（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的嵌入式usb主机系统的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 基于a r m 的嵌入式u s b 主机系统的研究 摘要 近年来，嵌入式i n t e r n e t 远程测控系统己成为计算机控制领域一个重要组成 部分，它将计算机网络、通信与自动控制技术相结合并成为新兴的研究热点。通过 嵌入式i n t e r n e t 控制系统，用户只要在有网络接入的地方，就可以对与网络连接 的任何现场设备进行远程测控。嵌入式系统可以根据应用进行软硬件的定制，特别 适用于对成本、体积、功耗有严格要求的各种远程测控设备。该项技术的研究具有 广阔的应用前景。 嵌入式w e b 远程监控不同于以往的c s 和b s 网络监控技术，它通常采用嵌入 式系统作为w e b 服务器，使得系统的成本大大降低，且设备体积小巧，便于安装、 易于维护，安全可靠，此技术自问世以来得到了业界的广泛关注，各式各样的解决 方案和实现方式层出不穷。 本文提出了一种基于a r m 的嵌入式网络控制系统。该系统以嵌入式b o a 服务器 作为远程信号的传输平台。首先对网络的系统结构和工作原理作了详细介绍，然后 对嵌入式网络控制系统的实现作了深入的探讨和研究。 整个嵌入式网络控制系统主要划分为三个部分：嵌入式网络控制系统硬件设 计；嵌入式网络控制器的软件设计；嵌入式网络控制系统w e b 服务器实现。系统选 用主流的a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 作为系统主控制器，并根据需要给出了具体的硬件 电路设计，包括：存储器接口电路、网络接口电路、串行通信接口电路以及信号调 理电路设计。鉴于1 tc l i n u x 对a r m 技术的有力支持，且l ac l i n u x 具有内核可裁减、 网络功能强大、低成本、代码开放等特点，通过对l ac l i n u x 的裁减、配置和编译， 成功地将uc 1 i n u x 移植到l p c 2 2 1 0 中。然后完成设备驱动开发、嵌入式网络控制 系统b o a 服务器的构建及系统应用开发。 该嵌入式网络控制系统融合监控网与信息网，实现了远程分布式测控和通讯。 系统稳定性高、实时性好、性价比高，具有广泛的应用价值，适用于工业、交通、 电力、能源等众多控制领域。 关键词a r m ；u s b 主机；l p c 2 2 1 0 ；i s p l1 6 1 a i ；pc o s i i 哈尔滨理工大学t 学硕一t 学位论文 i i r e s e a r c ho ne m b e d d e du s bh o s ts y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp cp e r i p h e r a l sa n dd i g i t a lp r o d u c t s , t h ei n t e r f a c ea n d c o n n e c t i o nb e t w e e na n yt w oo ft h e mh a v eb e c o m ead i f f i c u l tp r o b l e m u s bh a sb e e n e x t e n s i v e l ya d o p t e da sab u si n t e r f a c et e c h n o l o g yi np c st o d a y p e o p l eh o p e t ou s eu s b d e v i c e si ns o m ee m b e d d e ds y s t e m s ，b u tt h ek e r n e lo fu s bt o p o l o g yi sp ca n du s b d e v i c e sc a n n o tu s ew i t h o u tp c a l lt h ed e v i c e sc a l lo n l yb eu s e do np ca n da l lt h ef i l e s a n dd a t ac a no n l yb et r a n s f e r r e db yp c t h i si sv e r yr e g r e t t a b l e f o re x a m p l e ，i na n i n d u s t r i a la i c a to ft b ed a t ac o l l e c t i o n , a st h ep o r t a b l es t o r a g ed e v i c ee m b e d d e di ng e n e r a li s v e r yl i m i t e d , a l w a y sn e e dt ou s eu s b f l a s hd i s ka sau s bd a t as t o r a g ec a r i i e r i nt h i sp a p e rt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo nb o t hh o s t a n dd e v i c es i d e sa l ed e m o n s t r a t e db a s e du s bp r o t o c o li nd e t a i l s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n r e q u e s t , t h eu s b l 1s p e c i f i c a t i o ni sa n a l y z e di nt h i st h e s i s ，i nw h i c h , p u tt h ee m p h a s i so n t h eu s bs y s t e ma 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 b s t a n d a r dd 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 s s 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 n h o s ta n dd e v i c ei s e s t a b l i s h e d t h ee m b e d d e du s bh o s ts y s t e mc h o o s ep h i l i p sl p c 2 2 1 0c h i pa st h ec p u ，i s p l l 6 1 a 1 a st h eh o s tc o n t r o lc h i p t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e mm a i n l yd e s c r i b e st h ec h i p c h o s e na n dc i r c u i td e s i g n i nt h es o f t w a r ep a r t , e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m z c o s - w a s t r a n s p l a n t e d ；t h eu s bh o s tc o n t r o ld r i v e ，u s bd r i v ea n dt h e 嘲s o f t w a r ea r ec o m p l e t e d s ot h ee n u m e r a t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ed e v i c ec a nb ed o n e t h ew r i t t e na n dr e a d o ft h eu s bf l a s hd i s ki sr e a l i z e db ys e n d i n gu f i ( u s bf l o p p yi n t e r f a c e ) c o m m a n do v e r t h ei n t e r f a c ew i t hf i l es y s t e mb a s e do nm a s ss t o r a g ep r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h em e t h o dm e n t i o n e di nt h ep a p e r , t h eu s bh o s ts y s t e mw a s c o n s t r u c t e d 一n 一 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 k e y w o r d se m b e d d e da r m ，u s bh o s t , l p c 2 2 1 0 ，i s p l l 6 1 a 1 ，g c o s - l i m - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a r m 的嵌入式u s b 主机 系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：日期：年 月 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于a r m 的嵌入式u s b 主机系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：醺、把 日期：o c i 年牛月l i 日 导师签名：啦日期： 。q 年c 月l o 日 哈尔滨理t 大学t 学硕t 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，即u s b ) 是一种目前广泛应用的计 算机外围串行通信标准。1 9 9 4 年c a m p a q 、d i g i t a l e 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 n t 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，提出了一 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 f ) 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【1 l 。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 5 m b i s 低速和 1 2 m b i s 全速数据传输的u s b l x 的基础上，于2 0 0 0 年发布了支持4 8 0 m b i s 高速数据传输的u s b 2 0 规范，为将u s b 推广到大容量移动存储、宽带网 络产品、数码相机和摄像机等高速外部设备提供了解决方案。 但是，无论是采用u s b i 1 还是采用支持高速数据传输的u s b 2 0 所设 计的u s b 系统，都需要以计算机为主机控制数据的传输，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 主机绝大多数都是基于p c 机的i2 。 所以，如何将u s b 应用在非p c 应用领域，使u s b 设备脱离p c 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，才能使如今高速发展的移动数 据业务真正“移动 起来。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 1 2 国内外及相关领域的发展和成果 目前在嵌入式的u s b 主机方面所做的研究和设计都是采用 m c u ( m p u ) u s b 主控接口芯片的模式，而且已经有产品问世。作为u s b 的延伸，u s b 主控接口芯片只有少数的公司提供，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 。s l 8 l l h s 是c y p r e s s 公 司2 0 0 2 年的新产品，支持u s b l 1 协议；i s p l l 6 1 是p h i l i p s 公司推出的世 界上第一块集主从控制器于一体的1 6 位芯片，一般用于d s p 及一些嵌入 式系统中，它的应用方向是一些手持数码设备。基于这两个主控芯片，国内 外的嵌入式产品厂家展开了广泛的研究，希望能够在嵌入式产品的世界中有 u s b 产品的参与。 将嵌入式u s b 主机应用于消费品，如数码相机直接连接打印机在国外 已经有所发展。但是一般只能支持某种特定型号的打印机。大多数厂家和 u s b 论坛所能提供的产品或例程多数是基于嵌入式操作系统w i n c e 和 l i n u x 等，给出的u s b 器件也不尽完善。 在国内，嵌入式u s b 主机系统的研究仍然处于起步阶段，仅有很少量 u s b 嵌入式主机的产品问世，如一家北京的公司提供嵌入式u s b 主机系统 的解决方案。另外清华大学在u s b 的研究和开发方面起步较早，有不少关 于嵌入式u s b 主机系统的论文发表，并给出了部分u s b 类如m s c ，h m 的 嵌入式固件实现，并在c a n 总线上的采集系统中得到应用。但是其协议栈 在特定器件的硬件软件基础上实现，没有基于符合工业u s b 接口标准的主 机系统的实现讨论。 u s bo t g ( o n t h e g o ) ，是将u s b 应用在便携式移动设备领域中。符合 u s bo t g 的设备完全抛开了p c ，既可以作为h o s t ，也可以作为外设，而 与另一个o t g 设备直接实现点对点通信。因此，o t g 设备也被称为是双角 色设备，并能够根据接入设备的特性和数据传输过程中的情况，自动切换为 主机或外设i 孓引。 u s b o t g 是近年发展起来的技术，主要应用于各种不同的设备或移动 设备间的连接和数据交换。 在采用u s b o t g 技术的产品中，增加了一些新的特性：新的标准，适 用于设计小巧的连接器和电缆；在传统的周边设备上，增加了h o s t 能力， 适应点到点的连接；这种能力可以在两个设备间动态地切换；低功耗，保证 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 u s b 可以在电池供电情况下工作。 u s b o t g 实际上是通用接口u s b f i 组织对于传统u s b 的一个追加协 议，最新版本的u s b o t g 直接建立在u s b 2 0 基础之上，通过修改u s b 接 口的针脚定义和接口外形，将u s b o t g 根据厂商的需要可以定义为卞控、 从属和双重角色的不同身份。 从目前的应用趋势来看，硬件制造商们为了将u s b o t g 接口做得更加 普及，实际上会把很多的外设身份设定为双重角色，也就是既能当主控，也 能当从属，从而避免出现两个从属或者两个主控设备的情况。 从目前u s b 的普及程度来看，u s b o t g 迟早会成为不同外部非p c 设 备间简便快速的连接手段。但是e i e e l 3 9 4 有以索尼为首的众多家电厂商的 支持，是不会轻易退出的。作为u s b 2 0 的补充，u s b o t g 拥有了u s b 2 0 的快速带宽优势，而e i e e l 3 9 4 实际上只是在a v 等家电应用领域有很强的 应用，尤其是在d v 等数码影像设备上。当然，e i e e l 3 9 4 也在不断发展， 用于无线传输的i e e e l 3 9 4 1 和3 2 g b p s 的i e e e l 3 9 4 b 标准都在酝酿中。 u s b o t g 的另一个对手就是8 0 2 1 l b w l a n 技术，当然，蓝牙和红外 传输也能够实现这些功能，但是过低的带宽速度是无法与u s b 2 0 出身的 u s b o t g 相比的。而8 0 2 1 i b 又会因为需要在每一个设备上设置网络节点 收发设备，无疑会加大成本。 由此看来，只要能迅速得到广大数码外设制造厂一商的标准支持， u s b o t g 将成为很有潜力的一项通用标准。 作为一家专注于嵌入式u s b 和u s b o t g 解决方案的公司，t d i 为嵌 入式应用专门设计了u s b l 1c o m p l i a n th o s t 控制器，并且t d i 首个实现基 于u s bu s b o t gs i l i c o n 的产品。最近t d i 宣布完成了第二代o n t h e g o 控制芯片并且通过了u s bi m p l c m c n t e r sf o r u m 协会的技术认证1 6 j 。与第一代 产品相比，第二代u s b o t g 控制器更加节省芯片资源，功耗进一步降低， 从而将移动u s b 芯片领域的业界标准提升到了新的水平。该技术将为包括 机顶盒、移动电子设备、手机、m p 3 播放器、数码相机、打印机等在内的 消费电子产品和移动产品之间的互连提供更大的便利。据悉， t r a n s d i m c n s i o n 的u s b o t gi p 核已经赢得了包括高通、摩托罗拉、 n c o m a g i c 和n e c 等著名企业的订单。 随着u s b o t g 接口的普及，u s b o t g 技术将在更多领域迅猛发展。 1 在移动电话芯片中开始得到广泛应用。高通和摩托罗拉两公司2 0 0 4 年的s o c 产量超过1 7 亿之多； 哈尔滨理工大学- t 学硕十学位论文 2 u s b o t g 将在p d a 中得到应用； 3 u s b o t g 技术将在以其为特色的a t i 芯片中得到更广泛的应用； 4 数码相机、打印机、m p 3 播放器和其他内置存储器设备所设计的 u s bp l u g f e s t 将进一步促进其推广和应用。 在如此多领域的广泛应用前景使得分析家们纷纷加大关注度，对u s b o t g 技术前景一致看好i 卜引。 u s b 电缆不仅束缚了外设的自由移动，而且越来越多样化的u s b 连接 器也使设备的电缆形式各不相同、难以统一。为此，i n t e l 、m i c r o s o f t 、h p 等公司成众了w i r e l e s su s bp r o m o t e rg r o u p ，负责w i r e l e s su s b 协议的制定 与推广。 w i e r l e s su s b 是一种无线接口标准，目的是以无线取代目前的u s b 连 线。无线技术方面将使用超宽带近距离高速通信技术u w b ( u l t a r w i d e b a n d ) ，目标传输速率与u s b 2 0 协议相当，最大为4 8 0 m b p s 。由于 u w b 技术使用极高的频率( 通常在1 g h z 以上) m r 为持续时间极短的脉 冲，因而具有超高带宽、耗电量低、抗干扰能力强等优点，能胜任电磁环境 恶劣的使用环境。目前，u w b 技术有两种候选方案相互竞争，从而使标准 化工作一直未能取得进展。两种方案中，一种使用i n t e l 等公司主导的 o f d m 方式，另一种使用m o t o r o l a 等公司主推的直接序列扩频c d m a 方 式。现在已有c y p r e s s 公司采用d s c d m a 方式的无线u s b 芯片问世，使 用2 4 - 2 4 8 3 g i - i z 的频段和g f s k 的调制方式，支持5 0 米或更长的通信距 离，但日前峰值传输速率仅为6 2 5 k b p s ，离u s b 2 0 协议规定的4 8 0 m b p s 的 传输速率还有相当大的距离。在2 0 0 4 年2 月1 8 日的i d fs p r i n g2 0 0 4 大会 上多家公司都展示了基于无线u s b 技术的应用系统，比如打开并播放位于 几米米外的硬盘中保存的视频影像文件，通过无线方式在打印机上打印文件 等。硬盘与打印机等设备与w i r e l e s su s b 模块相连后，位于远处的p c 可以 将它们识别成u s b 设备，无论什么应用都可以像直接接入p c 的u s b 设备 一样进行操作，大大方便了室内各种设备之间的连接。 无线u s b 技术才刚刚兴起，广阔的应用前景使这种技术非常值得期 待。 1 3 本文主要研究内容 本次课题主要是针对嵌入式系统及u s b 做的相关的研究与设计，主要 哈尔滨理工大学丁学硕 学位论文 的工作如下： 1 用p h i l i p s 的l p c 2 2 1 0 芯片作为中央处理芯片，l s p l l 6 l a l 作为 u s b 主机控制芯片，给出了u s b 主机硬件电路图。完成u s b 主机控制器 的软硬件的设计工作。在本文中主要针对u s b 移动类存储设备( u 盘) ，实 现与p c 机类似的u s b 主控功能，包括建立文件和目录，写入文件、删除 文件等功能。 2 对比c o s i i 进行移植针对硬件开发平台，对【l c o s i i 的系统启动代 码、中断系统、任务切换宏、时钟节拍中断服务子程序、h o o k 函数等进 行编写和修改，将其移植到以p h i l i p sl p c 2 2 1 0 a r m 处理器为核心的硬件平 厶i - - 口上o 3 分析u s b 协议以及u s b 海量存储类协议、文件系统，确定在嵌入 式系统中实现u s b 主机所需要的软硬件条件。 第2 章系统硬件及软件关键技术研究 本章以l p c 2 2 1 0 微控制器与i s p l l 6 1 a 1 构成u s b 设备，以此为u s b 软 件编程提供硬件依据。并分节对系统构成器件l p c 2 2 1 0 ，i s p l l 6 1 a 1 和实时操 作系统a c o s i i 进行了简要的介绍。 2 1 系统结构图 系统结构如图2 - 1 所示，由此涉及到硬件与软件包括l p c 2 2 1 0 ， i s p l l 6 1 a 1 和实时操作系统p c o s - i i ，下面将对这三者进行简略介绍。 2 2 l p c 2 2 1 0 简介 l p c 2 2 1 0 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s p u 的微控制器，对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式， 将代码规模降低超过3 0 而性能的损失却很小【协1 2 1 。 由于l p c 2 2 1 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位 a d c 、p w m 输出以及多达9 个外部中断，使它们特别适用于工业控制医疗系统 访问控制和p o s 机。 通过配置总线l p c 2 2 1 0 最多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通 信接口，它们也非常适合于通信网关协议转换器、嵌入式软m o d e m 以及其它各 种类型的应用。 特性： 1 1 6 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器： 2 1 6 k 字节片内静态r a m ； 3 串行b o o t 装载程序通过u a r t 0 来实现在系统下载和编程； 4 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组每组的容量高达1 6 m b 数据 宽度为8 1 6 3 2 位； 5 e m b e d d e di c e r t 接口使能断点和观察点当前台任务使用片内 r e a l m o n i t o r 软件调试时中断服务程序可继续执行； 6 嵌入式跟踪宏单元e t m 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪： 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 1 系统结构图 f i g u r c 2 0 ls y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 7 哈尔滨理工大学丁学硕上学位论文 7 8 路1 0 位a d 转换器转换时间低至2 4 4 m s 8 2 个3 2 位定时器带4 路捕获和4 路比较通道p w m 单元6 路输出实时时 钟和看门狗； 9 多个串行接口包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 高速1 2 c 接口4 0 0 k b i t s 和2 个s p i 接口： 1 0 向量中断控制器可配置优先级和向量地址； 1 1 多达7 6 个通用i o 口可承受5 v 电压1 2 个独立外部中断引脚e i n 和 q 廿功能； 1 2 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率； 1 3 片内晶振频率范围1 3 0 m h z ； 1 4 2 个低功耗模式空闲和掉电； 1 5 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 1 6 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗； 1 7 双电源； 1 8 c p u 操作电压范围1 6 5 1 9 5 v ( 1 8 v 8 3 ) ； 1 9 i o 操作电压范围3 0 刁6 v ( 3 3 v 1 0 ) ； 应用： 1 工业控制； 2 医疗设备； 3 访问控制； 4 p o s 机； 5 通信网关； 6 嵌入式软m o d e r m 。 2 3i s p l l 6 1 a 1 简介 i s p l l 6 1 a 1 是一个单片通用串行总线( u s b ) 主机控制器( h c ) 和设备控制器 ( d c ) 。i s p l l 6 1 a 1 的主机控制器部分符合通用串行总线2 o 规范，支持全速 ( 1 2 m b i t s ) 和低速( 1 5 m b i t s ) 的数据传输。i s p l l 6 1 a 1 的设备控制器部分也符合 通用串行总线2 0 规范，支持全速( 1 2 m b i 怕) 的数据传输1 1 3 j 。这两个u s b 控制 器h c 和d c ，共用一个微处理器总线接口。它们有相同的数据总线，但i 0 地 址不同。它们也有各自的中断请求输出管脚和独立的d m a 通道，d 蛐道含 有各自的d m a 请求输出管脚和d m a 应答输入管脚。这就使微处理器在应用中 8 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 可以同时对u s bh c 和u s bd c 进行控制。i s p l l 6 1 a 1 为u s bh c 提供两个下行 端口，为u s bd c 提供一个上行端口。每一个下行端口都有一个过流( o c ) 检测 输入管脚和电源转换控制输出管脚。上行端口也有一个v b u s 检测输入管脚。 另外，i s p l l 6 1 a 1 还分别为u s bh c 和u s bd c 提供单独的唤醒输入管脚和挂起 状态输出管脚，这就使电源管理起来很灵活。h c 的下行端口可与任意一个符 合u s b 规范并含有u s b 上行端口的u s b 器件和u s b 集线器相连。类似地，d c 的 上行端口可与任意一个符合u s b 规范并含有u s b 下行端口的u s b 主机和u s b 集 线器相连。h c 根据发布的u s b l 0 开放式主机控制器接口规范得到，参考本文 档其它部分中的o h c i 。d c 符合大多数u s b 器件的分类规格，比如：成像类、 海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。 i s p l l 6 1 a 1 十分适用于仅需要一个u s b 主机、一个u s b 器件或一个可配置 u s b 主机和u s b 器件的结合的嵌入式系统和便携式设备。i s p l l 6 1 a 1 在系统中 的使用非常灵活，应用时甚至可将其内置到系统中。例如，内置有i s p l l 6 1 a 1 的系统不但可以与含有u s b 下行端口的p c 机或u s b 集线器相连，而且还可以与 含有u s b 上行端口的设备相连：如u s b 打印机、u s b 相机、u s b 键盘或u s b 鼠 标等。因此，i s p l l 6 1 a 1 使能嵌入式系统之间的对等连接。其中最引人注意的 例子是将一个i s p l l 6 1 a 1 的h c 和一个i s p l l 6 1 a 1 的d c 相连接【1 4 1 。 考虑一个在数码相机( o s c ) 设计中运用了i s p l l 6 1 a 1 的例子。 图2 2 所示i s p l1 6 1 a 1 用作一个u s bd c 。 图2 3 所示i s p l l 6 1 a 1 用作一个u s bh c 。 图2 4 所示i s p l l 6 1 a 1 同时用作u s bh c 和u s bd c 。 窿入式系统 图2 - 2i s p l l 6 1 a 1 用作一个u s b 设备 f i g u r e 2 - 2 i s p l1 6 1 a 1u s e da sau s bd c 9 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 图2 3i s p l l 6 1 a 1 用作一个u s b 主机 f i g u r e2 - 3 i s p l l 6 1 a 1u s e da sau s bh c p c 主机甲早 打印机 i 疆1 1 6 1 a l 主机股备 电缆电缀 卜塬h 叫啪汗仁汗仁 、，l u s b i f u s bi fl 、 l j f j f l 图2 4i s p l l 6 1 a 1 同时用作u s b 主机和u s b 设备 f i g u r e 2 - 4i s p l1 6 1 a 1u s e da su s b d ca n du s bh c 特性： 1 符合通用串行总线2 0 规范 2 i s p l l 6 1 a 1 的主机控制器部分支持全速( 1 2 m b i t s ) 和低速( 1 5 m b i t s ) 的数 据传输 3 i s p l l 6 1 a 1 的设备控制器部分支持全速( 1 2 m b i t s ) 的数据传输 4 单片内综合了h c 和d c 功能 5 片内d c 符合大多数u s b 器件的分类规格 6 外部微处理器可通过它们各自的i o 口地址对h c 和d c 进行访问 7 可选的一个或两个h c 下行端口和一个d c 上行端口 1 0 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 8 高速并行接口支持大多数通用微处理器及精简指令系统( r i s c ) 处理器 如： h i t a c h i s u p e r h t ms h - 3 和s h - 4 m 口s b a s e d t mr i s c a r m 7 t m ，a r m 9 t m ，s t r o n g a r m 9 微处理器和h c 之间的数据传输率最高可达1 5 m b y t e s ，微处理器和 d c 之间的数据传输率为1 1 1 m b y t e s 1 0 支持单周期和d m a 突发模式操作 1 1 d c 含有多达1 4 个可编程的u s b 端点，2 个固定的控制i n o u t 端点 1 2 h c 和d c 内置有单独的f i f o 缓冲区r a m ，其中h c 含4 k 字节，d c 含2 4 6 2 个字节 1 3 双缓冲配置的端点增加了数据吞吐量，轻松实现了d c 传输和h c 同 步( i s o ) 处理的实时数据传输 1 4 集成了p l l 的6 m h z 晶体振荡器，有着良好的e m i 特性 1 5 在“挂起 状态可控制l a z y c l o e k ( 1 0 0 k h z + _ 5 0 ) 的输出 1 6 可编程频率( 3 到4 8 m h z ) 的时钟输出 1 7 由软件控制实现d c 上行端口与u s b 总线的连接( s o f t c o n n e a ) 1 8 良好的u s b 连接指示器，d c 通信时闪烁( g o o d l i n k ) 1 9 为h c 下行端口内置了可进行软件选择的内部1 5 k 欧下拉电阻 2 0 含有专门的挂起检测输出管脚和唤醒控制输入管脚，应用更方便 2 1 全局硬件复位输入管脚以及h c 和d c 单独的内部软件复位电路 2 2 5 v 或3 3 v 的工作电源 2 3 一4 0 到+ 8 5 的工作温度 2 4 两种l q f p 6 4 封装( s o t 3 1 4 - 2 和s o t 4 1 4 1 ) 应用： 1 个人数字助理( p d a ) 2 数码相机 3 第三代( 3 g ) 移动电话 4 机顶盒( s t b ) 5 信息家电( 凶 6 图片打印机 7 m p 3 播放器 8 游戏控制台 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 4 实时操作系统# c o s - i i c o s i i 是美国学者l a b r o s s e 设计的一个优秀的嵌入式实时操作系统，其 代码绝大部分用a n s ic 语言编写，可用于8 位、1 6 位、3 2 位、甚至6 4 位微 处理器、微控制器、数字信号处理器等，它非常适于在小型系统和片上系统 ( s o c ) 中使用 1 5 - 1 6 】。 1 c o s i i 实现了操作系统应具备的最基本、最核心的功 能，包括：任务管理、信号量管理、邮箱管理、消息队列管理、事件管理、时 间管理、内存管理等。一个基于c o s i i 的嵌入式系统的体系结构如图2 5 所 示。 l应用软件( 用户代码)i 斗c o s i i 核心代码 ( - 5 处理器无关) 0 sc o r e co sf l a g c 0 sm b o x c0 sn 正：m c o sm u t e x co sq c 0 ss e m co s1 a s k c o st i m e c 心o s - i i c “c o s i i h 弘c o s n 移植( 与处理器相关的代码) o s c p u ho s c p u a a s m 0 s c p u c c 图2 - 5 基于m c o s - l l 的嵌入式系统体系结构 f i g u r e2 - 5e m b e d d e ds y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do n # c o s 一 从图1 可以看出，一个基于比c o s - i i 的嵌入式应用系统由四大部分组 成：( 1 ) 应用程序代码：( 2 ) # c o s - i i 配置代码；o ) a c o s i i 核心代码；( 4 ) 移植 代码。 下面我们重点介绍一下比c o s - i i 的内核。 2 4 1 任务管理及调度 1 m c o s - i i 任务 1 2 哈尔滨理工大学丁学硕十学位论文 肛c o s i i 的任务通常是一个无限的循环，任务函数的返回类型必须定义成 v o i d 。当任务开始执行时，会有一个参数传递给用户代码，注意这个参数是一 个指向v o i d 的指针，以允许用户应用程序向该任务传递任何类型的参数。 1 c o s i i 可以管理多达6 4 个任务，但是其中己经有2 个任务己经被系统 占用了。必须为每个任务定义不同的优先级，优先级可以为0 o sl o w e s t y p r i g 2 。优先级号越低，任务的优先级越高。c o s i i 总是运 行进入就绪态的优先级最高的任判圳。 2 任务状态 比c o s i i 控制下的任务状态转换图如图2 - 6 所示，在任一给定的时刻，任 务的状态一定是其中5 种状态之一。 任务删除 图2 - 6 任务状态转移图 f i g u r e2 - 6 m i s s i o ns t a t u s t r a n s i t i o nd i a g r a m 3 任务控制块 一旦任务建立，一个任务控制块o st c b 就被赋值。任务控制块是一个数 据结构，当任务的c p u 使用权被剥夺时，g c o s i i 用它来保存该任务的状 态。当任务重新得到c p u 使用权时，任务控制块能确保任务从当时被中断的 那点继续执行。 在# c o s i i 初始化时，如图2 7 所示，所有任务控制块o st c b 被链接 成单向空任务链表，任务一旦建立，空任务控制块指针o s t c b f l r e e l i s t 指向的 任务控制块便赋给了该任务，然后0 s t c b f r e e u s t 的值调整为指向链表中下一 个空闲的任务控制块。一旦任务被删除，任务控制块就还给空任务链表。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 7 空任务控制块列表 f i g u r e2 - 7s p a c em i s s i o nc o n t r o lb l o c kl i s t 4 任务就绪表 每个任务被赋予不同的优先级等级，从o 级到最低优先级 o sl o w e s tp r i o ，当# c o s u 初始化时，最低优先级o sl o w e s t p r i o 总是被赋给空闲任务l d l e t a s k 。 每个就绪任务都放在就绪表( r e a d yl i s t ) q b ，就绪表有2 个变量，o s r d y g r p 和o s r d y t b l 】。在o s r d y g r p 中，任务按优先级分组，8 个任务为一组。 o s r d y g r p 中的每一位表示8 组任务中每一组是否有进入就绪态的任务。任务 进入就绪态时，就绪表o s r d y t b l q b 的相应元素的相应位也置为1 【1 9 。 就绪表o s r d y t b l 数组的大小取决于o sl o w e s tp r i o 。当应用程序中 任务数目比较少时，这种安排可以减少o sl o w e s tp r i g 的值，可以降低 【i c o s 1 i 对r a m 的需求量。 为确定下一次该哪个优先级的任务运行，卫c o s i i 的调度器总是将最低优 先级的任务在就绪表中相应字节的相应位置1 。o s r d y g r p 和o s r d y t b l 之间 的关系是当o s r d y t b l q b 的任何一位是1 时，就将o s r d y g r p 的第x 位也设 置为1 。 5 任务调度 比c o s i i 总是通过o s s c h e d 0 函数和o s i n t e x i t o i 函数进行任务调度，前者 用于正常的任务状态变化时发生的调度，而后者用于中断返回时的重新调度 ( 因为c o s i i 是抢占式系统，中断返回时要重新判断优先级最高的就绪任 务) ，其中还调用了一些实际切换处理器环境的函数，那些函数需要根据不同 的处理器结构而作不同的移植。 6 任务级切换 调度器确定更重要的任务该运行了，于是调用o s j a s ks w o 做任务切 换。任务的c o n t e x t ，就是c p u 中的全部寄存器的内容。c o n t e x t s w i t c h 就是任 务切换，任务切换代码需恢复该任务在c p u 使用权被剥夺时保存下来的全部 1 4 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 寄存器的值，以便让这个任务能继续运行。 7 任务管理 每个任务都有自己的堆栈空间。可以用c 编译器提供的m a l l o c o i 函数来动 态地分配堆栈空间。在动态分配中，用户要时刻注意内存碎片问题。 l c o s i i 提供了9 个对任务进行操作的函数：建立任务o s t a s k c r e a t 0 或 o s t a s k c r e a t e x t 0