（检测技术与自动化装置专业论文）便携式电子盘固化装置的设计研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着船舶导航系统的不断发展，用户对导航系统的要求也越来越高。综 合导航显控台就是船舶导航系统的数据处理中心，其重要性和可靠性对船舶 的航行至关重要。综合导航显控台的信息处理应用程序固化在电子盘中，传 统的程序替换相当麻烦，因此，需要开发一种新式的替换方式。 u s b 系统由于支持即插即用和热拔插，以及具有速度快、易于扩展、总 线供电等优点，目前已成为p c 机与外部通信的主流接口。u s b 技术的飞速发 展和广泛应用，为系统应用程序的替换方法提供了很好的技术支持。 本文首先分析了u s b 的系统结构以及u s b 设备的架构，同时分析了电子 盘的f a t 文件系统结构，为固件的实现提供了理论基础。随后详细的阐述了 系统硬件的设计过程和固件程序的设计实现。 系统硬件设计部分主要由u s b 接口部分和功能单元部分组成。具体可分 为：u s b 芯片外围电路，u s b 芯片与微控制器的接口电路，电子盘与微控制器 的接口电路，另外增加了调试用的串口电路。系统的软件开发主要是固件的 开发，采用分层体系架构的方法进行设计，有利于代码的实现移植、复用和 维护。固件遵循u s b i 1 协议，f a t 文件协议和u f i 命令这三种协议的规定，利 用c 语言进行程序设计，完成模块化程序设计并进行了调试。在主程序设计中， 提供服务中断程序接口实现模块程序的调用。 该设计对主机与电子盘的通讯提供了一种新型便捷的方式，研究成果具 有较高的工程应用实用价值。 关键词：u s b ；固件：p d i u s b d l 2 ；电子盘；f a t l 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fs h i pn a v i g a t i o ns y s t e m ，t h ed e m a n do f s y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eu r g e n t t h ei n t e g r a t e dn a v i g a t i o nc o n s o l e ( i n c ) i st h ed a t ap r o c e s s i n gc e n t e ro f t h i ss y s t e m ，i t ss i g n i f i c a n c ea n dr e l i a b i l i t yi s v i t a li m p o r t a n tt ot h ev o y a g eo ft h es h i p s 1 n l ed o c ( d i s k o n c h i p ) i st h e m e m o r i z e ro fi n ca n dt h en a v i g a t i o ni n f o r m a i i o ni sp u ti ni t s od o c i sv e r y i m p o r t a n tf o rs h i p n l ct r a d i t i o n a lw a y o fc h a n g i n gi n f o r m a t i o ni sv e r yc o m p l e x ， s ot h em e t h o do f c h a n g i n gt h en a v i g a t i o ni n f o r m a t i o nn e e d si m p r o v i n g u s bh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sf a s ts p e e d , p l u ga n dp l a y , h o tp l u g u n p l u g , c o n v e n i e n tu s ea n di ts u p p o r t st ou s e0 n c ei t si n s e r t e di np c a tp r e s e n t ，u s bh a s b e c o m et h em a i nc u r r e n ti n t e r f a c eo f t h ep cm a c h i n ea n de x t e r i o rc o r r e s p o n d e n c e t oc o m m u n i c a t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu s b 据c h n o l o g y ，u s bp r o v i d e s t e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ec h a n g i n gm e t h o do f s y s t e ma p p l i c a t i o np r o g r a m t h ep 印c rd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to fu s ba n da n a l y z e dt h es t r u c t u r eo f u s bf i r s t l y , t h e na n a l y z e dt h ef a t l 6f i l es y s t e mo ft h ed o c t h e s er e s e a r c h p r o v i d et h et h e o r yf o a n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no f t l l eh a r d w a r ea n df i r m w a r e b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，t h ew h o l es y s t e mo f t h eu s bd e v i c ew a sd e s i g n e d t h e n t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r ea n dt h ef i r m w a r ew a sg i v e ni nd e t a i l 硼1 ed e s i g no fh a r d w a r em a i n l yc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h eu s bi n t e r f a c ea n d t h ef u n c t i o nu n i t i tc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t si nd e t a i l ：e x t e m a lc i r c u i to f p d l u s b d l 2 ，i n t e r f a c ec i r c u i to fp d l l 2 s b d l 2a n dm c u ，i n t e r f a c ec i r c u i to f d o ca n dm c us e r i a lp o r tc i r c u i tw h i c hi su s e dt od e b u g t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n to ft h es y s t e mi sm a i n l yt h ed e v e l o p m e n to ft h ef i r m w a r e ，t h el a y e r s t r u c t u r eo fm e t h o dc a r r yo nt h ed e s i g n 1 1 1 em o d u l a r i z i n ga n dl a y e ra r c h i t e c t u r e i sa d o p t e d ，w h i c hm a k e si te a s yt or e a l i z e ，p o r t , r e u s e ，t e s ta n dm o d i f y n l e f i r m w a r ef o l l o w st h eu s b l 1s p e c i f i c a t i o n , t h ef a t l 6f i l es y s t e ma n du f i c o m m a n ds p e c i f i c a t i o n t h ef i r m w a r eu s e scl a n g u a g et op r o g r a mt oc o m p l e t e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h ep r o g r a mm o l dd e s i g n t i l i sd e s i g np r o v i d e sak i n do f n e wc o n v e n i e n tw a yt ot h ec o m m u n i c a t i o no f t h eh o s ta n dt h ed o c t h i sr e s e a r c hh a st h eh i 曲e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d ：u s b ；f i r m w a r e ；p d i u s b d l 2 ；d i s k o n c h i p ；f a t l 6 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明；本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 日期：沙7 年2 一月- 7e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着船舶技术的不断发展，各船舶装备进行着大规模的改进和创新，以 提高船舶的综合实力。船舶导航系统作为船舶的千里眼和顺风耳，不仅要求 提供准确的船位、气象等重要信息，而且要求与控制系统、测量系统相结合， 提供航行的精确路线和路线测量等各种数据，是船舶顺利航行的重要保证。 综合导航显控台( 简称综导显控台) 是船舶导航信息处理、传输和显示 的中心，是整个船舶导航系统的大脑和心脏，其重要性和可靠性对船舶的航 行至关重要。船舶在航行之前，需要在综导显控台中存储本次航行的航线信 息以及船舶自身的状态信息，这些信息和系统应用程序都是以电子盘为存储 介质的。当我们需要更新信息或对程序进行升级时，传统的方法比较麻烦， 因此寻求一种简单的数据和软件升级方式很有必要。 现场作业时，特别是陆上、海上联调时，由于编程双方对软件需求文档 理解上存在着差异，因此需要在现场及时更新系统应用程序，再把更新的应 用程序固化到电子盘中。而程序的调试必须在开发机上进行，开发机体积较 大，工作人员一般不可能随身携带。因此，只有带回综导显控台中的电子盘， 在工作室中调试完程序，重新固化程序，或者在工作室里把调试完的程序固 化到新的电予盘中，再拿到设备地点进行替换。这样的更新方式相当的麻烦。 对于用户来说，需要我们能够快速的完成技术保障工作，而如此更换系统应 用程序，要耗费大量的时间、人力和精力。如果能够有一种便携式设备，能直 接连接到已装有调试完的系统应用程序的p c 机上，把系统应用程序替换掉， 就能节省大量的时问，满足用户技术保障的需要。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 是种应用在计算机领 域的新型接口技术，其传输速率远快于一般的串行总线接口m ，它所能提供 的1 2 m b p s 的全速速率和1 5 m b p s 的低速速率可以满足各种不同类型的外设连 接的需求，u s b 2 o 还支持4 8 0 m b p s 的高速传输速率m 。它最突出的特点是支持 哈尔滨工程大学硕士学位论文 热插拔、使用方便、独立供电且能连接多个不同的设备。在设计一个便携 式系统的时候，传统的接口存在着传输速度与占用系统资源之间的矛盾“，新 型的通用串行总线就能很好的解决这一矛盾，为便携式产品的设计提供了很 好的选择。 本课题就是以嵌入式综合导航系统在现场调试过程中，遇到的实际问题 为背景产生的。u s 8 具有较高的传输速度，支持即插即用和热插拔功能。这些 优良的特性使u s b 作为便携式的通讯接口成为可能。 1 2d s b 技术的国内外发展状况 通用串行总线u s b 是c o m p a q 、m i c r o s o f t 、i n t e l 和n e c 等公司为了解决 日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾，共同开发的一种新 的、快速的、双向的、同步传输的并可以热插拔的数据传输总线“，。在u s b 产生之前，外设与p c 机的通信主要是通过p c 机主板所提供的各种接口来实 现的，如i s h 接口、p c i 接口、p s 2 接口、串行接口、并行接口等。这些老 式的接口存在着很多缺陷m ：首先，他们是非共享式接口，只支持单个外设的 连接，即在同一时刻一个接口只能连接一个外设。而p c 机接口的数量有限， 根本无法满足大量外设连接的需要。其次，这些接口的体积庞大，不利于p c 机外设的小型化。然后，这些接口的规格不一，使用起来很不方便。最后， 这些接口采用传统的i o 模式，这种模式使连接上新的外设后需重新设置和 重新启动计算机，才能使新的配置生效。在这样的一个环境下u s b 应运而生， 它的出现简化了外设连接的过程，降低了成本，提高了外设接口的兼容性， 同时实现了外设的自动识别和配置。 u s b 总线的发展至今经历了3 个主要阶段：u s b i 1 、u s b 2 o 和u s bo t g n ，。 随着u s b 2 0 版本的发布，u s b 越来越流行，它已经成为一个标准接口。目前 市场上出售的所有p c 机都支持u s 8 ，如鼠标、键盘、麦克风、游戏秆、摄像 头、数码相机、扫描仪、打印机、外置硬盘甚至显示器等。同时，在嵌入式 系统中，如常用的数字设备，数码相机、移动存储设备、p d a 掌上电脑、机 顶盒等，它也得到了广泛的应用。w i n d o w s9 8 、n t 2 0 0 0 、m a co s 、l i n u x 、v x w o r k s 、 f r e e s s d 等流行的操作系统都增加了对u s b 的支持m 。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u s b 总线系统作为一种新兴的标准，虽然具有很多的优点，但是也具有 不少的局限性。为了扩大u s b 的应用范围，很多公司在u s b 规范的基础上添 加了新的功能，使得u s b 的应用更加广泛。 根据u s b 规范，u s b 总线可为每个连接的外设提供+ 5 v 5 0 0 m a 的电源，对 于很多小功率的外设已能满足要求，但是当外设需要超过5 0 0 f f l 矗电流时，就 需要外接电源。这不符合“即插即用”的思想。所以出现了解决这一问题的 p o w e r e d u s b 技术。 u s b 规范规定了u s b 总线的连线长度最大为5 m ，使用h u b 来扩展，也只 能级联5 级，即最大为3 0 m 。这限制了u s b 在数据采集、设备监控等方面的 应用。i c r o n 公司开发了e x t e r m e u s b 技术，可以将连线距离扩展到5 0 0 2 0 0 0 m 。 这两年，u s b 正在逐步进入无线传输领域。2 0 0 3 年8 月c y p r e s s 公司推出的 w i r e l e s s u s b ，实现了l o m 的通信距离，可在2 4 gg l o b a li s m 频率下工作。而 在2 0 0 4 年2 月以i n t e 公司为首的7 家技术重量级公司发起组成了无线u s b 组 织，旨在开发一种基于超宽带技术( u w b ) 的无线u s b 协议。2 0 0 4 年6 月1 日， a g i l e n t 公司与f r e e s c a l e 公司共同推出业内第一个为p c 连接装置而开发的通 用串行总线( u s b ) 无线光学鼠标参考设计。无线u s b 正成为u s b 发展的一个新 的熟点。目前市场分析人士比较普遍认同的趋势是，无论是在传统的p c 领域， 还是在家用或个人消费类电子产品领域，u s bo t g 和无线u s b 技术在未来几年 中将会派上大用场m 。 可以预见，u s b 技术的发展和应用正在朝着更广泛的方向发展，其传输 速率也会越来越高。将来一台p c 机使用三五个u s b 外设的情形是可以想象的， 因此在p c 机上提供多个u s b 接口也是发展趋势。由于各种新型的u s b 控制器 芯片不断推出，为了更好的掌握这一技术，需要我们不断地进行研究，而现 在p c 机上均配有u s b 接口，流行的操作系统也都支持u s b ，又有很多厂商提 供u s b 芯片、外设，u s b 现已进入其发展的黄金时代。 1 3 电子盘的国内外发展状况 早期，磁盘以其廉价、方便，存储容量大，数据保存时间长等诸多优点 哈尔暝工程大学硕士学位论文 一i - - i | i i ；i i i | i ；i i i i j i i i i j i i i i i i i i 目；i j 目i i e i i i i i | 成为外部存储系统中使用最多的存储介质。但是因为它是一个机电一体化的 设备，所以磁盘系统具有i o 访问速度慢、功耗大、体积大、抗冲击、抗恶 劣环境能力差等缺点。因此，在军事、航天等重要应用领域内，机械磁盘是 不被认可的存储介质。在民用方面，人们在一些上控机、微机化医疗仪器等 重要领域中也不使用机械磁盘，而率先引入了电子盘。 电子盘采用半导体存储芯片代替磁存储介质，完全摒弃了机械装置。与 磁盘相比，它具有稳定性高、功耗低、抗震动等许多优点。但是起初的电子 盘一般只用e p r o m 固化软件，只能读数据而不能写数据。或者用上一个纽扣 电池代替，虽然能够读写，但是电路设计、维护复杂，抗冲击、振荡的能力 不强，掉电后数据消失。而且这些电子盘存储容量都比较小，在应用上不能 取代磁盘。基于此种因素，开始采用f l a s hm e m o r y ( 闪烁存储器) 芯片。由此 电子盘的发展登上了个新的台阶。f l a s h 介质不但像r a m 一样能读能写， 也像r o m 一样掉电保存数据。并且与e p r o m 等介质相比，还具有较容量大、 速度快，低功耗、抗震动的优点，这样基于f l a s h 的电子盘就产生了。 初期f l a s h 的芯片技术发展慢，给电子盘的发展带来了巨大的障碍。像 目前比较普及又倍受青睐的n a n d 型f l a s h 芯片，最早出现于上个世纪8 0 年 代末期。但是由于成本甚高，仅为军方单位所采用。自到1 9 9 3 、1 9 9 4 年，才 逐步迈入一般工业及产业应用( i n d u s t r i a la p p l i e a t i o n s ) 阶段。自至2 0 几 年后的今天，由于成本趋于合理化以及n a n d 型f l a s h 更适合于大容量储存数 据的特性，才逐渐被运用于消费性电子产品，如d s c ( d i g i t a ls t i l lc a m e r a ) 数字照相机、m p 3 等各式规格的小型记忆卡中。 近年来嵌入式系统的发展在我国可以说是个不小的飞跃。各种嵌入式商 品如m p 3 、手机、掌上电脑等产品推动了电子市场的发展。与此同时n a n d 型 f l a s h 芯片正以超摩尔定律的速度发展( 容量更大，速度更快，封装更小，价 格更低) 。不但如此，芯片的技术己经到了亚纳米的阶段，集成度更高。这一 切为电子盘的发展带来了巨大的动力。 如今，电子盘一般用实时性能很高的c h j 作为控制单元，并嵌入实时操 作系统( 如l i n u x ，c o s ，y x w o r k s 等) ，完成对f l a s h 阵列的维护和部分算法 功能，并且使用资源丰富、功能强大的f p g a 作为f l a s h 阵列的核心操作芯片。 提供1 0 、内部f i f o ，以及控制算法和时序控制。接口上我们通常使用i d e 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 或s a t a ( s e r i a la d v a n c e d t e c h n o l o g y a t t a c h m e n t ) 接口，并且支持p i o ( p r o g r a m m e ri o ) ，d i l a ( d i r e c t m e m o r ya c c e s s ) 等方式的传输，速率理论上可提升到5 0 m 左右。电子盘现在 价格较高，还没有像普通硬盘一样伸手可及，但是它逐步趋向普通硬盘，未 来必将替代机械硬盘。 电子盘的发展在最近的几年内，主要以n a n d 型f l a s h 为基础，建造合理 的硬件结构，优化软件上的算法，消除接口的瓶颈，制定新的基于f l a s h 阵 列的接口协议，扩大电子盘的应用面积。 1 4 课题研究内容 本课题为综导显控台的程序升级提供了一种新型和便捷的方式，即通过 自行设计的u s b 便携式设备，使p c 机能够对电子盘迸j 亍操作。研究的内容涉 及u s b 和电子盘等相关领域，具有比较高的科研价值和工程价值。其研究的 主要内容包括： 1 、研究u s b 的基本知识和通信协议，确定开发的类型以及设计目标。 2 、在此基础上，根据设备的具体特点，划分系统的功能模块。全面考虑 各种因素，制定方案设计，选择合适的u s b 接口芯片和微控制器。 3 、设计符合要求的硬件电路，完成p c b 制板并加以调试。 4 、掌握u s b 固件编程的软件，研究基于u s b 总线接口的设备固件编程的 方法，完成系统固件编程并在v i s i o n 2 下进行软件调试。 5 、实现主机与设计系统的通讯。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i ；i i i i ；i i ；i i i i ；i i i i i ；i i j i i ；j i i r - - i i i ；i ；i i 暑i i ；= ；i i 萱 第2 章u s b 系统结构及f a t 文件系统分析 2 1u s b 技术概述 u s b 的规范能针对不同的性能价格比要求提供了不同的选择，以满足各 种系统和部件的不同功能要求，其主要特点可归结为以下几点n w ： 1 、终端用户的易用性 u s b 为连接电缆和连接头提供了单一模型；电气特性与用户无关；自我 检测外设，自动地进行设备驱动的安装、设置；动态连接，动态重置的外设； 不需要电源，u s b 接口包含+ 5 v 的电源线与接地线，可以使用计算机或者集线 器提供的电源，在5 0 0 m a 下，u s b 外围设备可以直接使用信道提供的电源。 2 、广泛的应用性 u s b 适应不同设备，传输速率从几千比特率到几十兆比特率；在同一线 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 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；利用底层协议，提高了总线利用率。 3 、快速性和灵活性 快速性是u s b 技术的突出特点之一。在传输速度方面，u s b 支持三种信 道速度：低速( 1 0 ws p e e d ) 的1 5 m b s ，全速( f u l ls p e e d ) 的1 2 m b s ，以 及高速( h i g hs p e e d ) 的4 8 0 m b s 。这三种速度基本可以满足所有u s b 外围设 备的需求。u s b 接口可以直接传输一系列大小的数据包，允许对设备缓冲器 大小的选择；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； 通过协议对数据流进行缓冲处理。 4 、健壮性和稳定性 不管是硬件的设计或是数据传输的协议，u s b 都很稳定，主要体现在： 数据传输采用差分的驱动接收和防护，以保证信号完整性； 在数据和控制信息上加了循环冗余码校验( c r c ) ； 实时检测用户对设备的热拔插并对系统级资源进行设置； 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 对丢失或损坏的数据包暂停传输，利用协议自我恢复； 对流数据进行控制，以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全。 这种健壮性和稳定性完全可以满足控制系统的要求。 5 、与p c 产业的一致性 u s b 的热插拨特性与p c 机的即插即用的体系结构的一致，并且保持对现 存操作系统接口的良好衔接。 6 、价廉物美 虽然u s b 接口比起以前的接口来得复杂，不过它的组件与电缆都不贵。 与以前的接口比较起来，u s b 接口甚至可能只需更少的花费。 2 2u s b 系统结构 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进 行数据传输。当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及 拆除外设。 一个完整的u s b 系统被定义为三个部分：u s b 的连接；u s b 设备；u s b 主 机。 2 2 1u s b 的拓扑结构 u s b 连接了u s b 设备和u s b 主机，u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。 每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点对点连接。从主机到集线器 或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件，从图2 1 “2 l 中可看出u s b 的拓扑结构。 在u s b 协议中规定，一个系统内同时只能有一个主机处于活动状态。在p c 平台上的u s b 中，p c 就是主机和根h u b ，用户可以将设备和下级h u b 与之连接。 而这些附加的h u b 又可以连接更下一级的h u b 和设备，从而构成了星形结构。 7 哈尔滨工稃大学硕+ 学位论文 2 2 2u s b 系统结构 图2 1u s b 的拓扑结构 t i e r 4 p c 平台上的u s b 系统和设备级的u s b 系统这两部分组和在一起就构成了完 整的u s 8 系统。图2 2 1 i 演示了一个完整的u s b 系统结构以及它们之间的联系。 p c 主机系统 u s b 设各 用户软件和u s b 设m 叫 功能单元 u s b 备驱动程序 h 扩l 功能层 tt 1 i rj 。怒i ：嚣 卜|u s b 逻辑设备 制嚣牡动程序)l n y i u s b tt 设备层 jj u s b 主控制器根 i jk i u s b 总线接口 u s b h u b i 、 r l 接口层 e = ：= 专逻辑数据流 图2 2u s b 系统结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由图中分析可知，u s b 系统德软硬件资源可以分为3 个层次，即功能层、 设备层和接口层。 接口层涉及的是具体的物理层，其主要实现物理信号和数据包的交互， 也就是在主机端的u s b 主控制器和设备端的u s b 总线接口之间传输实际的数据 流。设备层主要提供u s b 基本的协议栈，执行通用的u s b 的各种操作和请求命 令，从逻辑上讲，就是u s b 系统软件与u s b 逻辑设备之间的数据交换。最后， 功能层负责实现每个u s b 设备所需要的特定的功能，如传输照片、打印文档等。 主机端的这个功能是由用户软件和设各类驱动程序提供，而设备端就由功能 单元来实现，它们之间的这种联系看作是逻辑上的数据流。 2 3 传输类型 2 3 1u s b 的基本传输类型 u s b 的数据传送有四种传输方式n 飞控制( c o n t r 0 1 ) 、同步( i s o c h r o a o u s ) 、 中断( i n t e r r u p t ) 和大量( b u l k ) 。通常所有的传输方式下的主动权都在p c 边， 也就是h o s t 边。 控制( c o n t r 0 1 ) 方式传输：控制传输是双向传输，数据量通常较小。u s b 系统软件主要用来进行查询、配置和给u s b 设备发送通用的命令。 同步( i s o c h r o n o u s ) 方式传输：同步传输提供了确定的带宽和间隔时间 ( 1 a t e n c y ) 。它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要 求恒定的数据传送率的即时应用中。 中断( i n t e r r u p t ) 方式传输：中断方式传输主要用于定时查询设备是否有 中断数据要传送。这种传输方式典型的应用在少量的分散的、不可预测数据 的传输。中断方式传输是单向的并且对于h o s t 来说只有输入的方式。 大量( b u l k ) 传输：主要应用在数据大量传送和接受数据上，同时又没有带 宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输。 2 3 2 b u ik - o n f y 传输协议 u s b 组织定义了大容量存储设备的类协议，这个类协议包括四个独立的 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 子类协议，即： i 、u s bm a s ss t o r a g ec l a s sc o n t r o l b u l k i n t e r r u p t ( c b i ) t r a n s p o r t 2 、u s bm a s ss t o r a g ec l a s sb u l k - o n l yt r a n s p o r t 3 、u s bm a s ss t o r a g ec l a s sa t ac o m m a n db l o c k 4 、u s bm a s ss t o r a g ec l a s su f ic o m m a n ds p e c i f i c a t i o n 。 前两个子类协议定义了数据命令状态在u s b 上的传输方法。b u l k o n l y 传输协议仅仅使用b u l k 端点传送数据命令状态，c b i 传输协议则使用 c o n t r o l b u l k i n t e r r u p t 三种类型的端点进行数据命令状态传送。后两个 子规范则定义了存储介质的操作命令。 b u l k - o n l y 事务以主机向设备发送c b w 包并试图建立相应的数据传输开 始的。设备接收到c b w 包，检查并解释它，试图满足主机的要求，并通过c s w 向主机返回状态信息。 ( 1 ) 命令块包( c b w ) c b w ( c o m m a n db l o c kw r a p ) 是主机通过b u l k - o u t 端点向设备发送的命令 块包，在c b w 中使用d i r e c t i o n 位和d c b w d a t a t r a n s f e r l e n g t h 域指明期待的 传输。c b w 必须起始于包边界，并且必须以3 1 字节的短包传输结束，如表2 1 所示。相继的数据包和c s w 包必须开始于一个新的包边界。所有的c b w 包必 须按低字节在前的次序传输。 表2 1c b w 包结构 岔 7 65 4 3 2l0 芋移 0 - 3 d c b w s i g n a t u r e 4 - 7 d c b w t a g 8 1 1 d c b w d a t a t r a n s f e r l e n g t h 1 2 b m c b w f l a g s 1 3r w s e r v e d ( 0 )b c b w l u n 1 4r e s e r v e d ( 0 ) b c b w c b l e n g t h 1 5 3 0 c b w c b d c b w s i g n a t u r e ：c b w 包的“包标识”，一般的值是o x 4 3 4 2 5 3 5 5 h 。( a s c i i i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的“c ，b ，s ，u ”) 。 d c b w t a g ：区分不同命令包的“包标签”，在每一次传输中，设备端返回的 “c s w 包”中，有一个d c s w t a g 字段值与d c b w t a g 值相同。不过，由于每 次传输必须是“命令一数据一状态”的一个完整过程，所以，即使每次 传输过程的“包标签”值相同，也不影响传输的完成。 d c b w d a t a t r a n s f e r l e n g t h ：表示数据传输阶段传输的数据字节数。 b m c b w f i a g s ：表示数据传输阶段数据传输的方向，其标识方法如下： b i t7 = o ：d a t a - o u t 从h o s t 到d e v i c e = 1 ：d a t a - i n 从d e v i c e 到h o s t ， b i t6 = 0 ：总是为零值，与老版本兼容。 b i t s5 0 ：保留位，也是为零值。 b c b w l u n ：表示命令包发送到设备的哪个“逻辑单元( ( l u n ：l o g i c a lu n i t n u m b e r ) ”。如果设备支持多个“逻辑单元”，则b c b w l u n 要设置成相应 的“逻辑单元”值。一般，单个设备只有一个“逻辑单元”，所以，b c b w l u n 的值为零。 b c b w c b l e n g t h ：表示“c b w c b 包”的字节数，合法值是0 - 1 6 。 c b w c b ：表示设备要解释和执行的命令块，它包含了设备要执行的命令方 式和内容。 ( 2 ) 命令状态包( c s w ) 在状态阶段，设备段返回的c s w 包也有其独特的结构，如表2 2 所示。 c s w ( c o m m a n ds t a t ew r a p ) 向主机表明来自于c b w 包的命令块的执行状态。设 备将通过b u l k i n 端点发送一个c s w 包。 表2 2c s w 包结构 应 7 65 43210 乒萨 o 一3 d c s w s i g n a t u r e 4 - 7 d c s w t a g 8 一l ld c s w d a t a r e s i d u e 1 2b c s w s t a t u s 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 d c s w s i g n a t u r e ：c s w 包的“包标识”，一般的值是o x 5 3 4 2 5 3 5 5 h 。( a s c i i 的“s ，b fs ，u ”) d c s w t a g ：区分不同状态包的“包标签”，其值与d c b w t a g 值相同。 d c s w d a t a r e s i d u e ：对于d a t a - o u t 传输，此域值为b c b w c b l e n g t h 与设备 实际处理的数据量之间的差值。对于d a t a - i n 传输，此域值为 b c b w c b l e n g t h 与设备实际发送的数据量之间的差值。 b c s w s t a t u s ：表明命令成功或失败信息。如果命令成功执行，则设备将设 置此域的值为0 ，非0 值则表明失败或错误。 2 3 3u f i 命令协议 u f i ( u s bf l o p p yi n t e r f a c e ) 是针对u s b 移动存储而制定的命令块协议， 它总共定义了1 9 个1 2 字节长度的操作命令，它规定了主机和设备进行信息交 换所使用的命令块、数据和状态信息。b u l k o n l y 传输协议就定义了传输这些 信息的方法。其中u f i 命令块就是封装在c b w 包中的c b w c b ，设备通过读取c b w c b 确定具体要执行何种操作命令，如何完成这个命令。设备将命令执行状态封 装成c s w 返回给主机。 l 、命令块描述( c o m m a n db l o c kd e s c r i p t i o n ) u f i 用于大多数命令的1 2 字节命令块描述，如表2 3 所示。其中各参数 意义如下： 操作命令代码：指明所要执行的操作命令。 逻辑单元号：指明命令将发送到哪个逻辑单元，如果设备只有一个逻辑单 元，则此域的值为0 。 逻辑块地址：操作的起始地址。 传输长度：指明请求传输的数据量，通常以“扇区”作单位。但是有几个 命令是以“字节”作单位，对于这些命令，传输长度域可以以不同的名 字标识。若此域的值为o ，则表明没有数据需要传输。 参数列表长度：用于指定发送到设备的字节数，这个域典型地应用于发送 到设备的参数命令块( 如：模式参数，诊断参数等) 。若此域的值为0 则表 明没有数据需要传输。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分配长度：指明主机已经分配的用于返回数据的最大的字节长度。若此值 为0 ，则表明没有数据需要传输。 表2 3 命令块描述 岔 7 654 32lo 笋叭 o操作命令代码 1逻辑单元号预留 2( m s b ) 3逻辑块地址( 如果需要) 4 5 ( l s b ) 6预留 7 ( m s b ) 8传输长度或参数列表长度或分配的长度( 如果需要) ( l s b ) 预留 1 0预留 1 1预留一 2 、命令处理流 u f i 规范规定：设备按接收次序顺序处理所接收到的每一个命令。当设备 正在处理一个命令块时，设备可以接收或者延迟接收下一个u f i 命令块，但 是直到前一个命令块被处理完毕，才能处理下一个命令块。但s e n d d i a g n o s t i c s 命令例外。 当命令执行失败后，设备将保持命令块的失败状态。在这种状态下，设 备将抛弃除i n q u i r y ，r e q u e s ts e n s e ，和s e n dd i a g n o s t i c 之外的命令块。 设备将继续这种状态直到主机发出r e q u e s ts e n s e 或s e n dd i a g n o s t i c 命令。 2 4u s b 设备架构分析 u s b 设备可被划分三层： 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 底层是传送和接收数据包的总线接口。 中间层处理总线接口与不同端点之间的数据路由端节点是数据的终 绪提供处或使用处，它可被看作数据源或数据接收端( s i n k ) 。 最上层的功能由串行总线设备提供，比如鼠标，或i s d n 接口。 下面描述的是u s b 设备中问层的通用属性与操作。这些属性与操作由设 备的特定功能的部分用于通过总线接口最终与主机( h o s t ) 的通信。 2 4 1u s b 设备状态 u s b 设备有若干可能的状态，其中一些对于u s b 与主机( h o s t ) 来说是外 置的，而另外一些对u s b 设备来说是内置的，这节描述的就是这些外置状态。 l 、外置的设备状态 u s b 设备所实现的功能，它可包含若干种状态，包括连接、加电、缺省、 编址、配置和挂起等m ，表2 4 汇集这些外设状态之间的转换关系。 表2 4 外置可见的设备状态 连 加缺编配挂说明 接电省址置起 否设备尚未连接至接口，其它特性无关 是 否 设备已经连接至接口，但未加电，其它特性无关 是是否设备已连接至接口，并且加电，但尚未被复位 是 是 是 否 设备已连接至接口，已加电，并被复位但尚未分配一个惟 一的地址。这时其将使用缺省地址 是是是是否 设备已连接至接口，已加电，并被复位和分配一个惟一的 地址，但尚未被配置 是是是是是否 设备已连接至接口且已加电，复位、分配一个惟一的地 址和配置，且未被挂起。设备功能可被使用 是是是 设备已连接至接口，且已加电，当它在3 m s 内没有检测到 总线活动时，将进入挂起状态；当设各处于缺省、地址和 配置状态时。也能进入挂起状态；当设各处于挂起状态对， 主机不能使用该设备所提供的功能 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 ( 1 ) 连接状态 u s b 设备已经连接在主机或集线器的下行端口上，但u s b 总线的，还没 有提供，这时其处于连接状态。集线器会通过中断传输将端口的变化通知给 运行于主机段的集线器驱动程序，设备进入加电状态：否则，设备将停留在 接入状态。 ( 2 ) 加电状态 当u s b 设备连接至某集线器的下行端口，且已得到u s b 总线电源v 一但 它还没有被复位时，其将处于加电状态，这时它还不能对任何u s b 事务处理 作出响应。 u s b 设备的电源可来自外部电源，也可从u s b 总线上而来。电源来自外 部电源的u s b 设备被称作自供电源式的( s e l f - p o w e r e d ) 设备，如打印机和 扫描仪；而完全依赖u s b 总线为其供电的u s b 设备被称为总线供电设备，如 u s b 鼠标和键盘。有些u s b 设备即可以使用总线供电又可以使用自供电，它 们可以在任何时候改变其供电形式，如u s b 硬盘。尽管自供电源式的u s b 设 备可能在连接上u s b 接i ：i 以前可能已经带电，但它们直到连线上u s b 接口后 才被看作是加电状态( p o w e r e ds t a t e ) 。而这时v 。；已经对设备产生作用了。 设备对电源支持的能力是通过配置描述表( c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t o r ) 来反映的，配置描述表的b m a x p o w e r 字段中报告其所需v b 。的大小。当前的 电源供给形式被作为设备状态