（通信与信息系统专业论文）usb20接口系统的开发与研究.pdf

l 7 7 2 4 霈f f 摘要 u s b ( 通用串行总线) 接口具有连接结构简单、支持热插拔、可扩展性强、 功耗小等很多优点。u s b 2 0 推出之前，u s b 接口已经得到了很广泛的应用。 u s b 20 的传输速率达到了4 8 0 m b p s ，比它之前的u s b l 1 标准的1 2 m b p s 快了 4 0 倍。速率瓶颈的突破使u s b 的应用领域得到了很大的拓展。 本文提出了一个新颖实用的u s b 2 0 接口系统架构，基于此架构设汁了一个 p c 和设备之间的u s b 2 0 接口系统。系统设计包括了硬件电路、m c u 固件、主 机驱动和应用程序。硬件数字电路方面设计了一个新的结构，该结构用两个交替 使用的心m 替代了大量的f i f o ，具有结构简单、易理解、成本低廉的特点。 系统的m c u 只是普通5 l 系列单片机，但系统完全可以完成各种传输，而且不 影响u s b 2 0 的高速传输。本u s b 2 0 接口系统的设计着重于批量传输功能，但 只要简单修改逻辑控制器就可以适应其他模式的传输，结构可扩展性强，可以设 计成专用或通用的u s b 20 接口芯片。 本论文对u s b 2 0 接口设计的关键技术部分都进行了研究、实践和验证。该 系统硬件经f p g a 验证，在个数码相机系统应用中，传输稳定可靠。软件部分 同样能够和硬件正常协调地工作。 关键词：u s b ，u s b 2 0 ，高速传输，枚举，f p g a ，驱动程序，m c u ，固件 a s i c ，自动综合，接口系统 拟糊眦舢锄蝴臌刊，究采强蓊翠 坠坠 a b s t r a c t u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i n t e r f a c es h o w sg o o dp e r f o r m a n c ei nm a n ya s p e c t s ， s u c ha st h es i m p l ea r c h i t e c t u r e ，p l u g a n d p l a ys u p p o r t ，g o o de x p a n d a b i l i t y ，l o wp o w e r b e f o r eu s b 2 0 ，t h ea p p l i c a t i o no fu s bh a sb e e nv e r yb r o a di nm a n yf i e l d s t h e s p e e do fu s b 2 0r e a c h e s4 8 0 m b p s ，i t sf o r t yt i m e sf a s t e rt h a nu s b 1 1 s12 m b p s t h e b r e a k t h r o u g ho fs p e e de x p a n d st h ea p p l i c a t i o no fu s b i n t os o m en e wa r e a s an e wa n dp r a c t i c a lu s b 2 0i n t e r f a c es y s t e ms t r u c t u r ei sp r o p o s e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h es t r u c t u r e ，a ni n t e r f a c es y s t e mo fu s b 2 0b e t w e e np ca n dd e v i c ei s d e s i g n e d t h es y s t e md e s i g ni n c l u d e sh a r d w a r ec i r c u i t ，f i r m w a r eo fm c u ，d r i v e ra n d a p p l i c a t i o np r o g r a m so fh o s t an e wa r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lc i r c u i ti sp r o p o s e d t h e a r c h i t e c t u r eu s e st w oa l t e r n a t er a mi n s t e a do fl a r g eq u a n t i t yo ff i f o ，w h i c hm a k e s t h ea r c h i t e c t u r el o w - c o s ta n ds i m p l e a l t h o u g ht h em c uo ft h ew h o l es y s t e mi s 8 9 c 5 2 ，t h es y s t e mc a nc o m p l e t ea l lt h et r a n s f e r si n c l u d i n gt h eh i g h s p e e dt r a n s f e ro f u s b 2 0c o r r e c t l y t h es y s t e md e s i g nf o c u s e so nb u l kt r a n s f e r ，b u ti ta l s oc a nf i n i s h t h et r a n s f e r so fo t h e rt y p e sa f t e ral i t t l em o d i f i c a t i o no nt h el o g i cc o n t r o l l e rm o d u l e t h ea r c h i t e c t u r ec a nb ea p p l i e di ns p e c i f i co rg e n e r i cu s b 2 0c h i p s t h et h e s i sr e s e a r c h e sa n dp r a c t i c e st h ek e yt e c h n o l o g i e so fu s b 2 0i n t e r f a c e ， v e r i f i e db yf p g a ，b o t ho ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v eg o o dp e r f o r m a n c e a p p l y i n gi nad i g i t a lc a m e r as y s t e m k e y w o r d s ：u s b ，u s b 2 0 ，h i g hs p e e dt r a n s f e cb u se n u m e r a t i o n ，f p g a ，d r i v e r m c u ，f i r m w a r e ，a s i c ，a u t o s y n t h e s i s ，i n t e r f a c e 复旦大学颤l 论j z - - u s b 2 o 接l l 系统的开发与研究 第一章引言 第一章引言 1 1u s b 的发展和现状 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文即为“通用串行总线”。它是 一种应用在p c 领域的新型接口技术。1 9 9 4 年以i n t e l 公司牵头，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 nt e l e c o m 等世界上著名的七家计算机公司和通 讯公司成立了u s b 论坛，于1 9 9 5 年正式制定了u s b 0 9 规范。1 9 9 7 年开始有真 f 符合u s b 技术标准的外设出现。1 9 9 8 年后，随着微软在w i n d o w s 9 8 中内置了 对u s b 接口的支持模块，加上u s b 设备的日渐增多，u s b 接口才逐步走进了实 用阶段。 提出通用串行总线架构( u s b ) 的目的主要基于以下三方面考虑【1 1 ： ( 1 ) 计算机与电话之间的连接：显然用计算机来进行计算机通信将是下一代 计算机基本的应用。机器和人们的数据交互需要一个广泛而又便宜的连通网络。 而u s b 则可以提供统一标准广泛地连接计算机和电话。 ( 2 ) 易用性：p c 机的改装是极不灵活的。对用户友好的图形化接口和一些 软硬件机制的结合，加上新- i t 总线结构使得计算机的冲突大量减少，且易于改 装。但以用户的眼光来看p c 机的输入输出，如串行并行端1 5 1 、键鼠、操纵杆 接口等，均没有达到即插即用的特性，u s b 正是在这种情况下问世的。 ( 3 ) 端口扩充：外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着。缺少一 个双向、价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备的开发。现有的连 接只可对极少设备进行优化，对于p c 机的新的功能部件的添加需定义一个新的 接口来满足上述需要，u s b 就应运而生。 u s b 2 0 版本出现以前，u s b 设备虽己被广泛应用，但基本上采用的都是 u s b l 1 接口，它的传输速度最高仅为1 2 m b p s 。然而大数据量传输的需求日益增 长，尤其在大容量数掘存储器，高质量的图像扫描、传输方面。1 2 m b p s 的速度 使用户感觉很不方便，这无疑成了一个限制其技术发展的瓶颈。这时，c o m p a q 、 h p 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 和p h i l i p s 这七家公司联台制定了u s b 2 0 接口标准。u s b 2 0 协议将设备之阳j 的数据传输速度增加到了4 8 0 m b p s ，是u s b l l 复日大学硕士论文州s b 2 o 接口系统构开发与研究 笫一章引青 标准的4 0 倍。这个速度满足了绝大多数的p c 外围设备的要求，这意味着用户 可以使用到更高效的外部设备，原来由于速率限制而不适合用u s b 的大容量硬 盘、高品质摄像头、高分辨率扫描仪等设备都可以使用u s b 2 0 接口。一举突破 其传输速度的瓶颈，使u s b 接口的应用拓展到了更广泛的领域。 从表1 1 可以看出u s b 从最初被提出，到今天的2 0 版本，一共经历了l o 年的时间，时间并不算长，但是可以从中看出其随着用户日益增长的需求，迅速 地发展和广阔的前景【2 j 。 表1 1u s b 协议版本发展历程 版本 发布时间 备注 o 71 9 9 4 年1 1 月1 1 日 修订取代0 6 版本 0 81 9 9 4 年1 2 月3 0 日 修订3 8 ，1 0 和1 1 章，添加附录 0 91 9 9 5 年4 月1 3 目 修订所有章节 0 9 91 9 9 5 年8 月2 5 同 修订所有章节 1 0 ( 草案)1 9 9 5 年1 1 月1 3 日修订l ，2 ，5 - 1 1 章 1 o1 9 9 6 年1 月1 5 日 校订5 6 ，7 8 ，9 ，1 0 和1 1 章 1 11 9 9 8 年9 月2 3 同 修正所有章节，以解决所遇问题 2 0 ( 草案)1 9 9 9 年1 0 月5 只修订5 ，7 ，8 ，9 ，1 1 章，以添加高速传输 2 0 ( 草案)1 9 9 9 年1 2 月2 1 日修订所有章节。以添加高速传输 2 o2 0 0 0 年4 月2 7 日 包含高速传输模式的2 0 正式版本 近两年来，u s b 的研究者们e 忙于完善一个称之为“u s b o t g ”的规范1 3 】， 2 0 0 1 年底，u s b 开发者论坛( u s bi f ) 发布了专门用于u s b 外设间“可移动互连” 的u s b 2 0 补充规范u s bo n t h e g o ，其目标是使外设以主机的身份和另外特定 的一组外设直接通信。该规范将允许支持u s b 2 0 的设备在不需要p c 控制的情 况下达到相互连接和交换数据的目的。这项技术使得u s b 2 0 从p c 及周边，进 一步进军到消费电子产品领域。 1 2u s b 2 0 的特点 u s b 2 0 完全向下兼容u s b l 1 。事实上u s b 2 0 和u s b l 1 使用同样的连接 复旦大学钡l 论文一u s b 2 o 接口系统的开发与研究 第一章q i 言 线和接头。对于用户来说，只要相应的厂商提供完善的软件和硬件，u s b 2 0 的 产品使用时和u s b l ，1 产品相比除了速度极大的提高之外并没有感到有什么不 同。所以这里先介绍一下u s b l 1 及之前的u s b 版本的特点。 1 2 1u s b 接口的特点 ( 1 ) 用户的易用性： 为连接电缆和连接头提供了单一模型。 连接电缆最长可有5 米。 终端用户不需要关心其电气特性。 支持热插拔，即外设的动态连接，动态重置。 即插即用，自动检测外设，自动地进行设备驱动和设置。 f 2 ) 广泛的应用性： 有挂起和唤醒功能，功耗低。 可适应不同设备，传输速率可从几千比特率到几十兆比特率变动。 在同一组连接线上支持同步、异步两种传输模式。 支持对多个设备的同时操作。 可同时操作最多1 2 7 个物理设备。 在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流。 支持多功能的设备。 以较低的协议开销，得到很高的总线利用率。 ( 3 ) 灵活性： 支持一系列大小的数据包，允许对设备缓冲器选择不同的大小。 通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率。 协议内容包含为缓冲器处理进行的流控制。 ( 4 ) 健壮性： 协议包含出错处理和错误恢复机制。 - 对用户感觉而言，热插拔是完全实时的。 可以处理出错设备。 ( 6 ) 价格低廉 复口太学硕l 论业一u s b 2 0 接口系统的开发j = i 研究 第一章弓| 言 以低成本提供了1 5 兆比特率的子通道。 将外设和主机硬件进行了系统集成的优化。 廉价的电缆和连接头。 1 2 2u s b 2 0 比较u s b i 1 新特点 u s b 2 0 完全向下兼容u s b l 1 ，在此基础上增加了新的内容。最显著的不同 之处就是u s b 2 0 有三种不同速度的数据传输模式，相比u s b l 1 新增了高速传 输模式( h i g hs p e e d ) ，由原来的最高1 2 m b p s 一下子提高到最高4 8 0 m b p s 的传 输速率。为实现高速的传输，协议对接口的电气特性有了新的规定。数据传输时 的各种检测、数据帧和数据包的处理，协议也有了全方面的扩展。并且增加了 u s b l 1 没有的测试模式( t e s t m o d e ) 。可以在控制传输模式下对支持u s b 2 0 协 议的设备或集线器进行功能测试。总的来说，u s b 2 0 比u s b l 1 相应地增加了 协议复杂性，但使得传输速度达到了原先的4 0 倍，而且对于用户来浣，协议的 复杂性是感受不到的，用户享受到的是高速率数据传输带来的方便快捷。 1 3 课题意义和主要工作 随着我国经济的迅猛发展，和人民生活水平的不断提高。p c 和相关的周边 产品正变得越来越普及，数字类电子消费品的销售量也是大幅增长。而u s b 作 为一个简单易用，成本低廉的接口，出现在越来越多的产品上，u s b 已经是p c 的标准接口，也正在成为众多电子产品的标准接口，u s b 在某种程度上推动着 市场的标准化进程。u s b 2 0 作为2 0 0 0 年新推出的接口协议，在速度上相比以前 更是有了令所有用户欣喜的飞跃。虽然现在支持u s b 2 0 的软件和硬件都远不如 u s b l 1 那样普及，但u s b 2 0 逐步取代u s b l 1 成为主流也是大势所趋。 然而u s b 2 0 协议的复杂性使得其相关的硬件、软件设计的难度都不小。 4 8 0 m b p s 的高速率对时钟、数据都有了更高的要求。多了微帧的概念，数据帧间 隔由原来的l m s 减小为1 2 5 9 s 。为了提高带宽的利用率还增加了几种数据包的类 型，以及u s b 2 0 特有的测试模式等等。这些都加大了相关设计的难度。这使市 场上的符合u s b 2 0 协议的接口芯片并不多见。技术和市场都主要掌握在国外少 数一些企业手中，如i n t e l 、p h i l i p s 、c y p r e s s 、k a w a s a k i 等等。这两年中国的台 复且大学坝士论文一u s b 2 0 接口系绕的开发与研究 第一审g l 者 湾地区的一些企业发展势头迅猛，在u s b 2 0 方面也都推出了自己的系列芯片， 如扬智、世纪民生等。而在国内大陆这方面的工作还做得太少，很多企业推出了 自己的产品，却没有自己的核心技术，在关键技术有着很强的依赖性，一旦遇到 一些特殊的情况，便会受到很大的影响。因此，针对国内电子产品的发展需要， 开展u s b 2 o 接口方面的研究和开发，对我国在提高相关领域的竞争力，具有重 要的意义和价值。 本课题的研究是基于为数码相机专用芯片提供与p c 之间的u s b 2 0 的图像 数据接口，课题的系统测试工作也都是基于数码相机的数据传输。在本论文的完 成过程中，受到国家8 6 3 项目和上海市科委s d c 项目的大力支持。由于和科研 项目的紧密结合，使论文能顺利完成，取得了很好的效果。 丌发一个完整的u s b 接口系统需要具备软硬件多方面的知识。在本论文中 先提出了一个简单实用的包括软硬件的u s b 2 0 接口系统结构。在硬件数字电路 的设计方面本论文提出了一个全新的架构，该架构硬件开销低，易于理解，用两 个交替使用的r a m 替代了大量的f i f o ，配合5 l 系列的单片机即可完成u s b 2 0 的高速传输。并基于这个架构设计了拥有完全自主知识产权的u s b 2 0 数字电路， 电路作了f p g a 的验证和a s i c 流片测试。软件方面，本论文针对硬件设计了 w i n d o w s 2 0 0 0 平台的u s b 2 0 驱动程序和上下传图片的应用程序，以及配合硬件 完成命令解析功能的m c u 固件。所以论文的主要工作如下： u s b 2 0 接口的硬件结构的研究和设计： m c u 控制器的固件设计： p c 主机的u s b 2 0 驱动程序和应用程序的设计； 整个系统的f p g a 级软硬件协调测试； 电路的a s i c 实现，流片后系统的测试工作： 这些工作都会在后面论文里分章节有详细的介绍。 1 4 论文的组织结构 本论文共有六章，第一章为引言。后面的章节对u s b 2 0 协议和接口从原理 到软硬件的设计分别作了阐述。这些部分的安排如下： 第二章主要是简单介绍了u s b 2 0 协议原理。整个协议的内容很丰富，包含 复1 ：3 人学坝j 论义剞s b 2 0 接u 系统的开发与研究 第一章引言 了主机端、客户端、集线器各个部分的标准，对各个部分的电气特性和工作所遵 循的协议都有详细完备的解释。本论文的工作主要是针对客户端即外围设备端的 硬件设计展丌的，所以介绍时，主要也侧重于这个方面。 第三章讨论了u s b 2 0 设备端的硬件电路结构设计。这也是本论文的研究重 点。针对u s b 2 0 标准提出了一种新颖实用的接口硬件架构，并基于此架构设计 了用于a s i c 实现的硬件电路。后面的m c u 固件程序以及p c 的驱动、应用程 序的设计都是基于此架构的。 第四章分别讨论了u s b 2 0 系统m c u 固件和主机软件的设计。其中m c u 的固件程序是与整个数码相机系统的控制程序结合在一起的。主机软件设计部分 分成驱动程序设计和应用程序设计。这些部分的工作好坏直接关系到整个系统的 性能。 第五章讨论了基于数码相机系统的u s b 2 0 接口的测试和验证。主要分为系 统的硬件测试和验证，和软件的调试验证两个部分，软件包含m c u 固件、主机 驱动和应用程序。这章还给出了用于数码相机系统的实际测试的一些方法和测 试结果。 第六章为总结和展望。对整个论文的内容进行了总结和展望，总结了设计的 优点和创新，也指出了设计中存在的一些问题和有待改善的地方。 复日犬学坝 论殳一u s b 2 o 接q 系统的开发与研究 第二章u s b 2 0 原理 第二章u s b 2 0 原理 本章对u s b 2 0 协议原理作简单的介绍。协议对u s b 系统的各个部分都有 完整的细节讲述。本论文的研究主要集中于u s b 2 0 的功能部件与p c 机连接构 成的系统。所以有些不是主要研究内容的部分，如关于集线器的协议等就不作阐 述了。 2 1 总线的拓扑结构 一个u s b 系统被定义为三个部分 2 】： u s b 的互连( i m e r c o n n e c t ) ；u s b 的设备( d e v i c e ) ；u s b 的主机( h o s t ) 。u s b 的互连连接了u s b 设备和u s b 主机， u s b 的物理连接是呈阶梯状的星型结构，如图2 1 所示，每个星型排列的中心是 一个集线器( h u b ) ，集线器向下连接的是一个外围设备或者下一级的集线器。由 于传输时延的限制，一个总线拓扑加上根集线器( r o o th u b ) 最多只能有七层。 图2 1u s b 总线的拓扑结构 任何u s b 系统中，只有一个主机。主机控制器可由硬件、软件和固件共同 来实现a 根集线器由主机系统整合。有些外围设备属于复合设备( c o m p o u n d d e v i c e ) ，即同时包含有外围设备与集线器。主机会将复合设备，当成集线器和 特定功能设各是分开的实际设备，并且各分配一个唯一的地址。 复旦大学倾士论文一u s b 2 0 接口系统的开发与研究 第二章u s b 20 原理 2 2 电气和机械特性 2 2 1 电缆和连接头 u s b 设备是通过一根四芯的电缆连接到主机上的，非常地简单易用。如图 22 ，d + 、d 两根线是数据线，它们提供一组差分信号。为减低噪声，尤其是低 频磁耦台的信号，两根数据线呈双绞线状。另外两根分别是+ 5 v 的电源和地线。 电缆的长度要求很宽，最长大约为5 米。 v b u s d 十 d g n d v b u s d + d g n d 图2 2u s b 的电缆 图2 3 和图2 4 分别为u s b 电缆的a 类和b 类连接头。图2 3 和2 4 的左边 为连接头的插头，右边为插座。a 类的插头接在设备或集线器上，用来连接主机 或集线器上的插座；b 类插头接在主机或集线器上，连接设备或集线器上的插座。 图2 3u s b 电缆的a 类连接头 图2 4 u s b 电缆的b 类连接头 所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器不可简单的互 换，这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接。 2 , 2 2u s b 2 0 的信号和对应接口 在u s b 2 0 接口的数据线上存在着三种数据速率： u s b 2 0 特有的高速信号 ( h i g h s p e e d ) ，比特率为4 8 0 m b p s 。 复旦大学硕士论文一u s b 2 0 接口系统的开发与研究 第二章u s b 20 原理 u s b 全速信号( f u l l - s p e e d ) ，比特率为1 2 m b p s 。 u s bf 隧鹇( l o w s p e e d ) ，比特率为1 5 m b p s 。 u s b l 1 协议只包含后两种速率，然而u s b 的电缆和连接头是u s b l i 和 u s b 20 通用的。要使用u s b 2 、0 接口并不需要更换原来这些u s b l 1 的元件，对 用户和厂商来说，这都是非常方便的。 这三种速率可以应用在不同的场合，表2 1 对之进行了简要的分类说明。 表2 1u s b 不同速率应用分类 性能应用特点 j 低速键盘、鼠标、输最低成本、热插拔、易用 i 交互设备入笔、游戏控制性、同时支持多个设备 j 1 0 1 0 0 k b s 杆 全速 宽带、音频、麦较低成本、易用性、动态 电话、音频、压缩视频克风插拔、同时支持多个设 5 0 0 k b s 1o m b s 备、限定带宽和延迟 高速视频、存储器、 低成本、易用性、动态插 视频、存储器图像、宽带拔、同时支持多个设备、 2 5 4 0 0 m b s 限定带宽和延迟、高带宽 u s b 2 0 的低速、全速和高速信号有着不同的边缘速率，在设备连接的时候， 所有的设备都必须使用低速或全速来通信。有高速能力的设备会在高速握手后， 将传输速度由全速改为高速。比起低速和全速收发器，高速的收发器( t r a n s c e i v e r ) 要更复杂。高速设备必须支持全速时的要求。 图2 ，5 显示了支持高速模式的收发器电路【4 】。在低速或全速的设备中，在信 号线上的1 5 k q 的上拉电阻r p u 表示设备的速度模式。若1 5 k q 的上拉电阻r p u 接在d a t a 一线上时，表示当前设备为低速设备。当r p u 接在d a t a + 上时表示当前 为全速设备。当低速或全速设备连接到总线或者移除时，上拉电阻引起的电压改 变会通知集线器改变。高速设备也是集线器在全速模式时检测设备的，当集线器 和高速设备之间完成高速握手时，整个数据通道就会切换到高速，此时上拉电阻 r p u 要与电缆断丌。图2 5 中的接地电阻r p d 为1 5 k q ，是电缆的阻抗匹配电阻 复旦大学硕士论文u s b 2 o 接u 系统的开发与研究9 第二章u s b 20 原理 图2 5 支持高速模式的收发器电路图 r s = 4 5 q 。所有的高速收发器都必须包含一个差分容包检测器( d i f f e r e n t a l e n v e l o p ed e t e c t o r ) ，来检测无效的信号状态。 2 2 3 状态信号的检测 u s b 的一大特点就是低功耗，在设备空闲时，会进入低耗电的挂起状态， 此时u s b 接口的大部分电路的工作时钟都被关闭，有效地降低了功耗。在设备 再进入工作状态前，主机再唤醒设备【”。这对于电源供应比较紧张的手提式电脑 等产品是非常重要的。 ( 1 ) 挂起 当总线已经在空闲状态( i d l es t a t e ) 至少3 m s 时，确认设备进入空闲状态。当 设备进入空闲状态1 0 r e s 之内，设备必须进入挂起状念。挂起时，高速设备会转 到全速的模式，然后总线上的仍以全速来检测设备。 挂起可分为全局挂起和局部挂起两种。全局挂起时，总线的任何地方都没有 通信的需要，主机中止了它所有的传输( 包括s o f 令牌) 是全局挂起的标志， 所有的设备在检测到空闲3 m s 后进入挂起状态。局部挂起通过集线器端口向设 复且大学倾l 论文- - u s b 2 0 接u 系统的开发与研宛 第一帝u s b 20 原理 备发送s e t p o r t f e a t u r e ( p o r t命令来使被选中的特定个设备进入挂_suspend) 起状态。 ( 2 ) 唤醒 处于挂起状态的设备，当它接收到任何一个非空闲信号时，它的操作就会被 唤醒。如果设备支持远程唤醒功能并且u s b 系统软件开启了设备这项功能时， 设备会给系统发信号来唤醒操作。 主机可以在任何时间发送唤醒信号，而且这个唤醒信号必须持续至少2 0 m s ， 然后根据没备速度模式的不同来结束唤醒信号。对于低速和全速的设备，主机以 一个标准的低速包结束( b o p ) 信号来结束。若设备挂起前是以高速工作的，则主 机以一个高速的空闲状态来结束。 2 3 协议层相关协议 2 3 1u s b 的四种传输类型 u s b l 1 和u s b 2 0 都定义了四种传输类型，分别为： 控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 主机使用控制传输来与设备交换配置的设置信息，同时设备也使用控制传输 来传输任何类型的信息。在u s b 设备初次安装时，u s b 系统即使用控制传输来 完成一些初始设置工作。对于任何一个u s b 接口的设备来说，支持控制传输都 是必不可少的。 控制传输只能通过消息通道进行，使用控制传输的数据必须具有u s b 定义 的数据格式。控制传输的端( e n d p o i n t ) 决 了它所能接受或发送的最大数据负 荷区长度。各种传输模式在不同速度下的最大数据区长度如表2 1 所示。 批量传输( b u l kt r a n s f e r ) 批量传输有以下几点特性： 可以获得带宽访问总线。 如果总线出现错误或者传送失败，可进行重发。 可以保证数据传输的准确性，但不保证传送的带宽和延迟。 只有高速和全速模式支持批量传输，低速的设备不能使用批量传输。如果当 前传输端点出现以下一种情况，则认为批量传输结束： 复口人学坝卜论文u s b 2 0 接口系统的开发与研究 第二二章u s b 2o 燎理 已传的数据量恰好等于期望传送的量。 传了一个不到最大数据负荷区长度的包或传了一个长度为o 的包。 一旦批量传输结束，主机控制器中止当前的输入输出请求包( i r p ) ，并开始 下一个i r p 。如果收到一个数据区超长的包，则所有在等待此端点的批量传输i r p 都将被中止或者取消。 中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 所有的高速、全速和低速的设备均可以使用中断传输模式。中断传输适用这 样一类设备，它们只传或收少量数据，而且并不经常进行传送，但它们有一个确 定的服务周期，对中断传送有以下要求： 通道的最大服务期得到保证。 由于错误而引起的重发在下一服务期进行。 同步传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r l 只有全速和高速的设备可以使用同步方式来传输数据。同步传输意味着保证 速率、错误容忍的传送。在u s b 环境下，要求同步传送能提供以下几点： 固定的延迟下，确保对u s b 带宽的访问。 只要数据能提供得上，就能保证通道上的恒定数据传送速度。 如果由于错误而造成传送失败，并不需要重传数据。 对于不同模式和不同速度的传输，协议规定的数据包的最大数据区长度都有 不同，现将不同模式和速度的最大数据区长度列于表2 2 。 表2 2 - - - e e 速度下各传输模式最大数据区长度 速度 传输模主 低速( 1 0 ws p e e d )全速( f u l ls p e e d )高速( h i g hs p e e d l 控制传输8 字节8 、1 6 、3 2 、6 4 字节6 4 字节 批量传输 8 、1 6 、3 2 、6 4 字节5 1 2 字节 中断传输 8 字节6 4 字节1 0 2 4 字节 同步传输 1 0 2 3 字节1 0 2 4 字节 数码相机与p c 的u s b 接口是用来传输所拍摄照片的，这种传输需要的是 大数据包而且可靠的模式，可以容忍一定的等待，对实时性要求不高，所以用批 复日大学颂l j 论文u s b 2 o 接口系统的开发研究 第二章u s b 20 原理 量传输来完成。这样对于一个用u s b 接口的数码相机来说，支持控制传输和批 量传输两种模式就够了。本论文后面的阐述也主要是针对这两种模式的。不过本 文提出的系统架构也可以比较方便地设计成通用的u s b 2 0 接口芯片，即中断传 输和同步传输都可以支持，所以这里也简单地介绍一下这两种传输模式。 2 3 2 包 ( 1 ) 同步字段 u s b 所有的包都是从同步字段( s y n c ) 开始的，同步字段是产生最大的边缘 转换密度的编码序列，对于低全速模式是8 位的，对于高速模式是3 2 位的，它们 分别以3 对和1 5 对k j ，再加一对k k 信号出现。通过这一定位长的二进制串，输入 电路以本地时钟在这段时间内对齐输入数据。同步字段罩的最后的2 位k k 是同步 字段结束的记号，并且标志了包标识符( p i d ) 的开始。同步字段是用于同步的机 制，在以后的图表和一些阐述中将不被表示。 ( 2 ) 包标识符 u s b 2 0 协议规定了四大类1 6 种包。包的类型由包标识符p i d 来表示，p i d 紧跟着同步字段。如图2 6 所示，p i d 由4 位包类型字段和其后的4 位的校验字 段构成。校验字段通过对包类型字段的二进制的求反码产生。 p i d 。p i dlp i d 2p i d 3p l d op i d tp i d 2p 1 d a 图2 6 p i d 格式 p i d 标识的u s b 2 0 所有的1 6 种包如表2 3 所示，这1 6 种包被分为4 类 它们对应着不同的包格式和错误检测类型。 表2 3 包类型 包类型p i d 名p i d 位描述 o u t0 0 0 l b 主机到功能部件的事务，有地址+ 端点号 i n1 0 0 l b功能部件到主机的事务，有地址+ 端点号 令牌 s o fo l o l b帧开始标记，有帧号 s e t u p1 1 0 i b主机到功能部件建立一个控制通道的事务， 有地址十端点号 复日入学坝1 ：论文u s b 2 o 接u 系统的开发i 研究 第一章u s b 20 原理 d t a 00 0 1 l b偶数包p i d d a t a l1 0 1 1 b奇数包p i d 数据 d a l 。a 20 1 1 l b高速高带宽同步传输的微帧内使用 m d a t a1 1 l l b 高速的高带宽同步传输和分隔( s p l i t ) 传输使用 a c k o o l o b接收机收到无错数据包 n a k1 0 1 0 b接收设备不能接收数据， 握手或发送设备不能发送数据 s t a l l 1 1 1 0 b端点关闭或者控制通道请求不支持 n y e t0 1 1 0 b接收机还没有响应 p r el l o o b主机发送前同步，打开到低速设备的下行总线 e r rl l o o b 分隔传输发生错误的握手 特有 s p l i t 1 0 0 0 b高速模式分隔传输的令牌 p r n go l o o b对高速模式的批量和控制传输端点的控制检测 保留 0 0 0 0 b保留的p i d ( 3 ) 地址、端点和数据字段 每个设备在被主机识别之后都有其特定唯的地址主机通过这个特定的地 址来区分特定的设备。地址字段有7 位，可以指定1 2 8 个地址。功能部件在刚上 电或复位时其默认地址为0 ，所以o 是一个缺省地址，不能分配作其他用途。所 以主机理论上最多可以同时连接1 2 7 个设备。地址字段格式如图2 7 所示。 a d d r oa d d r ia d d r 2a d d r 3a d d r 4a d d r 5a d d r 6 图2 7 地址字段格式 端点字段可以让设备更灵活地寻址。所有的设备都必须在端点0 提供一个控 制管道。如图2 8 所示，端点字段为4 位，全速和高速的设备可以支持最多1 6 个端点。 图2 - 8 端点字段格式 复q 太学颤士论文一u s b 2 ，0 接口系统的开发与研究 1 4 第一二节u s b 20 原理 根掘传输类型的不同，数据字段的长度可以从o 1 0 2 4 个字节间变动，但必 须是整数个字节，其格式如图2 9 所示。每个字节的数据位移出时都是最低位( l s b ) 在前。 ( b i s b ) d 7 b y t en l d od i d 2d 3d 4d 5d 6d 7 图2 9 数据字段格式 ( 4 ) 循环冗余校验 u s b 使用两种循环冗余校验( c r c ) ，对于令牌包用5 位的c r c ，它覆盖了输 入、建立和输出令牌的a d d r 和e n d p 字段，或s o f 令牌的帧号字段。生成多项式如 式( 2 1 ) 。这个多项式的二进制位组合是0 0 1 0 1 b 。如果所有的位都被准确无误地收 到，接收机中的5 位剩余将是0 1 1 0 0 b 。 g ( x ) = x 5 + x 2 十l ( 2 1 ) 数据包用1 6 位的c r c ，生成多项式如式( 2 2 ) 。这个多项式的二进n 6 2 - g # 是 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 b 。如果全部的数据干i c r c 位被准确无误地收到，1 6 位剩余将 是1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 b 。 g ( x ) = x 1 6 十x 1 5 + x 2 + l ( 2 2 ) ( 5 ) 包格式 这旱给出令牌包、数据包、握手包的包格式。 令牌包的输入、输出和建立是同一种包格式，帧开始( s o f ) 包f g1 1 位的 帧号替代了a d d r 和e n d p 字段。其格式分别如图2 1 0 和图2 1 1 。 图2 1 0 令牌包格式 复且大学_ l i i 士论文一u s b 2 0 接 j 系统的开发与研究 曲一 第二章u s b 20 原理 图2 1 1 帧开始包格式 数据包格式如图2 1 2 。 ( l s b ) 握手包格式如图2 1 3 。 图2 1 2 数据包格式 图2 1 3 握手包格式 2 3 3 事务 包事务格式根据端点类型而变化。下面分别对四种端点的事务进行介绍。 ( 1 ) 控制事务 控制传输最少有两个事务阶段：建立( s e t u p ) 和状态( s t a t u s ) 。建立和状态阶段 之间有时有数据阶段。建立事务在格式上类似于输出，但使用的是建立而不是输 出的p i d 。图2 1 4 说明了建立事务的格式。 t o ke n d a ta 图2 1 4 控制建立事务格式 复咀大学顾：l 论文一u s b 2 o 接口系统的开发与研究6 第二章u s b 2 0 原理 有数据阶段的读写和无数据阶段的控制传输的数据流顺序如图2 15 所示。 竺二之! ! ： 叵叵匝 臣j 臣习亘 图2 1 5 控制传输中的读写顺序 ，l r n ( 1 ) i ，一一 i 翮 l ，。，一 ( 2 ) 批量事务 批量事务类型的特点是以错误检测和重试的方式保证主机和功能部件之间 的数据的无错发送的能力。如图2 1 6 所示，批量事务一般是由令牌、数掘和握手 包构成的三阶段的事务。在某些流控制和挂起条件下，是没有数据传输的两时相 的事务。 t o k e n i n ；j 啮t ad a t a o n a t a l i d l u ， 愿h a s t ：f u n c t i 氐0 岍；日 童 ! 劐 f 面翮| 1 1 l 一j 燃必苎纠 i 受 i | j 。i r 瓶 j 1 。 。h 删m i t 1 日n c t s 呲d 一 船，；n 旧 积 istali,- 三 1 。2 。i 一) i f 一 i 封 ； ：1 图2 1 6 批量事务格式 图2 ，1 7 说明了时序位和数据p i d 在批量读写中的用法。数据包经数据时序切 换交替使用d a l a 0 d a 噙1 两种p i d 而达到。当端点初始配置的时候，批量端点的 切换时序被初始化为d a t a o 。 复旦人学硕士论文- - u s b 20 接l 系统的开发与研究 荤辜 苹前 第二章u s b 2 0 原耻 r r r 一 脞l k o u t ( 0 ) 【10 1 j t ( i ) l 0 u t ( o i 1 w rlc e l 一jl 一l j 1 ) m l m l! i a i ( 1 l b u l k 厂i r e a d ! ，j d a t a ( ) 厂翮 i n ( 0 t ) j 图2 1 7 批量传输的读和写 ( 3 ) 中断事务 中断事务可由输入或输出构成。一收到输入令牌，功能部件便可返回数据 n a k 或s t a l l 。作为对数据包接收的反应，主机如果数据无错地被接受则发出 a c k 握手，或者如果数据包损坏则不返回握手。图2 1 8 说明了中断事务格式。 圜h 0 s t r ： f u n c t i o n 一l 一i a c kn a k i js t a l l ： o 一 j ； l 、 8 、一d ie ) 图2 1 8 中断事务格式 ( 4 ) 同步事务 如图2 1 9 所示同步事务有令牌和数据时相，而没有握手时相。主机发出输 入或输出令牌，后跟着端点或主机传送数据的数据阶段。同步事务不支持握手或 重试能力。 图2 1 9 同步事务格式 复日大学颀_ 上论文哪s b 20 接口系统的开发与研究 阑彘、 l 滩!一 第二帝u s b 20 原理 2 4u s b 2 0 协议中的设备结构 2 4 1 设备的状态 u s b 协议里，设备看成被看成处于下列状态中的一个状态中：连接态、加 电态、缺省态、地址态、配置态和挂起念。对于设备来说，只有在被正确配置后 进入配置态才能正常的工作。图2 2 0 显示了各个状态之间是如何转换的。 图2 2 0