u s b 主机控制器接口电路的设计，实 现了m c f 5 2 4 9 对s l 8 n h s 的操作和控制。 在软件设计上，以m e t r o w e r k s 公司的c o d e w a r r i o r 为编译调试平台， 进行软件编码和调试，并利用m 5 2 4 9 c 3 开发板上的b d m 口和计算机的并 口相连，通过下载c o d e w a r r i o r 编译生成的e l f 文件到m c f 5 2 4 9 的s d r a m 中对软件进行功能测试；采用模块化设计的思想，将u s b 系统软件分为 通用的u s b 设备命令和特定的u s b 设备类应用程序两部分，对各模块分 别加以实现。实现了u s b 设备的检测、识别、配置；建立起u s b 大容量 存储设备类的单批量( b u l k o n l y ) 传输，并在此基础上，建立与文件系统 的接口，通过发送u f i ( u s bf l o p p yi n t e r f a c e ) 命令实现了u 盘文件的 读，写。 通过一系列的测试，包括u s b 主机扩展接口电路测试；u s b 设备连 接检测的测试；主机识别设备并对设备进行配置的测试：主机和设备之间 m a s ss t o r a g e 类协议数据传输的测试，表明本u s b 主机的硬件电路设计是 正确的，u s b 主机能够实现对设备进行检测、识别、配置和读写文件等 操作，达到了预定的设计目的。 【关键词】u s b 主机：m c f 5 2 4 9 处理器；主机控制器；单批量传输；u f i 命令 皇王型垫盔兰三堂堡主兰焦堕苎 a b s tr a c t 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 ai st h er e c e n t l yh o t s p o ti ni t i n d u s t r y ，w h i c hi ss p r i n g i n gu pw i t ht h eu s bg r o w su p t h eu s b t e c h n o l o g y i sn o to n l yt h ei n t e r m e d i u mo fm o b i l ed a t ae x c h a n g e ，b u ta l s oi t sc o r e i ti s c a nb ef o r e s e et h a t ，t h ee m b e d d e du s bh o s tw i l lb ew i d e l yu s e di nc o n s u m i n g e l e c t r o n i cp r o d u c t a c c o r d i n gt o t h e d e s i g nr e q u e s t ，f i r s t l y ，t h e u s b l 1 s p e c i f i c a t i o n i s a n a l y z e d i nt h i s t h e s i s ，i nw h i c h ，p u t t h e e m p h a s i s o nt h eu s bs y s t e m a r c h i t e c t u r e 、d a t ac o m m u n i c a t i o nm o d e l 、d a t ap a c k e tf o r m a t 、u s bs t a n d a r d d e s c r i p t o r s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h eu s bd e v i c em a s ss t o r a g e c l a s ss p e c i a t i o n ，t h el o g i c a lc o m m u n i c a t i o nm o d e lb e t w e e nh o s ta n dd e v i c ei s e s t a b l i s h e d t h i r d l y ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h eu s b h o s ts y s t e m i sr e a l i z e d w h i l ed e s i g n i n gt h eh a r d w a r e ，b a s e do nm 5 2 4 9 c 3d e v e l o p m e n t k i t ，w e u s e m c f 5 2 4 9 ( 3 2 - b i t e m b e d e d m c u ) a sp r o c e s s o r ，s l 8 11 h s ( u s bh o s t c o n t r o l l e r ) a sh o s tc o n t r o l l e r b ya n a l y z i n gt h ea r c h i t e c t u r eo ft h ec h i p s ，t h e f o u n c t i o no ft h e p i n s a n dt h er e a d w r i t e t i m i n g ，t h eu s bh o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c ec i r c u i ti sa c c o m p l i s h e d d e p e n d i n go ni t ，m c f 5 2 4 9c a no p e r a t ea n d c o n t r o ls l 811 h s w h i l ed e s i g n i n gt h eu s bs y s t e ms o f t w a r e w eu s et h em e t r o w e r k s c o d e w a r r i o ri d ea st h ep r o g r a m m i n ga n d d e b u g i n gt 0 0 1 f i r s t l y ，t h eu s b b u s d r i v e ri sb er e a l i z e d ，w h i c hc a nd e t e c t 、r e c o g n i z ea n ds e t u pt h eu s b d e v i c e ， t h e n ，t h eb u l k - o n l yt r a n s p o r td r i v e ri sb u i l d e db a s eo nu s bm a s ss t o r a g e c l a s ss p e c i f i c a t i o n o v e rb u l k - o n l y t r a n s p o r t i n g ，t h eu s bh o s tc a nr e a d w r i t e t h ef i l e so nt h eu s bf l a s hd i s k b ys e n d i n gu s bf l o p p yi n t e r f a c e ( u f i ) c o m m a n d s a tl a s t ，t h e r ea r eas e r i e so ft e s t sa b o u tt h ef o u n c t i o no ft h ee m b e d d e d u s b h o s t t h e ya r et e s tf o ru s bh o s te x p a n d i n gi n t e r f a c ec i r c u i t ；t e s tf o r d e t e c t i n g 、r e c o g n i z i n ga n ds e t u p i n gu s bd e v i c e ，a n dt e s tf o rd a t at r a n s m i s s i o n o v e rm a s ss t o r a g ec l a s ss p e c i f i c a t i o n t h er e s u l t so fa l lt h et e s t sv e r i f yt h a t t h eh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e du s bh o s ti s c o r r e c t l yd e s i g n e da n dt h eu s b s y s t e ms o f t w a r ec a nd r i v et h eu s bh o s tt or e a d w r i t et h ef i l e so nu s bf l a s h d i s k 【k e y w o r d s u s bh o s t ；m c f 5 2 4 9 ；h o s t c o n t r o l l e r ；b u l k o n l yt r a n s p o r t ： i j f ic o m m a n d i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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己经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我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 确的说明并表示谢意。 签名：逐型嗍硝年5 月即日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：堑盐坠：鱼 日期：枷5 年5 - j q 卵日 电子科技大学工学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究嵌入式u s b 主机的意义 1 1 1u s b 的产生和发展 如今p c 上使用的绝大多数外部设备仍然基于接口实现，随着计算机 技术的飞速发展，一般的串行和并行接口已经无法满足p c 与外部设备之 间不断提高的速度和稳定性、易用性和可扩展性的要求，大大限制了计算 机的发展。u s b 总线是为了解决传统总线的不足而提出并推广的一种新的 串行总线标准，目前已广泛应用于p c 机与其外围设备的互联。 与其他总线相比，u s b 总线具有低成本、使用简单、连接容易、支 持即插即用、易于扩展、维护方便等特点，已成为p c 及其外部设备的标 准协议之一，迅速占领了计算机中、低速外部设备的市场。随着u s b 技 术趋于成熟，近年来u s b 2 0 协议的出现，大大提高了u s b 的传输速度， 使得u s b 进入个发展的黄金时代【l l 。现在p c 机均配备有u s b 主机接口， 流行的操作系统都支持u s b ，很多厂商也都提供u s b 芯片与外设。 1 1 2 研究嵌入式u s b 主机的必要l 生 随着u s b 的应用领域的逐渐扩大，消费类电子产品的迅速发展，人 们对于u s b 的期望也越来越高，希望u s b 能应用在各种非计算机领域中， 尤其是在移动数据领域中，希望能够直接实现一些原来要通过p c 机才能 实现的功能，例如挂接移动硬盘以备份数据，直接驱动u s b 打印机打印 照片等等，使得u s b 能应用在没有p c 的领域中。 非p c 应用领域? 这正是u s b 一个致命的弱点。在u s b 的拓扑结构 中居于核心地位的是主机( h o s t ) 。任何一次u s b 的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，任何两个外设 之间或是两个主机之间无法直接通信。而目前，大量扮演主机角色的是个 人电脑，目前所能买到和使用的u s b 移动设备，比如u s b 的移动硬盘、 带u s b 接口的数码相机等都只集成了u s bs l a v e 功能。所有这些设备都只 能在p c 上使用，只能通过p c 来进行相互的文件和数据交换。没有了p c ， 也就是没有了u s b 主机，这些设备就“失灵”了。 电子科技大学工学硕士学位论文 因此，“如何将u s b 应用到嵌入式领域? 如何实现u s b 点对点的通 信? ，等问题，开始进入了u s b 开发者的讨论议程。正是在这种新的需 求之下，u s b 主机的嵌入式应用成了u s b 领域新的兴奋点，研究嵌入式 u s b 主机就显得非常必要。 1 2 国内外对嵌入式u s b 主机的研究现状 嵌入式u s b 主机作为u s b 的延伸，国内、外的研究都是处于积极研 究和发展的阶段，同时已经有为数不少的半导体公司提供接口芯片。目前， u s b 接口芯片很多，但主要有3 类，类是带有微控制器( m c u ) 的u s b 接口芯片。这类u s b 接口芯片的微控制器从底层控制u s b 接口。比如： c y p r e s s 的e z u s b f x f x 2 系列等，这类芯片的微控制器有自己的系统结 构和指令。有些u s b 接口芯片的微控制器是通用芯片( m c s 5 1 内核) ，比 如a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 13 x 、i n t e l 公司的8 x 9 3 1 等。另外，也有很多公司 的s o c 专用芯片也带有u s b 接口，如a t m e l 的a t 7 6 c 1 1 3 数码相机专用 芯片就集成了良种功能角色的u s b 接口，此类芯片多数是消费类电子产 品芯片【】 ”。 另类是纯粹的u s b 接口芯片，它需要有个外部微控制器。如朗 讯的u s s 8 2 0 ，n a t i o n a l 公司的u s b n 9 6 2 0 、p h i l i p s 公司的i s p l 3 6 2 、c y p r e s s 公司的s l 8 1 i h s ，e z - u s bf x 2 等 2 】。其中，c y p r e s s 半导体公司是u s b 控制器设计领域的领先者。 还有一类是单纯的物理层总线接口转换器，如p h i l i p s 的p d i u s b l l a 。 由于需要用户自行实现u s b 协议部分，设计较复杂，通常只作为控制器 开发和测试使用1 2 1 。 市场上也逐步出现具有部分功能的嵌入式u s b 主机产品，但大多数 厂家和u s b 论坛所能提供的产品或d e m o 多数是依靠嵌入式操作系统 w i n c e 和l i n u x 等，在国内，也有一家北京的高科技公司提供嵌入式u s b 主机解决方案，虽然也能接入“u 盘”，但还很不完善。因此，不依托任 何操作系统的u s b 主机系统的研究具有一定的领先性、前瞻性和实用性。 1 3 本论文的设计目标和研究内容 本课题是m o t o r l a 基金所资助c o l d f i r e 系列微处理器推广项目的一部 分，目标是依托m 5 2 4 9 c 3 实验开发板以c o l d f i r em c f 5 2 4 9 为处理器，开 发基于u s b l 1 协议的嵌入式u s b 主机，能够实现对u s bm a s ss t o r a g e 电子科技大学工学硕士学位论文 类设备的检测、识别、配置并能实现对u s b m a s ss t o r a g e 类设备上的文件 进行读，写等操作。 由于m 5 2 4 9 c 3 实验丌发板上没有u s b 主机控制器，所以要设计u s b 主机控制器接口电路，实现u s b 主机控制器和m 5 2 4 9 c 3 实验开发板的正 确通信，完成m c f s 2 4 9 对u s b 主机控制器的控制和操作；m c f s 2 4 9 主要 应用于消费类电子和汽车电子，因此要求u s b 主机能充分节约系统资源， 并且具有通用性，这样就需要u s b 主机的系统软件不依赖于任何操作系 统。 本文在充分分析u s b l 1 协议、u s bm a s ss t o r a g e 协议、m c f 5 2 4 9 芯 片结构、m 5 2 4 9 c 3 实验开发板各模块功能的基础上，选择合适的u s b 主 机控削芯片，成功实现了u s b 主机接口的硬件电路设计，和u s b 主杌系 统软件，达到了既定的要求。 本论文各章节的内容安排如下： 第二章是u s b 接口协议的研究。u s b 协议庞大、复杂，包括了大量 的描述信息，本文研究了大量的u s b 协议资料，压缩协议内容。分析了 u s b 的系统体系、u s b 的数据通信模型；剖析了对u s b 总线上主机与设 备交互的数据包；分析了u s b 的数据传输类型与事务：分拆了u s b 标准 请求命令。 第三章是m a s ss t o r a g e 设备类协议的研究。分析了b u l k o n l y 子类传 输规范的命令数据，状态的通信结构；建立基于u f i 子类规范的主机与设 备的逻辑通信模型。 第四章是u s b 主机的硬件设计部分。包括u s b 主机控制芯片s l 8 1 1 h s 和m c f 5 2 4 9 的芯片结构和信号特征分析：m c f 5 2 4 9 对m 5 2 4 9 c 3 实验开 发板的存储空间管理分析；设计出u s b 主机控制器扩展电路板。 第五章是u s b 主机的系统软件实现部分。包括软件设计思路，软件 结构和模块划分和软件的具体实现。 第六章是u s b 主机的软硬件联调和测试部分。 电子科技大学工学硕士学位论文 第二蕈u s b 协议研究 本章简要介绍了u s b 接口协议的特点和发展过程，同时对u s b l 1 协议做了详细分析。 2 1u s b 基本规范发展过程 早在1 9 9 4 年，i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r n t e l e c o m 等7 家世界著名的计算机和通信工业领先的公司组成联盟，并建 立u s b i f ( u s b 实旋者论坛) 来推进采用u s b 标准的兼容设备的开发。 u s b - i f 于1 9 9 5 年1 1 月正式指定了u s b 0 9 通用串行总线规范。与此同时， 就有p c 带有u s b 接口了，但由于缺乏相应的软件和硬件设备的支持，这 些p c 机的u s b 接口基本上是闲置未用的。到了19 9 7 年开始，才有真正 符合u s b 技术标准的外设出现。1 9 9 8 年9 月2 3 目，c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 四公司联手发布u s b l 1 正式版的接1 ：3 规范，从此，u s b 逐步走进 了实用阶段 4 1 。 其后，到了1 9 9 9 年，在i n t e l 的开发者论纭大会上，与会者介绍了 u s b 2 0 规范，该规范的支持者除了原有的四个成员外，还有惠普、朗讯 和菲利浦三个新成员，从而使联盟的核心成员数恢复为七个。2 0 0 0 年4 月2 7 日， c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 、l u c e n t 、h p 和p h i l i p s 7 公司 联手发布了u s b 2 0 接口规范川4 1 。 之后，u s b 一直持续不断地发展。今天的u s b i f 已经拥有6 0 0 多个 成员公司，几乎包括所有世界上地p c 和外设制造商。 2 2 u s b 系统体系 u s b 支持在主机和各种外设之间进彳亍数据传输。通过标准协议使各 种设备分享u s b 带宽，u s b 总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 个u s b 系统主要被定义为三个部分【5 】【6 】： u s b 的互连； u s b 的设备； u s b 的主机： 1 、u s b 的互连 u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进行的连接和通信操作。u s b 4 电子科技大学工学硕士学位论文 采用菊花链式的星形结构，能够支持多达1 2 7 个外设同时连接，充分满足 了外设的需求。以u s bh u b 为“中转站”的模式，大大减低了u s b 主机 的工作负荷，同时为设备的工作提供了更高的稳定性。 2 、u s b 的设备 主要分为两种设备类：集线器类( h u b ) 和功能部件类( f u n c t i o n ) 。 集线器类是为了提供更多的u s b 的连接点。功能部件类则是一种通过总 线进行发送、接收数据和控制信息的u s b 设备，为主机提供了各种具体 的功能。通过一根电缆连接在集线器的某个端口上，功能设备一般是一种 相互无关的外设。功能部件类又细分为多种类，现在已经形成的类规范如 下： 音频设备类：实时音频信息接收器的源或目的设各，如话筒、音 箱等； 通信设备类：和电话线相连的设备，如电信适配器、i s d n 等； 显示设备类：如显示器等； 人机接口设备类( h i d ) ；被终端用户操纵的设备，如：鼠标、键 盘、游戏控制杆等； 大容量存储设备类( m a s ss t o r a g e ) ：用于信息记录的设备，如软 盘、硬盘、f l a s h 存储盘等。 图像设备类：处理图像的设备，比如：扫描仪、摄象机等； 打印机设备类：比如打印机等。 3 、u s b 的主机 主要是主机端的硬件和软件。而主机端的硬件主要是主机控制器。 u s b 的主机通过主机控制器与u s b 设备进行交互。主机具有以下功能： 检测u s b 设备的安装和拆卸； 管理在主机和u s b 设备之间的控制流： 管理在主机和u s b 设备之间的数据流： 收集状态和动作信息； 提供能量给连接的u s b 设备。 主机端的软件主要是主机上u s b 的系统软件。u s b 的系统软件管理 u s b 设备和主机上该设备软件之间的相互交互，u s b 系统软件与设备软件 间有如下几种交互作用： 设备编号和设置； 同步数据传输； 异步数据传输； 电子科技大学工学硕士学位论文 电源管理： 设备和总线管理。 2 3u s b 数据通信模型 u s b 协议所况的通信指的就是u s b 设备和u s b 主机之间的通信。 物理上，总线上的设备通过一条物理连线和主机通信，所有的设备共享这 条物理链路。逻辑上，主机给每个设备提供了一条逻辑的连接，每个设备 都有这样一条点对点的连接5 1 。 从终端用户的角度看到的u s b 系统，可简单地用图2 - 1 表示。 图2 1 主机利设备的连接不意图 但在实际的实现上，具体的系统要比这复杂，不同层次的实现者对 u s b 有不同的要求。为了细化u s b 的通信机制，u s b 协议的开发者采用 了分层的概念，将u s b 通信逻辑上分成了三层【5 】1 6 1 7 】：信号层、协议层和 数据传输层，如图2 2 。信号层用来实现在u s b 设备和主机的物理连接之 间位信息流的信息。协议层用来实现在u s b 设备和u s b 主机端的协议软 件之间包字节流的信息，它们在信号层被编码成n r z i 位信息后传送出去。 数据传输层用来实现u s b 主机端的客户端驱动程序和设备端的功能接口 之间传输有定意义的信息，这些信息在协议层被打包成包的格式。 为了方便，将信号层传输的位信息流称为包( p a c k e t ) ，将协议层传输 的包信息流称为事务处理( t r a n s a c t i o n ) ，将数据传输层传输的信息流称为 传输( t r a n s f e r ) 。所有的传输最终都以比特流的方式在信号层上实现通信。 协议逻辑上将设备分成了三层实体：总线接口、端点和功能接口，如 图2 - 2 右侧所示。 1 、总线接口 总线接口的功能除了传送和接收数据信号外，逻辑上还包括识别设备 当前唯一地址。设备的地址是在设备插入到总线上时，由u s b 主机分配 的，范围从0 1 2 7 。当总线上有包传输时，设备的总线接口接收到此包， 通过解析其中的设备地址判断此包是否发送给自己的，如果不是则忽略此 包，否则判断此包是发送个给哪个端点的，并将整理后的包传送到上面的 协议层对应的端点。 u s b 设备 数据传输层 接口 u s b 主机 协议层 端点 信号层lu s b 总i i 线接口l i1 = = = = = 今 逻辑通信 物理通信 图2 - 2u s b 通信的分层结构 2 、端点 端点是设备端用于传输数据的接收点和发送点，它的功能相当于其他 总线设备的i o 端口，具有方向性：输入和输出。所有设备都要求有一个 端点0 ，它用来接收u s b 主机发送的控制命令，完成对设备的控制和状态 反馈，称为默认端点。主机端的客户端驱动程序也是通过与设备接口的端 点的数据传输实现对设备驱动的。在本设计中，u s b 主机将为设备配置两 个端点用于文件传输，b 目批量输出端点b u l k i n 和批量输出端点 b u l k o u t 。 3 、功能接口 由一组端点组成，用来完成特定的功能。每个设备可以同时提供多个 功能接口，如打印机和扫描仪等。u s b 主机端为每个接口提供了客户端驱 动程序，驱动程序和接口之间通过交互，完成有特定意义的数据传输。 2 4 传输的基本单元一包 包( p a c k e t ) 是u s b 系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过 打包后在总线上传输的。分析u s b 数据包格式，是进行u s b 系统软件设 计必须要完成的工作。 电子科技大学工学硕士学位论文 2 4 1 包的组成 根据u s b 规范，u s b 总线上的数据总是以u s b 包的结构在总线上进 行传输，而每个u s b 包都是由不同的字段组成【5 1 7 1 8 】 9 1 。 u s b 包由5 个字段组成，即同步( s y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e ，简称 s y n c ) 字段、包标识符( p a c k e ti d e n t i f i c a t i o n ，简称p i d ) 字段、数据字 段、循环冗余校验( c r c ) 字段和包结尾( e n do f p a c k e t ，简称e o p ) 字 段，图2 - 3 显示了包的基本格式。 同步宇段p i d 字段 数据c r c包结尾字段 ( s y n c )( p i d )字段字段 ( e o p ) 图2 - 3 包的基本格式 l 、同步字段 任何类型的u s b 包都必须以同步字段作为起始。同步字段用于本地 时钟与输入信号的同步，由8 个数据位组成，其作用与以太网中的前同步 码相似，目的是使u s b 设备与总线的包传输率同步。同步字段的数值固 定为0 0 0 0 0 0 0 1 ，如图2 - 4 所示。 l s bm s b 图2 - 4u s b 包的同步字段 2 、包标识符( p i d ) 字段 包标识字段紧跟在同步字段之后，作用是标明包的类型和格式，并作 为包的错误检测手段的一种。由于同步字段主要是由硬件来处理的，因此， 标识字段就是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字段进行解码。如果出现错误或是该标识字段 指明的类型或方向不被支持，那么这个包会被忽略。比如，u s b 接口芯片 中定义的i n 端点，在接收到o u t 标识字段后，就会把相应的包忽略掉。 标识字段由4 位标识符和紧跟的4 位标识符的反码组成，总共8 位， 如图2 - 5 所示。 l s b m s b 图2 - 5 标识字段p i d 标识字段中关键的标识符由4 位二进制数组成，因而，可以计算出， u s b 能够定义的包的类型总共有1 6 种。在u s b l 1 协议中，使用了其中的 电子科技大学工学硕士学位论文 1 0 种，也就是定义了1 0 种不同的类型包。 u s b l 1 支持的包类型包括：令牌包( t o k e np a c k e t ) 、数据包( d a t a p a c k e t ) 、握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 和特殊包( s p e c i a lp a c k e t ) 四种类 型。表2 - l 列出了包标识符的类型，编码及其描述【引。 表2 1 包标识符的类型、编码及描述 数据包类标识字段名称 编码描述 五! i 输出( o u t ) 0 0 0 1从主机到设备的数据传输 令牌包输入( i n )1 0 0 1从设备到主机的数据传输 帧起始( s o f ) 0 1 0 1帧的开始和帧号 设置( s e t u p )1 1 0 1从主机到设备标识要进行控制传输 数据包数据0 ( d a t a 0 ) 0 0 1 l偶数据包 数据1 ( d a t a l ) 】0 1 1 奇数据包 确认( a c k ) 0 0 1 0 接收端收到没有错误的数据包 握手包无效( n a k )10 1 0 接收端无法接收数据或发送端无法发送数据 错误( s t a l l )1 1 1 0端点被禁止或不支持控制管道请求 特殊包前同步( p r e ) 1 1 0 0 由主机发送的前同步字，表示将进行低速设备 的总线通信 3 、数据字段 在u s b 包中，数据字段用来携带主机与设备之间要传递的信息，其 内容和长度根据包标识符、传输类型的不同而各不相同。并非所有的u s b 包都必须有数据字段，例如握手包。在u s b 包中，数据字段可以包含设 备地址、端点号、帧序列号以及数据等类容。在总线传输过程中，所有的 u s b 数据字段总是以l i t t l ee n d i a n 的方式存在，即总是首先传输字节的最 低位，最后传输字节的最高位。 设备地址 在u s b 数据传输过程中，u s b 主机总是通过唯一的设各地址与总线 上特定的u s b 设备进行数据传输。设备地址由主机进行分配，由7 位二 进制数组成，如图2 - 6 ，因而最多可以拥有1 2 8 个不同的设各地址，其中 地址o 被系统保留，仅仅用在设备的枚举过程。 l s bm s b 区五匾五正五五亟五亟正画蜮 图2 - 6 设各地址字段 端点号 电子科技大学工学硕士学位论文 从硬件的角度看待端点，它其实就是u s b 中一系列实际的物理数据 缓冲区，发送和接收的数据都存储在这里。一个设备可以有很多种传输方 式来与主机进行数据通信，每一种传输中都可以有特定的端点。从设备端 来说，端点一般都直接由u s b 接1 ：3 芯片来提供，功能较强的芯片都会提 供多个具有一定容量的端点，开发人员在设计u s b 程序时一个任务就是 要合理分配这些端点，而每一次u s b 的数据传输都是在某一个特定的端 点和主机之间进行的。因此，端点号也是每一次u s b 数据传输非常重要 的参数。 有关端点号的结构如图2 7 所示。 l s bm s b 图2 7端点域e n d p 由图2 7 可以看到，端点号由4 位二进制数组成，因此，一个u s b 设备能够拥有的端点容量为1 6 个。但是，并不是每一种u s b 设备都能实 际拥有1 6 个端点。u s b 协议规定，低速设备只能定义两个端点，即端点 0 和端点1 ( 这个0 和1 就是端点号) 。此外，除端点0 以外，任何一个端 点都可以定义为i n 端点或o u t 端点，因此一个全速设备则能定义1 6 + 1 6 = 3 2 个端点【5 】。很多u s b 接口芯片本身已经确定了端点的数量和属性， 用户只能按照既定的端点进行编程。 帧序列号 当u s b 令牌包的p i d 为s o f 时，其数据字段必须为1 l 位的帧序列 号如图2 - 8 。帧序列号由主机产生，且每个数据帧，自动加一，最大数值 为0 x 7 f f 。当帧序列号达到最大数时将自动从0 开始循环。 l s b m s b 图2 - 8 帧号域f r a m 数据 数据字段( d a t af i e l d ，简写为d a t a ) 中的数据长度为o 1 0 2 3 字节， 在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同。但是，必须为整数各字节 的数据。数据字段的结构如图2 - 9 所示。 电子科技大学工学硕士学位论文 m s bl s b m s bl s b 正匝正五丑五匦五丑习臣习 图2 - 9 数据字段 4 、循环冗余校验( c r c ) 字段 循环冗余校验域( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k s ，简称为c r c ) ，简称为 校验域。标识字段p i d 可以通过其反码叠加来校验。这里的c r c 则是用 来对令牌包和数据包中非p i d 的字段进行校验的一种方法。对于令牌包， u s b 采用5 位的c r c 校验法，简写为c r c 5 。而对于数据包，则采用1 6 位的c r c 检验法，简写为c r c l 6 1 5 1 “。 c r c 校验的一般做法是，发送数据的一方，对所要检验的数据进行 一些运算，把结果作为c r c 本身的值，填入到c r c 字段中，然后发送数 据。当接收方接到数据后，也进行类似的运算，把运算的值与c r c 域的 值进行比较，如果一致，表明数据传输中没有出现错误。在很多u s b 接 口芯片中，c r c 检验都是由硬件来完成的。 2 4 2 包的类型 根据p i d 类型，u s b l 1 规范支持四类不同类型的数据包7 】 8 ：令牌 包、数据包、握手包和特殊包。 l 、令牌包( t o k e np a k e t ) 根据标识域p i d 的不同，令牌包( t o k e np a c k e t ) 又可细分为输入包 i n 、输出包o u t 、设置包s e t u p 和帧起始包s o f 。而i n 、o u t 和s e t u p 这3 种包的结构是一样的，如图2 一l o 所示。 8位8位7位4位5 位 j s y n c f p i d ia d d r e n d pl c r c 5 l 图2 1 0i n 、o u t 和s e t u p 包的数据格式 输入包i n 、输出包o u t 和设置包s e t u p 都包含同步域s y n c 、标 识域p i d 、地址域a d d r 、端点域e n d p 和校验域c r c 5 。其中循环冗余 校验c r c 5 是对地址域a d d r 和端点域e n d p 总共1 1 位数进行校验。 帧起始包s o f 的结构与i n 、o u t 、和s e t u p 包有所不同，如图2 1 1 所示。其中增加了1 1 位的帧起始域f r a m ，用于代表帧号。丽不包括7 位的设备地址( a d d r ) 和4 位的端点号( e n d p ) 。c r c 5 则是对f r a m 的1 1 位数据的校验。 电子科技人学t 学硕士学位论文 图2 1 1 帧起始包s o f 数据格式 2 、数据包( d a t ap a c k e t ) 根据p i d 的不同，数据包( d a t ap a c k e t ) 分为d a t a 0 和d a t a l 两 种包。两种数据包的数据格式都是一样的，用法也相同。当u s b 发送数 据包的时候，如果一次发送的数据长度大于相应端点的容量的时候，就需 要把该数据分成好几个包，分批发送。如果第一个数据包被确定为d a t a 0 ， 那么第二个发送的数据包就应该是d a t a l 如此交替下去。而数据的接 收方在接收数据时检查其类型是否是d a t a 0 、d a t a l 交替的，这是保证 数据交换正确的机制之一。这两种数据包的结构如图2 。1 2 所示。 8 位8 位0 1 0 2 3 字节1 6 位 幽2 1 2 数据包d a t a 0 、d a t a l 数据格式 由图2 1 2 可知，数据包都由同步域s y n c 、标识域p i d 、数据域d a t a 和校验域c r c l 6 组成。其中数据域o 1 0 2 3 字节的长度，内容就是u s b 上发送的有效数据。这里，循环冗余校验采用了1 6 位的c r c l 6 ，主要就 是针对d a t a 域的数据进行校验。需要注意的是，数据域d a t a 中的数据 必须是整数个字节的。 3 、握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 是结构最为简单的包【5 】f 引，其数据格式如 图2 - 1 3 所示。握手包仅由同步字段s y n c 和标识字段p i d 组成，用于报 告数据的传输状态，比如数据是否成功接收、是否准备好接收或发送数据， 以及是否出现错误等等。根据p i d 的不同，握手包可分为三种类型，即确 认包a c k 、无效包n a k 和出错包s t a l l 。 8位8位 二亟二工二亘二 图2 - 13 握手包数据格式 2 5 u s b 的数据传输类型及事务 2 5 1 数据传输与事务的关系 u s b 的传输【5 】【7 】1 8 】，是u s b 面向用户的、最高级的数据结构。u s b 电子科技火学t 学硕十学位论文 定义了4 种数据传输的类型，即控制传输、中断传输、批量传输和同步传 输。u s b 运用这4 种传输方式就可以完成各种类型的数据传输。比如不可 间断的音频数据传输，就可用同步传输方式来传输；f a t 文件等大容量的 数据传输等就可以用批量传输的方式进行；而像鼠标、键盘等这种没有数 据发送速度的要求，数据量又小的设备采用的是中断传输方式。每一种传 输方式都是面向不同的数据类型的，都有自身的一些特点。 在对应某种传输方式的个传输中，包括一个或多个事务( 每个事务 包括一个、两个或多个包) 。一个事务是一个单个的通信，它必须是无中 断的完成，即没有其他通信可以插入到一个事务中去，每个事务包括识别、 错误检测、状态和控制信息。 事务( t r a n s a c t i o n ) 和传输( t r a n s f e r ) 的关系是理解u s b 数据传输 的核心。从概念上来说，事务是小单位，而传输则是意义更为广泛的大单 位。传输是由事务组成的，而事务按照其特点分为3 种类型：输入( i n ) 事务、输出( o u t ) 事务和设置( s e t u p ) 事务。也就是说，任何一种传 输都是由这3 种事务所组成的，不同的只是这3 种事务的组合和搭配情况。 下面分别分析各种传输方式及事务。 2 5 2 控制传输 控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 是最为复杂的传输类型，也是最为重要 的传输类型，是u s b 枚举阶段最主要的数据交换方式。当u s b 设各初次 连接到主机之后，就通过控制传输来交换信息、配置设备地址和读取设备 的描述符。这样，设备才能够识别该设备，这个设备采用的其余3 种可能 的传输方式才能得以使用。 控制传输的核心是s e t u p 事务，u s b 定义了较为复杂的控制传输 结构，将其分为3 个大的步骤：l 、初始设置步骤；2 、可选数据步骤；3 、 状态信息步骤。这3 个步骤是按顺序依次进行的，其中可选数据步骤中可 包含一笔或多笔事务事务处理过程。 1 、初始设置步骤 在初始设置步骤里，包含三个阶段：l 、令牌包阶段：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( s e t u p ) ：2 、数据包阶段： 主机发送装有8 个字节命令信息的数据包( d a t a 0 ) ，并且有确定的结构， 将这8 个字节分配个5 种命令信息，即b m r e q u e s t t y p e 、b r e q u e s t 、w v a l u e 、 w i n d e x 和w l e n g t h 。通过这些命令信息，主机就能够通知设备提供哪些数 据，以此来进行配置；握手包阶段：设备接收到数据包后必须接收数据并