（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的嵌入式usb主机系统应用研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是一个快速发展的领域，其研究内容涉及到多个学科的各个方 面，随着嵌入式技术在信息家电、移动计算机设备、网络设备和工控等领域的广 泛应用，通过公共标准接口在不同设备之间进行数据交换的需求迅猛增长。其中 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 以其方便易用、易扩展、高传输速率和热插拔 的特点，成为嵌入式系统应用广泛的一种接口。然而目前带有u s b 接口的设备 间的数据交换仍离不开目前大量扮演u s b 主机角色的p c 机，无法实现真正意 义上的移动数据交换。随着人们对u s b 期望值的不断升高，基于嵌入式系统的 u s b 主机在消费电子和工业控制领域的研究和应用显得日益紧迫而且必要。 本文详细介绍了以p h i l i p sl p c 2 2 9 2 ( a r m 7 ) 芯片为内核处理器、n u d e u s p l u s 为实时操作系统基于o h c i 规范( o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，开放主机 控制器控制接口) 开发的u s b 主机系统。针对u s b 在嵌入式系统中应用的现状， 结合工业控制中测控系统的特点，构建了嵌入式u s b 主机的硬件和精简的u s b 主机系统软件平台，通过分析u s b 主机遵循的协议及其工作原理，结合n u c l e u s p l u s 下设备驱动的开发，研究n u c l e u sp l u s 的u s b 子系统，在此基础上设计 p h i l i p si s p l1 6 1 主机控制器驱动程序，编译迸n u c l e u sp l u s 操作系统，从而实 现板上的u s b 主机功能。该主机系统实现了u s b 核心驱动程序( u s b d ) 、主机 控制器驱动程序( h c d ) 以及用户程序，支持m a s s s t o r a g e 设备类协议，最终在该 测控系统中实现u s b 主机的功能，并能与多种u s b 设备进行通讯互联与数据交 换，如实时数据采集设备的数据传输与交互。 系统中u s b 主机控制器采用的是p h i l i p s 公司生产的i s p l l 6 1 a 1 芯片。论文 中对此款芯片做了详细介绍，并且在对n u c l e u sp l u s 系统下的u s b 主机控制器 驱动开发研究的基础上开发了驱动程序，同时给出了部分代码和流程图。 论文的主要工作包括：u s b 通信协议相关技术的研究、测控系统软硬件平台 的构建、嵌入式u s b 主机系统硬件电路和软件协议的设计。最后对本课题进行 了简要总结并对u s b 的发展前景进行了展望。 关键词：通用串行总线，嵌入式u s b 主机，核心驱动程序，主机控制器驱动 v l i l 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b c d d o ds y s t e mi saf a s td e v e l o p i n ga r e a ，w h i c hc o v e r sm a n ya s p e c t so f s e v e r a ld i s c i p l i n e s a st h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h ei n f o r m a t i o n e l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，m o b i l ec o m p u t e re q u i p m e n t , n e t w o r ke q u i p m e n t ，i n d u s t r i a l c o n t r o la n do t h e r f i e l d s ，t h er e q u i r e m e n to fd a t ae x c h a n g eb e t w e e nd i f f e r e n t e q u i p m e n t st h r o u g hs t a n d a r dp u b l i ci n t e r f a c e si sg r o w i n gr a p i d l y u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) ，淅mi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs p e e d ，e a s yt oi n s t a l la n dc o n n e c t ，p l u g a n dp l a ye t c w h i c hi sb e c o m i n ga nu n i v e r s a li n t e r f a c eo fe m b e d d c ds y s t e m h o w e v e r , t h ee x c h a n g eo fd a t ab e t w e e nd i f f e r e n te q u i p m e n tt h r o u g hu s bi n t e r f a c es t i l lr e l i e s o np c ，t h a ti st os a yp ci st h eu s bh o s ti nm o s tc a s e sa tp r e s e n t , ar e a lm o b i l ed a t a e x c h a n g ec a n tb er e a l i z e d a l o n gw i t hl l i g he x p e c t a t i o no nu s b i ta p p e a r st h a ti t s v e r yu r g e n ta n dn e c e s s a r yt od om u c hr e s e a r c h0 1 1e m b e d d e ds y s t e mu s bh o s ti n i n f o r m a t i o ne l e c t r i c a la p p l i a n c e s 、i n d u s t r i a lc o n t r o la n do t h e rf i e l d s i nt h i sp a p e r , a ne m b e d d e du s bh o s ts y s t e mp r e s e n ti nd e t a i l ，w h i c hb a s e do n m c u - l p c 2 2 9 2 ( a r m 7 t d m i ) a n dn u c l e u sp l u sr t o s ，a tt h es a m et i m e , c o n f o r i l l s t oo h c i ( o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) c r i t e r i o n 。a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts t a t u so f u s bu s e di ne m b e d d e ds y s t e m , c o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i co fi n d u s t r i a lt e s ta n d c o n t r o ls y s t e m , t h i sp a p e rc o n s t r u c t sah a r d w a r eo fe m b e d d e du s bh o s ta n da s o f t w a r eo fs i m p l i f yu s bh o s tp l a t f o r m b yf u r t h e ra n a l y s i n gt h eu s bp r o t o c o la n d t h ew o r kp r i n c i p l e s ，c o m b i n e dw i t ht h eg e n e r a le q u i p m e n t d r i v e rd e v e l o p m e n ti nt h e c o n t e x to f n u c l e n sp l u sr t o s ，t h i sp a p e rd e s i g n si s p i l 6 1 a 1h c d p r o g r a m ，o nt h e b a s i so f t h e s e ，t h i sp r o g r a mi st r a n s l a t e di n t on u c l e u sp l u sr t o s ，t h e na c h i e v i n gt h e u s bh o s tf u n c t i o n so i lt h eb o a r d t h eh o s ts y s t e mr e a l i z e su s bd r i v e r 、h c dd r i v e r a n dc l i e n tp r o g r a m ，s u p p o r t sm a s s s t o r a g ed e v i c ec l a s sp r o t o c o l 。a tl a s tt h i st e s ta n d c o n t r o ls y s t e mc a nc o m m u n i c a t ew i ms o m es p e c i a lu s bd e v i c e 。s u c ha sr e a lt i m e d a t ac o l l e c t i n gd e v i c e u s bh o s tc o n t r o l l e ra d o p t e di nt h es y s t e mi si s p i1 6 1 a 1 w h i c hi st h ep r o d u c t o fp h i l i p sc o m p a n y i nt h ep a p e r , t h ec h i pi sd e s c r i b e di nd e t a i la n dd r i v e ri s d e v e l o p e db a s e do nt h er e s e a r c ho fu s bh o s tc o n t r o l l e rd r i v e rd e v e l o p m e n to n i x 上海大学硕士学位论文 n u c l e u sp l u s p a r to f c o d ea n df l o wc h a r t sa r eg i v e ni nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hd o n ei n t h i st h e s i sa s f o l l o w s ：s t u d yu s bc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa n dc o n c e r n e dt e c h n o l o g y , c o n s t r u c ts o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h et e s ta n d c o n t r o lp l a t f o r m ，d e s i g no ft h ee m b e d d e dh a r d w a r es y s t e m ，u s bh o s tc o n t r o l l e r d r i v e rd e v e l o p m e n to f i s p l1 6 1 a 1o nn u c l e u sp l u s f i n a l l y , g i v eas i m p l e s u m m i n g - u pa b o u tt h i sp a p e r , a tt h es a m et i m e ，a b o u tt h ef u t u r eo fu s b i sa l s o d i s c u s s e di nt h ep a p e r k e y w o r d ：u s b ，n u c l e u sp l u s ，u s b d ，h c d ，i s p l1 6 1 x 上海大学硕士学位论文 原创性声明 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。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：客叁拯日期：鲨2 车坐趋 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 u s b ( u s b u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 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，目前己广泛应用于p c 机与其外围设备的互联。但 是随着u s b 应用领域的逐渐扩大，人们希望u s b 能应用在各种计算机领域中， 尤其是在移动数据交换等没有p c 的领域，而这正是u s b 一个很重要的弱点。 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， 开始成为u s b 开发者讨论的热点问题和研究重点。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 领域新的闪光点，而对基于a r m 的嵌入式u s b 主机的研究更成为时下的一种研究方向。 本章从对u s b 技术的特点、发展及现状总体分析出发，在查阅资料和对项 目充分分析的基础上，提出了本论文的主要研究目的、研究内容和预期结果。 1 1 1u s 8 技术的发展及现状 通用串行总线u s b 源自c a m p a q ，d i g i t a le q u i p m e n t , i b m ，i n t e l ，m i c r o s o f t , n e c 及n o r t h e r nt e l e c o m 等七家计算机及通讯公司为解决个人计算机外部设备 接口在速度、扩展性、易用性等方面的局限与不足，于1 9 9 4 年提出的一种计算 机与外部设备相连接的新技术，经u s b 执行论坛( u s b i v ) 规范和完善，形成了 这一如今广为流行的p c 接口工业标准。 相对于p c 传统的串并行接口，u s b 具有较高的数据传输率、即插即用、 易扩充、热插拔等优点，从u s b 标准颁布以来的短时间内，u s b 己成为p c 上 的标准接口，并为绝大多数p c 外部设备如键盘、鼠标、打印机、扫描仪和游戏 手柄所采纳使用，迅速占领了计算机中、低速外设市场。在u s b 推动p c 外部 设备发展的同时，p c 外部设备反过来也对u s b 提出更高的要求，其中最主要的 一点便是更高速率的数据传输。为此，u s b i f 在原先提供1 s m b i t s 低速和 1 2 m b i t s 全速数据传输的u s b1 x 的基础上，于2 0 0 0 年发布了支持4 8 0 m b i t s 高 速数据传输的u s b2 0 规范，为将u s b 推广到大容量移动存储、宽带网络产品、 上海大学硕士学位论文 数码相机和摄像机等高速外部设备提供了解决方案。另外为满足外部设备之间通 信的需求，u s b i f 推出了u s bo t g ( u s bo n - t h e - g o ) 规范。u s bo t g 是对u s b 2 0 的补充和扩展，在遵从u s b 主机设备架构的规定下，通过允许象数码相机、 p d a 之类移动数码设备由软件协议动态切换设备和主机两种工作方式，即成为 一种双功能设备( d u a lr o l ed e v i c e ) ，从而引入点到点的数据传输功能，使得u s b 进入一个发展的黄金时代。特别是2 0 0 5 年5 月通过的无线u s b ( w u s b ) 技术 标准将传统基于线缆的u s b 扩展为基于无线传输平台的无线u s b ( w i r e l e s s u s b ) 。这种新的高速无线个人互连技术，在继承传统有线u s b2 0 标准所具有 的较高传输速率优势的同时，充分利用无线传输技术的灵活性与极高的自由度， 免除了有线u s b 需要线缆连接所带来的各种麻烦，为互连设备提供了更大的便 利性与可移动性。该标准以m b o a 和w i - m e d i a 联盟的超宽带m a c 层和物理层 为基础，在w i m e d i a 通用无线平台上提供较高层的协议综合，在3 m 范围内提供 高达4 8 0 m b i t s 的传输速度，1 0 m 范围内的传输速度也可达到1 1 0 m b i t s 。该技术 也将u s b 技术推向了另一个高潮，必将对我们的生活产生深远的影响。 1 1 2o s b 的特点及其系统结构 一个u s b 系统一般由一个u s b 主机( 以下简称h o s t ) 、一个或多个u s b 集线器和一个或多个u s b 设备节点组成。如图1 1 所示的u s b 的拓扑结构，u s b 的物理连接是有层次的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心，每条线段都 是点对点的连结。在系统中，有且仅有一个h o s t ，而与h o s t 直接相连的h u b 一 般称为根集线器( r o o t h u b ) 。所有u s b 设备都连接在u s bh u b 的接口上，同 时h u b 有责任为其每个连接在其接口上的u s b 设备提供+ 5 v 5 0 0 m a 的电源。在 u s b 系统中，u s b 集线器实际上就是一个具有特殊功能的u s b 设备 3 1 。 在u s b 总线上，u s b 主机会为每个连接在总线上的u s b 设备( 包含u s b 集线器及根集线器) 分配一个地址，u s b 主机也就是通过设备地址访问相关的 设备。而对于复合设备( c o m p o u n dd e v i c e ) ，u s b 主机会为其分配多个地址以 适应其逻辑结构的需要。 2 上海大学硕士学位论文 图1 1u s b 系统结构图 u s b 主机根据各个设备的属性，周期性访问各个设备。u s b 设备是被动地 响应u s b 主机的访问请求，这样就避免了u s b 设备主动发送数据时可能导致的 总线冲突。但这种总线结构也存在很大问题，比如，如果没有u s b 主机，u s b 设备间就无法进行数据通信。而对于两个u s b 主机，也无法直接相连进行数据 传输。u s b 技术具有以下优剧3 】： 在u s b 系统中，不同种类的u s b 设备使用相同的接口，因而，用户在 设备连接时，不需考虑连接接口的类型，以及接口的硬件电气特性。在 系统接口的设计过程中，u s b 系统的设计者也只需考虑统一的u s b 接 口，而不必设计另外的连接类型； u s b 设备具有热插拔、即插即用的特点； 系统总线供电。u s b 总线带有+ 5 v 的电源线和地线，u s b 设备可以从系 统总线上获得+ 5 v 、小于等于5 0 0 m a 总线供电，因而，在u s b 设备设 计时可选择采用总线供电或外接电源。 传输带宽：为了适应不同的应用需要，u s b 总线提供了3 种不同的数据 传输速率：1 5 m b s 的低速数据传输、1 2 m b s 的全速数据传输、4 8 0 m b s 的高速数据传输，仅u s b 2 0 支持高速数据传输。 为了适应不同的需要，u s b 总线上支持4 种不同传输方式：控制传输、 中断传输、批量传输和实时传输。 正是由于u s b 总线具有以上特点，消费类电子产品、信息家电、工业控制 3 上海大学硕士学位论文 等嵌入式系统应用广泛的领域都期待着将u s b 总线技术得到更加充分的应用。 1 2 研究嵌入式u s b 主机系统的意义 1 2 1 嵌入式设备接口发展及u s b 在嵌入式设备中的应用 嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础的、嵌入到对象体系中 的软硬件可裁减的专用计算机系统，隐藏在各种系统中，用户一般察觉不到其存 在。一台通用计算机的外部设备中通常会包含一个或多个嵌入式徽处理器，例如 键盘、鼠标、显示卡、网卡、m o d e m 、打印机、扫描仪、数码相机等均是由嵌 入式处理器控制的，这些含有嵌入式系统的设备统称为嵌入式设备。 当前，嵌入式设备在数量上远远超过了各种通用计算机。大约9 8 的处理器 不是应用在传统的桌面计算机设备上，而是广泛应用在制造工业、过程控制、通 讯设施、军事装备、消费类电子产品等方面的嵌入式设备。 传统的嵌入式设备通常作为从机与主机通讯，其串行总线的传输速率如表 1 1 所示。 表1 1 常用串行总线比较 负载能力( 设备个 接口 格式数)速率( 最大值b i t s ) u s b 异步串行1 2 7i 5 m ，1 2 m 、4 8 0 m r s 一2 3 2 异步串行 21 1 5 2 k r s - 4 8 5 异步串行3 21 0 m i r d a 红外异步串行21 1 5 2 k m i c r o w i r e同步串行8 2 m s p i同步串行8 2 1 m 1 2 c同步串行40 4 0 0 k i e e e 一1 3 9 4 串行 6 44 0 0 i i e e e 一4 8 8 串行 1 58 m e t h e r n e t 串行 1 0 2 4i o m i o o m i g m i d i 电流环 23 1 5 k 在嵌入式系统中加入u s b 接口可以方便的与主机进行通讯和大量数据交 互，并可通过p c 进行u s b 接口设备间的数据交换，为人们带来各种便利。随 着u s b 应用领域的逐渐扩大，人们对u s b 的期望也越来越高，希望u s b 能够 应用在没有p c 的领域中，即嵌入式设备集成u s b 主机，例如通过p d a 、数码 相机等移动设备直接和u s b 外设通信。 4 上海大学硕士学位论文 1 2 2 嵌入式岭b 主机在国内外的研究概况 嵌入式u s b 主机系统作为u s b 总线的推广，在国内外均处于积极研究和发 展阶段。现今已有很多的半导体公司推出了u s b 主机接口芯片，如p h i l i p s ， c y p r e s s 、a t m e l 掣”。市场上也逐步出现了具有部分功能的嵌入式u s b 主机产 品。通常半导体公司提供u s b 主机接口芯片的同时也往往提供相应的程序开发 包和程序例程，供用户开发参考和使用，如a t m e l 公司的a t 4 3 u s b 3 7 0 芯片就 带有免费的程序u s b 函数库【4 】。 在消费类电子产品领域的嵌入式u s b 系统应用已经较为广泛，如数码相机 直接连接打印机，国外已有所发展，并且已经推出的相关的产品，如c a n o n 公 司推出的z r6 0 数码摄相机就具有这项功能，但仅能支持某些特定型号的打印 机。另外某些p d a 所用的嵌入式实时操作系统如w i n c e 、l i n u x 等也实现了嵌 入式u s b 主机的部分功能。 在国内嵌入式u s b 主机的研究仍处于起步阶段，仅有很少量的嵌入式u s b 主机产品问世，如南京沁恒电子公司出的c h 3 7 5u 盘读写模块。另外清华大学 在嵌入式u s b 主机系统系统的研究起步较早，有不少的关于这方面的论文发表， 并给出了部分u s b 类如h i d 、m s c 的固件实现方案。 这些已经实现的嵌入式u s b 主机系统都存在了某些缺陷。如某些产品功能 单一，仅能面对一种u s b 设备【4 】。另外目前嵌入式u s b 主机的应用也主要是在 消费类电子，在工业控制领域的应用未得到充分的发展。其中一个原因就是，工 业控制领域的嵌入式系统所面对的设各种类很广泛，而目前的嵌入式u s b 主机 系统仅能应用于单一的u s b 设备类型。 1 3 课题背景及研究的主要内容 u s b 的应用范围也越来越广，在和计算机通信相关的领域中都可以看到 u s b 的存在。但是，随着移动数据业务的飞速发展，传统的u s b 接口似乎已经 跟不上时代要求。由于在u s b 的拓扑结构中，居于核心地位的是主机，任何一 次u s b 的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的u s b 设备都只能和u s b 主机建立连接，任何两个u s b 设备之间无法直接进行通信。目前在市场上能够 5 上海大学硕士学位论文 购买到和使用的都是u s b 设备，比如u s b 移动硬盘、闪存、数码相机、m p 3 等，而目前传统的u s b 主机都是基于p c 机的，因此所有的设备都只能在p c 机 上使用，脱离了p c ，u s b 设备就毫无用武之地。 所以，使u s b 设备脱离p c ，应用在嵌入式领域成了当务之急。根据u s b 的体系结构，我们只能开发嵌入式u s b 主机，才能将u s b 设备的应用从p c 领 域脱离出来，从而使如今高速发展的移动数据业务变得更加方便。 根据上述对嵌入式u s b 主机发展现状的分析，本课题的主要研究目的就是 要在已有的测控系统平台上，实现适合工业控制领域使用的嵌入式u s b 主机系 统，将嵌入式u s b 主机的应用拓展到工业控制领域中。 如今的支持大容量存储设备的嵌入式u s b 主机系统多采用8 位或是1 6 位的 单片机来构成系统核心处理器，该类单片机价格低廉，体积小，功耗低，功能比 较齐全等优点，但由于时钟频率比较低，而且往往一个机器周期需要好几个时钟 周期，因此效率比较低，处理速度比较慢，导致系统主机对u s b 外设数据的读 取速度也受到限制，所以，并不是理想的实现方案。 本论文提出的u s b 主机系统方案基于l p c 2 2 9 2 ( a r m 7 内核) 处理器实现， 该处理器采用3 2 位r i s c 指令集。与一股单片机相比，它同样具有成本低、功 耗低、功能齐等特点，但是由于其时钟频率远比8 位或是1 6 位单片机高，并且 其流水线结构使得大多数指令的执行只需要一个时钟周期，因此其处理速度较之 8 位或是1 6 位单片机要快得多，作为u s b 主机系统的主处理器其实现效果比较 好。 要开发出成功的嵌入式u s b 主机系统，对u s b 2 0 协议特点的掌握是必不 可少的。所以对u s b 2 0 协议的深入分析和研究，掌握u s b 2 0 协议的通信特点 是本课题研究内容中重要的一个方面。 在具体的设计开发方面包括硬件和软件两大部分。 1 ) 硬件设计方面：首先要做的就是选择u s b 主机控制芯片。现在比较 成熟的有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 a 1 ，本课题所选择 的是i s p l l 6 1 a 1 。在硬件方面除了要选用一款成熟和功能强大的u s b 主机控制 芯片外，还要在对芯片功能和结构分析的基础上，对芯片外围电路进行深入细致 的分析与设计。因为u s b 通信较高的传输速度对物理连接层的稳定性要求很高， 6 上海大学硕士学位论文 这就需要对过流检测和抗干扰等方面可能出现的问题进行细致的分析和解决。 2 ) 软件方面：就是要实现u s b 主机协议栈和主机控制器驱动，建立一 个连接u s b 设备客户端驱动程序与u s b 设备的通信软件平台，而且这个主机驱 动程序一定要十分精简，目的是能适合嵌入式系统中资源有限的特点。另外还要 能提供通用的u s b 设备驱动程序接口，目的是解决工业控制领域中所面对u s b 设备种类繁多的特点。u s b 主机系统软件平台包括u s b 主机驱动程序( u s b d ) 和主机控制器驱动( h c d ) 。主机驱动程序的设计包括主机控制器管理、u s b 设 备的配置和管理、协议控制命令集和数据传输的管理。主机控制器驱动设计主要 包括对主机控制的工作状态的管理、四种u s b 数据传输类型的有效管理和传输 带宽的分配。 本文的主要工作包括在以下几个方面： i 通过深入分析u s b2 0 协议的通信规范，并结合工业控制领域的具体特 点，给出实现嵌入式u s b 主机模块的方案。 2 根据测控系统平台的硬件和软件环境，分析了a r m 7 的特点、l p c 2 2 9 2 的芯片结构及应用。并对测控系统平台所采用的嵌入式实时操作系统n u c l e u s p l u s 的系统结构和内核移植的相关开发技术进行了简要分析。 3 在充分了解i s p l l 6 1 a i 芯片结构和引脚特征的基础上进行主机控制芯片 的主机端口、过流检测等外围电路设计，从硬件上实现了以i s p l l 6 1 a i 为主机 控制芯片的u s b 主机模块，建立u s b 通信的信号层，为u s b 通信提供稳定的 通信硬件接口。 4 根据所提出的方案开发u s b 主机系统软件平台。通过对u s b 主机驱动 程序( u s b d ) 和u s b 主机控制器驱动程序( h c d ) 两层软件进行设计与调试， 实现u s b 主机处理系统平台的u s b 主机栈和主机控制器驱动的功能。u s b 主机 驱动程序是在u s b 2 0 协议深入分析的基础上，实现嵌入式u s b 主机的上层u s b 通信的数据管理，并提供通用的u s b 设备驱动程序接口和主机控制器驱动程序 接口。u s b 主机控制器驱动程序是在i s p l l 6 1 a 1 芯片的特点上结合o h c i 规范， 来实现u s b 2 ，0 通信的下层数据管理和对主机芯片运行状态的管理。 7 上海大学硕士学位论文 本课题最终要实现的结果是在混合传输模式的测控系统平台上，通过嵌入式 u s b 主机模块的构建，实现u s b 的传输方式，能够满足u s b 技术在工业控制领 图1 2 预期效果图 域应用的要求。预期效果图1 2 显示了课题要实现的具体功能。该图中下面的方 框表示硬件层。硬件层是在嵌入式测控系统平台上实现u s b 主机( u s bh o s t ) 模块，为u s b 设备提供主机端口，实现稳定u s b 硬件接口。图中上面的方框表 示软件层，在软件层要实现u s b 主机栈( h o as t a c k ) 和h c d ( h o s tc o n t r o l l e r d r i v e r ) ，并能为设备类驱动程序( c l 嬲sd r i v e r ) 、设备驱动程序( d v i e ed r i v e r ) 和应用程序( a p p l i c a t i o n ) 提供通用的接口。这些接口的提供使u s b 主机系统 平台可以调用多种u s b 设备驱动程序。最终要在测控系统平台上实现u s b 通信 功能，能和多种u s b 设备，如键盘、打印机进行稳定的通信。 1 4 本章小结 本章从引言出发，首先介绍了u s b 技术的发展现状、特点及其系统结构， 接着就研究嵌入式u s b 主机系统的意义及目前国内外的研究状况进行简要论 述，最后阐述了本课题的背景和研究的主要工作，同时对软硬件的总体开发也作 了简单介绍。 上海大学硕士学位论文 第二章u s b 2 0 协议分析 2 1u s b 规范简介 u s b 规范是在a c c e s s b m 规范的基础上形成的，而a c c e s s b l l s 则是基 于e c 总线而来的，因而仔细比较，我们仍可发现在串行数据格式上，1 2 c 与u s b 有着相似之处。 u s b 的所有标准主要包括三个部分：u s b 基本规范( 也就是常说的u s b1 x 、 u s b 2 0 、o t g ( o nt h ec o ) 、w u s b ( w i r e l e s su s b ) 标准等) 、u s b 设备类规范 和u s bh o s t 控制器规范。 2 1 1u s b 基本规范 在u s b 基本规范中，规定了u s b 总线的系统结构，物理、机械、电气特性、 数据传输格式、u s bh u b 等u s b 总线的基本内容。 经过了很多年的完善，u s b 基本规范经历了不断的发展和完善( 如表2 1 所 示) 。现在市场上大约有2 0 亿个带u s b 接口的设备，市面上基于u s b 2 0 协议的 产品已很普遍，无线u s b 产品也将很快面世。 表2 - 1u s b 基本规范的发展过程 o 7 1 9 9 4 年1 1 月1 1 日覆盖o 6 e 0 8 1 9 9 4 年1 2 月3 0 日修改第3 8 ，1 0 ，1 1 章，新增附录 0 9 1 9 9 5 年4 月1 3 日修改所有章节 0 9 91 9 9 5 年8 月2 5 日 修改所有章节 1 0 f d r 1 9 9 5 年1 1 月1 3 日修改第1 ，2 ，5 - 1 1 章 1 01 9 9 6 年1 月1 5 日修改5 l l 章 1 11 9 9 8 年9 1 月2 3 日修改所有章节 2 0 ( & a f t0 7 9 )1 9 9 9 年l o 月5 日修改5 ，7 ，8 ，9 。l l 章来增加高速 2 0 ( d r a f t0 9 )1 9 9 9 年1 2 月2 1 日修改所有章节来增加高速 2 o 2 0 0 0 年4 月2 7 日高速模式的版本 0 t g2 0 0 1 年1 2 月1 8 日u s bo n - t b e o 协议版本 w u s b2 0 0 5 年5 月1 2 日w u s b ( 无线u s b ) 1 0 协议版本发布 2 1 2u s b 设备类规范 u s b i f 出来制定u s b 的基本规范外，还制定了一系列的设备类规范。 9 上海大学硕士学位论文 u s b i f 把常用的计算机外设根据其功能特性分类，并为每类设备制定了设备与 主机进行数据传输的标准。这样就使得具有相同属性的不同设备共用同一设备驱 动程序成为了可能。因而，如果要设计u s b 设备驱动程序，了解相关的u s b 设 备类规范是非常必要的。在u s b 设备类规范中，规定了不同属性u s b 设备配置 和数据传输特性。u s b i f 把所有u s b 设备划分为以下几类： 音频设备类( a u d i od e v i c e ) ：针对麦克风、音箱等语音音频设备。 通信设备类( c o m m u n i c a t i o n sd e v i c e ) ：针对电话、调制解调器等设备。 芯片智能卡接口设备类( c h i p s m a r tc a r di n t e r f a c ed e v i c e s ) ：针对符合 i s o i e c 7 8 1 6 规范的设备。 设备固件更新类( d e v i c ef i r m w a r eu p g r a d e ) ：用来更新设备软件。 影像设备( h n a g i n gd e v i c e ) ：针对扫描仪、数码相机等设备。 人机交互设备类( h i d ) ：针对键盘、鼠标、游戏杆等设备。 i r d a 设备类( i r d ab r i d g ed e v i c o ：针对i r d a 设备。 存储设备类( m m ss t o r a g ed e v i c e ) ：针对c d r o m 、磁带、软盘机等设备。 物理接口设备类：针对具有实时物体反馈的设备。 电源设备类( p o w 既d e v i c 曲：针对电源控制等设备。 打印机设备类( p r i m e r c l a s s ) ：针对打印机设备。 监视器设备类( m o n i t o rd e v i c e ) ：针对显示器等设备。 虽然u s b i f 规定了一系列的设备类规范用来指导相关的u s b 设备接口设 计。但市场上也有很多不同厂商设计的非标准类型u s b 以满足特殊的需求，因 而在设计u s b 设备驱动程序时首先要知道要支持的相关设备的特性，如果不是 标准规范的设备类，就需要了解相关厂商对设备的描述字定义。 2 1 3u s bh o s t 控制器规范 u s b 主机控制器规定了u s b 主机硬件接口，因而在设计u s b 协议栈时( 即 u s b 基本驱动程序) ，设计者就必须了解相关的u s b 主机控制地规范。详细内容 将在2 4 节u s b 主机端详细讲述。 1 0 上海大学硕士学位论文 2 2 u s b 协议与规范分析 2 2 1u s b 线缆和电气特性 u s b 的电缆构造如图2 1 所示。电缆的4 根线在u s b 中有固定不变的数字 编号及不同的颜色为电缆的识别和使用提供了方便。电缆中包括v b i l s 、g n d 线， 向设备提供电源。v b i i s 使用+ 5 v 电源，总线供电时向设备提供电流。d + 。d 为反 v b u s d 十 参 g n d 5t n c t c t $ m a x v b u s d + d g n d 图2 iu s b 电缆结构图 向非归零编码( n o r e t u r nt oz 盯oi n v e r t e dw i t hb i ts t u f f i n g - n r z i ) 差分信号数据线。 u s b 对电缆长度的要求很宽，单段最长可达5 米。 u s b 和设备采用2 种供电模式，即自供电( s e l f - p o w e r e d ) 和总线供电 ( b u s p o w e r e d ) 。自供电即u s b 设备或h u b 自己提供电源，功率不受u s b 协议 的限制，但是设备必须带额外电源，增加了体积和成本。总线供电模式为耗电量 少的设备提供了一种方便的连接方式，能够完全从u s b 总线的v b i s 获取电流， 但是功率受到限制。在嵌入式主机系统中，这一功率限制尤为明显。 2 2 2u s b 通信模型 u s b 协议所说的通信指的是u s b 设备和u s b 主机之间的通信。为了细化 u s b 的通信机制，u s b 协议采用了分层的概念，每一层传输的数据结构对其他 逻辑机构是透明的。图2 2 显示了u s b 设备和u s b 主机通信的逻辑结构和每层 的逻辑通道。 数据传输层 协议引擎层 信号层 u s b 主机： 。 u s b 设备 物理数据流 卜- 逻辑数据流 图2 2u s b 通信结构图 u s b 通信逻辑分为三层：信号层、协议层和数据传输层。信号层用来实现 在u s b 设备和主机物理连接之间传输包字节流的信息。逻辑层用来实现在u s b 设各和主机的协议软件之间传输包字节流的信息，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在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一定意义的信息，这些信息在协议层被打包成包格 式。 在u s b 规范中，主机上的软件通过一系列的通信流与逻辑设备进行通信。 下面将逐一分析介绍端点、管道和通信流。图2 1 3 就是它们的相互关系。 图2 3 端点、管道和通信流关系图 设备端点( e n d p o i n t ) 一个端点是一个可唯一识别的u s b 设备的数据区，它是主机与设备间通信 流的一个结束点。一系列相互独立的端点的集合构成了u s b 逻辑设备。每个逻 辑设备有一个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时，由主机分配的，而设 备中的每个端点在设备内部有唯一的端点号。这个端点号是在设备设计时被给定 上海大学硕士学位论文 的。每个端点都是一个简单的连接点，除端点0 外，每一端点必须在设备被主机 配置后才能是使用，或者支持数据流进设备，或者支持其流出设备，两者不可兼 得。 端点号不为0 的端点在被设置前处于未知状态，是不能被主机访问的。所有 u s b 设备都需要实现一个缺省的控制方法，这种方法将端点0 作为输入和输出 端点。u s b 系统用这个缺省方法初始化及配置逻辑设备。一旦设备接入并加电， 且又收到一个总线复位命令，端点0 就是可访问的了。除端点0 以外，设备的其 它端点的多少，取决于这一设备的实现。 管道( p i p e ) 一个u s b 管道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系，体现了主机 上缓存和端点间传送数据的能力。u s b 不解释在管道中传送的数据的内容。消 息管道要求数据组织成u s b 定义的格式，但它的内容u s b 是不管的。 管道有两种不同的互斥的通信格式： a ) 流管道( s t r e a mp i p e ) ：指不具有u s b 定义的格式的数据流。流管道中的数 据是流的形式，也就是该数据的内容不具有u s b 要求的结构。对于在流管道中 传送的数据，u s b 认为它来自同一个客户。u s b 系统软件不能够提供使用同一 流管道的多个客户的同步控制。在流管道中传送的数据遵循先进先出原则。流管 道只能连到一个固定号码的端点上，或者流进，或者流出r 这个号码是由协议层 决定的) 。而具有这个号码的另一个方向的端点可以被分配给其它流管道。流管 道支持同步传送，中断传送和批传送