（系统工程专业论文）基于USB20接口技术的数据采集系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 为解决计算枫外设种类的日益增加与有限的主板插槽和端口之间 的矛盾，i b m 、i n t e l 、c o m p a q 、d e c 、m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h t l e c o m 等 厂商于1 9 9 4 年底制定了一种新的p c 外设接口标准1 i s b ( u n i v e r s i a l s e r i a lb u s 即通用串行总线) 。u s b 具有传输速度快，支持热插拔和即插 即用，易于扩展，占用的系统资源少等优点。u s b i 1 支持两种传输速 率：1 5 m b p s 和1 2 m b p s ，而u s b 2 ：0 将速度提高了4 0 倍( 即4 8 0 m b p s ) ，能 够满足高速外设的需要。 本课题重点研究了u s b 总线的体系结构和特点，包括总线特征、信 号环境、传输类型、数据流模型等；并针对传统的p c i 、i s a 、e p p e c p 等接口的数据采集卡的不足，我们提出了一种基于u s b 2 0 接口技术和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理器) 技术的数据采集卡的实 现方案。设计并制作了基于u s b 接口的数据采集卡的硬件系统，编写 u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的固件程序，实现了c y 7 c 6 8 0 1 3 和d s p 的h p i 接口之间的通信。最后，为了实现主机软件和数据采集卡之间的通信，我 们编写了数据采集卡的u s b 设备驱动程序。 基于课题的研究内容，本论文先对u s b 总线技术进行了介绍，然 后以设计一种基于u s 2 0 接口技术的数据采集卡为例，详细地介绍了u s b 的硬件设计、固件设计和驱动程序设计。在硬件设计部分，论文首先介绍 了u s b 2 0 接口芯片的性能和特点，然后给出了具体的硬件设计方案；固 件设计是u s b 设计的重点，论文详细地介绍c y 7 c 6 8 0 1 3 的g p i f 接日的设 计；驱动程序开发部分先论述了驱动程序开发工具的选择，然后介绍了本 数据采集卡的u s b 设备驱动程序的设计。 论文对广大的u s b 开发人员和技术人员具备较高的参考价值。 关键词：u s b ；数据采集；u s b 2 0 ：d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 a b s t r a c t i no r d e rt or e s o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h ei n c r e a s eo f p c p e r i p h e r a ld e v i c e sa n dt h el i m i t e db o a r ds l o ta n dp o r t ，i b m 、i n t e l 、 c o m p a q 、d e c 、m i c r o s o f t 、n e ca n dn o r t h t l e c o mh a v ed e v e l o p e dan e w i n t e r f a c es t a n d a r do fp c 一一u s b ( u n i v e r s i a ls e r i a lb u s ) i n1 9 9 4 u s b h a st h ea d v a n t a g eo fh i g hs p e e d ，h o t p l u g l n ，p l u ga n dp l a y ，e a s i l y t oe x p a n da n de n g r o s s i n gl e s ss y s t e mr e s o u r c e ，e t c u s b l 1h a st w o k i n d so fs p e e d ：1 5 m b p sa n d1 2 m b p s ，b u tu s b 2 0h a s t h es p e e do f 4 8 0 m b p s ，w h i c hcanm e e tw i t ht h ed e m a n d so fh i g h _ s p e e dp e r i p h e r a l d e v i c e s t h i ss u b j e c td i s c u s s e st h ea r c h i t e c t u r ea n df e a t u r eo fu s b ， i n c l u d i n gb u sa t t r i b u t e s ，s i g n a le n v i r o n m e n t ，d a t af l o wm o d e l ，a n d s oo n a f t e rt h a t ，i tb r i n g sf o r w a r dad e s i g ns c h e m eo fd a t a a c q u i s i t i o nc a r dw i t hu s b 2 0i n t e r f a c ea n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，w h i c hi sb a s e du p o nt h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a li n d u s t r y b u s ，s u c ha si s a 、p c i t h e ni td e s i g n sa n dr e a l i z e st h eh a r d w a r e s y s t e mo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dw i t ht h e u s bi n t e r f a c e ，p r o g r a m s f i r m w a r eo fc y 7 c 6 8 0 1 3 ，a n dr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c y 7 c 6 8 0 1 3c h i pa n dh p ii n t e r f a c eo fd s p a tl a s t i tp r o g r a m st h e u s bd e v i c ed r i v e ro fd a t aa c q u i s i t i o nc a r d b a s e d0 nt h es u b j e c t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e u s b b u s t e c h n o l o g ya tf i r s ta n dt h e ns h o w st h ed e s i g no fd a t aa c q u s i t i o n s y s t e m ，w h i c hi n c l u d sf o u rs e g m e n t s ：h a r d w a r ed e s i g n ，f i r m w a r e d e s i g n ，d e v i c ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m i nh a r d w a r es e g m e n t ， t h ep e r f o r m a n c eo fc y 7 c 6 8 0 1 3i sd e s c r i b e df i r s t l y ，a n dt h e n h a r d w a r ed e s i g ns c h e m ei sg i y e nd e t a i l e d l y f o rt h ef i r m w a r ed e s i g n ， i ti st h em o s ti m p o r t a n tp r o j e c ta n dt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n o fg p i fi nd e t a i l i nd r i v e rp r o g r a ms e g m e n t ，t h ep a p e rs h o w sh o w t oc h o o s et h ed r i v e rd e v e l o pt o o l sa n di n t r o d u c et h eu s bd e v i c e d r i v e ro ft h i s d a t aa c q u s i t i o nc a r d a tl a s t ，as u m m a r yw i l lb e p r e s e n t e da st h e e n do ft h ep a p e r k e yw o r d s ：u s b ：d a t aa c q u i s i t i o n ：u s b 2 0 ：d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 课题的提出 第1 章绪论 数据采集系统主要完成数据信息的采集、a d 转换、压缩处理，然后 通过p c 接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理。目前，以这 一部件为核心的设备在国内外得到广泛的应用，如：工业控制中现场数据 的采集系统；机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备； 家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。但是，这些数据采集系统 普遍采用的是p c 上的r s 一4 8 5 总线、i s a 总线、p c i 总线、e p p e c p ( 最 高传输速率为3m b p s ) 等。 ( 1 ) r s 一4 8 5 总线 r s 一4 8 5 总线是c c i t t 标准化v 1 1 x 2 7 兼容的平衡式电气特性 标准。这种标准应用集成电路技术，在一对平衡的互联电缆a 和b 上传送 差分信号，在接收端使用差分接收器进行信号判决。在电缆a 和b 上，如 果a 线的电位比b 线高0 3 v ，则发送的是逻辑“1 ”；如果a 线的电位比b 线低0 3 v ，则发送的是逻辑0 。这种接口的抗干扰性能很好，信号发 送频率最高可达l o i h z 。在信号发送速率小于1 0 0k b p s 时，传输距离可 大于1 0 0 0 米。r s - - 4 8 5 接口在一个回路上可以进行半双工通讯。所以只 需要两根线就可以进行双向通讯，并可以很方便的构成一个一点对多点或 多点之间相互通信的网络。i 。 ( 2 ) i s a 总线 i s a 数据总线最早用于p c a t 机，也被称为a t 总线。它是对x t 总线 的扩展，以适应8 1 6 位数据总线。i s a 总线的时钟频率为8 3 3m h z ，最 高传输速率为8 3 3m b p s 。1 。 ( 3 ) p c i 总线 p c i 总线是i n t e l 公司于1 9 9 3 年推出的新一代局部总线标准。它可 同时支持多组外围设备。p c i 局部总线不受制于处理器，为中央处理器及 高速外围设备提供一座桥梁，更可作为总线之间的交通指挥员，提高数据 吞吐量。p c i 采用高度综合化的局部总线结构。其优化的设计可充分利用 今日最先进的处理器及个人电脑科技。它可确保电脑部件、附加卡及系统 之间的运行可靠，并能完成兼容已有的i s a 、e i s a 和m c p 扩展总线，最高 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 传输速率为1 3 2m b p s ”1 。 这些数据采集设备存在着以下缺陷：安装麻烦：价格昂贵；受计算机 插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差“1 ；在一些电磁干扰性强的 测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真；r s - - 4 8 5 总 线和i s a 总线的传输速度慢，不能满足音视频高速实时传输的要求”1 。 ( 4 ) f i r e w i r e 总线 f i r e w i r e ( 即i e e e1 3 9 4 ) 是由苹果公司于8 0 年代中期开始开发的 一种允许连接多种高性能设备的高性能总线互连。它的传输速率可达 4 0 0 m b p s 。它的主要特点包括：使用方便；设备实现低成本；支持高速应 用；可升级的性能；支持异步和等时传输；支持很大的映射至内存的地址 空间：独立于主机系统的操作“。1 。i e e e1 3 9 4 主要使用在高速的影像或者 连接设备没有p c 主机的场合。i e e e1 3 9 4 比u s b 有弹性，不过相对外围 电路较复杂且昂贵。 u s b 全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，是1 9 9 4 年底由 i b m 、i n t e l 、c o m p a q 、d e c 、m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h t l e c o m 共同开发的 p c 外设接口标准。“。它的主要优点如下：数据传输速率明显快于一般的 串口；支持四种传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输，以 满足不同外设的需要；最多可以连接1 2 7 个外部设备；支持热拨插和即插 即用；占用的系统资源少( 只占用一个i r p ) ；无总线竞争等“1 。u s b l 1 支持两种传输速率1 2 m b p s ( 全速) 和1 5 m b p s ( 低速) ，而u s b 2 0 数据传 输速度可达4 8 0 m b p s 。这样就给我们提供了一个高速、方便、低成本的接 口，在很大程度上改善了外设和接口之间的矛盾。 而且，现代工业生产和科学研究的发展要求数据采集卡具有更好的信 号采集、处理能力，传统的c p u 己经不能满足这一要求。数字信号处理器 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是在模拟信号转换成数字信号以后进 行高速实时处理的专用处理器。它的突出特色包括哈佛( h a r v a r d ) 结构， 流水线操作，独立硬件乘法器，零开销循环等“”3 。d s p 具有快速的运算 速度和强大的数据处理能力，特别适合于数字信号处理场合，它能满足数 据采集系统中对数据处理速度的要求。 自2 0 世纪8 0 年代d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片在短短的十多年时间 里得到了飞速的发展。随着d s p 芯片性能价格比和开发手段的不断提高， d s p 芯片已经在通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军 事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域得到广泛的应用“。 综上所述，本文将深入研究u s b 总线技术，并基于新兴的u s b 2 0 和 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 d s p 技术，研究一种易于和计算机相连且高速实时的数据采集系统。 1 2 国内外研究现状 u s b 最初推出的是1 x 版本，其总线传输速度较低，有1 2 m b p s ( 全速) 和1 5 m b p s ( 低速) 两种。1 。目前，它主要应用于传统p c 外设，如 鼠标、键盘、显示器等，移动存储设备如移动硬盘、闪存盘等，以及新兴 的消费类电子，如m p 3 播放器、数码相机、移动电话等。 2 0 0 0 年推出了u s b 2 0 ，将数据传输速度提高到4 8 0 m b p s ，在保持了 u s b l 1 的优点前提下，保证了向下兼容性，可以完全支持各种u s b l 1 的 产品”1 。不过，如果要使用高速传输，则必须使用与u s b 2 0 兼容的主机 软件与主机控制器，也就是说在主机的操作系统w i n d o w s 2 0 0 0 x p 中安装 u s b 2 0 补丁程序，另外还要安装支持u s b 2 0 的主机控制器或者p c i 接口 u s b 2 0 的扩展卡。目前，市场上已有很多公司的主板支持u s b 2 0 ，如 i n t e l 、技嘉公司的主板。 u s b 2 0 的4 8 0 m b p s 的传输速率能完全满足高速音视频数据传输的需 要，并且可以对未经压缩的音视频数据进行实时传送。另外，u s b 2 0 的 高传送速率为研发新的、高性能的外设提供了可能。视频会议的摄相机将 以更高的带宽进行存取，从而具备了更高的性能。 u s b 2 0 扫描仪将会具备和s c s i 扫描仪和f i r e w i r e 扫描一样的高速 度，而价格却会非常低。很多厂商都已经开始开发他们的u s b 2 0 标准的 扫描仪，包括：h e w l e t tp a c k a r d ，m i c r o t e k ，p l u s t e k 和其他一些厂商。 u s b 2 0 的存储设备在高速存储方面成为一个新的热门。我们将会在 市场上见到高速度的移动存储设备，例如便携刻录机、移动硬盘、闪盘存 储器等等，u s b 2 0 的d v d r a m 也会出现。 这些器件在使用u s b 2 0 通信时，要求对外设接口的改变越小越好。 外设在附加了u s b 2 0 性能之后，相应附加的成本应尽可能地小。u s b l 1 器件和u s b 2 0 器件都应当在u s b 2 0 系统中顺利的操作。总之，u s b 2 0 的出现弥补了u s b l 1 的不足，使得u s b 的应用范围不断扩大。 随着u s b 设备的迅速增加，设备与设备之间的直接数据传输变得越来 越迫切，u s bo t g ( 0 n j h e _ g o ) 技术应运而生了“9 ”“，它于2 0 0 1 年1 2 月底制定，赋予了设备双重身份，也就是说它既可以作为主机，又可以作 为设备，其实质是在设备中增加了一个嵌入式计算机来执行主机任务。这 一技术使u s b 设备摆脱了对p c 的依赖，大大扩展了u s b 的应用范围，结 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 合u s b 2 0 高速传输技术，将严重威胁到i e e e1 3 9 4 的传统市场。目前， 市场上已经有支持这一技术的芯片，如飞利浦公司的通用串行总线( u s b ) o n t h e g o ( o t g ) 芯片i s p l 3 6 2 ，它为最新的索尼c l i e 手持设备提供u s b o t g 连接性。索尼c l i e 是业内首个具备u s bo t g 功能的手持产品，可以 与其它u s b 设备实现点到点通信。另外，扬智公司也成功地开发了国内首 颗高速u s b 2 0o t g 控制芯片。“。 1 3 课题主要研究内容和主要工作 本课题主要研究了u s b 总线技术，包括总线特征、信号环境、数据传 输类型、数据流模型和信息包等，并对u s b l 1 协议和u s b 2 0 协议进行了 分析和比较。 基于u s b 2 0 技术，我们提出了一种u s b 接口的数据采集卡实际应用 方案，设计并制作了基于u s b 接口的数据采集卡的硬件系统，编写u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的固件程序，实现了c y 7 c 6 8 0 1 3 和d s p 的h p i 接口之 间的通信。最后，为了实现主机软件和数据采集卡之间的通信，我们编写 了数据采集卡的u s b 设备驱动程序。 1 4 论文的内容简介 本文先讨论了u s b 总线技术，然后将论述一种基于u s b 2 0 接口的数 据采集系统的研发过程，使开发者可以迅速熟悉和开发基于u s b 的数据采 集系统。文中详细介绍u s b 设备的硬件和软件开发的技术细节。各章节的 安排如下： ( 1 ) 第一章介绍了本课题的研究意义、国内外现状和课题的主要内 容。 ( 2 ) 第二章介绍了u s b 协议，包括总线特征、信号环境、数据流模 型和信息包等。 ( 3 ) 第三章阐述了硬件设计方案，给出了一种基于d s p 和u s b 的数 据采集系统方案，并对系统电路的核心部分分别作了介绍。 ( 4 ) 第四章详细地介绍了数据采集系统中u s b 设备的固件开发，对 应用程序开发也作了简略的介绍。 ( 5 ) 第五章介绍了u s b 的驱动程序，并以本设计为例，介绍了数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 采集卡的u s b 设备驱动程序的开发。 ( 6 ) 第六章是对本文的总结和展望。 开发一个基于u s b 的数据采集系统的具体步骤和方法，我们将在以后 各章中详细讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章u s b 总线技术 为了解决传统p c 机在发展过程中所遇到的一些问题，如外设通信端口 数量不足，外设连接繁琐、配置困难，数据传输速率低等“1 ，c o m p a q 、d e c 、 i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 七家公司共同研制开 发了u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，即通用串行总线) 。u s b 是一种快速的、 方便的、廉价的新一代总线接入技术，其优点如下： ( 1 ) 成本低。为了把外设连接到p c 机上，u s b 提供了一种低成本的解 决方案； ( 2 ) u s b 支持热插拔和即插即用； ( 3 ) 占用的系统资源少( 只占用一个i r p ) ；无总线竞争； ( 4 ) 速度快：u s b i 1 支持1 5m b p s 和1 2m b p s 两种传输速率，而 u s b 2 0 可达4 8 0 m b p s ： ( 5 ) u s b 端口支持多个不同设备的串列联接，一个u s b 口理论上可连 接1 2 7 个u s b 设备； ( 6 ) u s b 事务处理包括错误检测机制，用以确保数据无错误的发送； ( 7 ) 设备能够直接由u s b 总线进行供电； ( 8 ) 支持四种传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输。 支持多媒体：u s b 提供了对电话的两路数据的支持，可支持异步及等时传输， 使电话可与p c 集成，共享语音邮件及其它特性，而且u s b 还能传输高保真 音频。 目前，u s b 设备的发展如日中天，国内外已推出了几百种u s b 设备， 包括u s b 集线器、打印机、扫描仪器、存储器、数字音箱、数码相机和调 制解调设备等。u s b 设备在实际应用中已经逐渐取代传统的外设，因此研究 u s b 具有一定的意义。本章将介绍设计u s b 设备所必须的基本知识。 2 1u s b 总线的物理连接和电气特征 u s b 数据传输采用四根电缆，其中两根( d + 、d 一) 是用来传送数据的串 行通道，另两根( v b u s 、g n d ) 是符合标准的电源线，为下游的u s b 设备提 供电源，如图2 一l 所示。”“1 。 其中，d + 、d 一是串行数据通信线，它支持两种数据传输速率，对于高 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 速且要求高带宽的外设，u s b 以全速1 2 m b p s 或高速4 8 0 m b p s 传输数据：对 于低速外设，u s b 则以1 5 m b p s 的传输速率传输数据。u s b 总线会根据外设 情况在不同的传输模式中自动地动态转换。v b u s 通常+ 5 v 电源，g n d 是地线。 u s b 总线是基于令牌的总线，类似于令牌环网络或f d d i 基于令牌的总线。 芝ll 坠 巳： i二二瓤：二：a 。汇二二 i 巳： c a n【 ig 丝 7 一 图2 - lu s b 电缆 2 1 1 设备的连接和速度的检测 野r p d 题二 蛔p u u s b 发送ll | = 器 l d 。芏i _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l j _ l _ r p d = 1 5 k o 1 5 主机m u b r p u = 1 5 k 0 + 1 5 图2 2 低速设备电缆和电阻连接 野usb)燃 通二 鞫桃u s b z 0 = 9 0 0 1 5 r p d = 1 5 k q 1 5 图2 - 3 高速设备电缆和电阻连接 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 从图上可以看出，高速设备和低速设备的区别在于电缆上行端上的上 拉电阻的位置不同。高速设备电缆的下行端上的上拉电阻位于d + 线上， 而低速设备电缆的下行端上的上拉电阻位于d 一线上。u s b 也是以次来判定 连接u s b 上的设备是高速的还是低速的。 2 1 2 电源 u s b 的电源主要包括两方面： 电源分配：即u s b 的设备如何通过u s b 总线获得u s b 主机提供 的能源； 。电源管理：即通过电源管理系统，u s b 的系统软件和设备如何 与主机协调工作。 ( 1 ) 电源分配 每个u s b 单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的 u s b 设备提供电源供其使用，并且每个u s b 设备都可能有自己的电源。那 些完全依靠电缆提供能源的设备称作“总线供能”设备。相反，那些可选 择能源来源的设备称作“自供电”设备。而且，集线器也可由与之相连的 u s b 设备提供电源。 ( 2 ) 电源管理 u s b 主机与u s b 系统有相互独立的电源管理系统。u s b 的系统软件 和主机电源管理系统相互作用，以此来控制挂起、唤醒等系统电源事件。 另外，u s b 设备可以具有u s b 技术规范所规定的电源管理信息，从而系统 软件或类驱动程序可对其进行电源管理乜6 3 。 2 2u s b 总线信号环境 u s b 串行数据是用n r z i 进行编码的，编码过程是在通过u s b 数据线 进行传输之前进行的。图2 - 4 就是在通过u s b 数据线段进行的信息传输时 包含的步骤。n r z i 编码首先由u s b 代理执行，它负责发送信息。接下来， 编码后的数据被放入u s b 数据线，这是由差分驱动程序完成的。接收器放 大传来的差分数据，并把n r z i 数据发送到解码器，对数据进行编码和采 用差分信号进行传输有助于确保数据的完整性和消除噪声干扰。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 图2 - 4 在u s b 上采用n r z i 编码和差分信号的传输方式 2 1 1n r z i 数据编码 当u s b 发送包时，采用的是n r z i 数据编码。在n r z i 数据编码中，“1 ” 表示在电平上无变化，而“0 ”表示电平有变化，也就是说若数据为1 ，则 n r z i 编码不变；若数据为0 ，则n r z i 编码发生改变。图2 - 5 表示数据流及 其对应n r z i 编码。 0110lo100 010 数司厂 r r r 。m f 磊厂 r 厂 图2 - 5n r z i 数据编码 2 2 2 位填充( b i ts t u f f i r i g ) u s b 中差分数据与时钟一起编码传送，位填充是指在连续为1 的数据 流中插入一个“0 ”位以引起一个在数据线上允许p l l 锁定的电气转换。 当在u s b 上发送一个包时，发送设备使用了位填充，如图2 - 6 所示。 数据按n r z i 编码时，数据流中每6 个连续的“1 ”后插入一个“0 ”， 这样使接受器至少每7 个位时间有一个逻辑数据转换，以保证数据和时钟 的锁定。接收器必须解码n r z i 数据，识别填充的位，然后将他们丢弃掉， 位填充起始于同步头并贯穿于整个过程，同步头的结束数据“1 ”将作为 序列中的第一位。除e o p 信号前的最后一位，在一个数据包中的数据都是 根据位填充规则进行填充。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 数据编码顺窆广1 广 原始数据 卜同步信号- l 叶一 包数据叫 1 _ i ) = 填充广 董广1 广1 膜充的位 | + 同步信号1 一 包数据- - - l 卜6 个1 卅 图2 - 6 位填充 2 2 3 同步头( s y n op a t t e r n ) 同步头位于每个包前，允许接收器同步它们的位恢复时钟，如图2 7 所示。同步头等效于7 个0 后接一个1 ( o x 8 0 ) 的数据结构。 2 3u s b 数据流模型 u s b 按照通信服务协议为主机和连接的设备提供通信服务。图2 - 8 就 是一个u s b 设备和主机相连的示意图“。 图2 - 8 简单的u s b 主机设备连接图 ：焉 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 通信服务的协议按照不同的功能分为功能层、设备层和接口层，这些层 之间的通信模型如图2 - 9 所示。 图2 - 9u s b 的多层次通信模型 模型中的u s b 设备、客户软件、u s b 系统软件和u s b 主控制器是u s b 系统的四个执行范围，先对其解释如下： u s b 设备：一种位于u s b 电缆末端的硬件，完成一些有用的终端用 户的功能，如打印、扫描等。 客户软件：在主机上执行的u s b 设备相对应的软件。有操作系统供 给或u s b 设备单独提供。 u s b 系统软件：操作系统中支持u s b 的软件。由操作系统提供，独 立于u s b 设备或客户软件。 u s b 主控制器( 主机端的总线接口) ：允许u s b 设备连接到主机的 硬件和底层软件。 如图2 9 所示，主机和设备间的连接要求不在一层的实体之间有相互 作用。u s b 总线接口层为主机和设备间提供物理信号包的连接。u s b 设 备层的u s b 系统软件必须具有完成一般u s b 操作的功能。功能层通过一个 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 特定的与功能模块匹配的客户软件层来实现u s b 设备的功能。每个u s b 设备层和功能层都没有一个在层内的逻辑通信流，实际上，u s b 中真正的 数据传送是通过u s b 的总线接口层来完成的。 2 3 1u s b 总线的拓扑结构 u s b 总线拓扑是指u s b 设备和主机之间的连接模型，包括u s b 主机、设 备以及他们之间的相互连接。 1 u s b 主机 主机由三部分构成：主机控制器、u s b 系统软件( 包括u s b 驱动程序、 主机控制器驱动程序及主机软件) 和客户软件。 u s b 主机在u s b 系统中占据控制位置。因其特殊的地位，它对与之连 接的设备有着特定的职责，并控制所有u s b 设备的访问。另外，主机还负 责u s b 的拓扑结构。 2 u s b 设备 u s b 物理设备由u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功能模块构成。u s b 设备为主机提供补充的功能，功能类型范围很广，如打印、视频和音频等。 然而，所有的u s b 设备对主机有着相同的基本接口。这就允许主机以相同 的方式管理u s b 设备中与u s b 相关的部分。 为帮助主机识别和配置u s b 设备，每个设备都带有并报告和配置相关 的信息。一些报告信息是所有逻辑设备共有的信息，另外的一些信息是提 供给设备特定的功能。这些信息的具体格式依赖于设备的类型而变化。 3 u s b 主机和设备的连接 如图2 1 0 所示，u s b 上的设备经由分层星型拓扑结构与主机进行物 理连接。u s b 连接点由一个称为集线器的u s b 特殊类提供。这个集线器提 供的额外连接点成为端口( p o r t ) 。主机包含了一个嵌入的集线器，这个 集线器我们称之为根集线器。主机通过根集线器给u s b 设备提供一个或多 个连接点。提供额外功能给主机的u s b 设备叫功能块。 多个功能块和一个集线器可被封装在一起，构成一个复合设备。复合 设备只有一个设备地址。从主机来看，一个复合设备是一个连接了多个功 能块的集线器。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 图2 1 0u s b 物理总线拓扑结构 集线器在高速系统中扮演着重要的角色。它把全速和低速信号环境从 高速信号环境中分离出来。如图2 1 1 所示，集线器支持高速的u s b 设备， 同时它也允许u s b i 1 的集线器连接到它的端口上，并让该u s b i 1 的集线 器运行在全速低速状态下。这个u s b 2 0 的主机控制器可直接与全速低 速的设备相连。 图2 1 1高速系统中的全速总线 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 当设备以分层的星型拓扑结构连接到u s b 上时，主机与每个逻辑设 备之间的连接就像是逻辑设备直接连接到集线器端口上一样。对应与图 2 - 1 0 的物理拓扑的逻辑是图2 1 2 所示。 图2 1 2u s b 总线的逻辑拓扑 2 3 2u s b 的通信流 u s b 为主机上的软件和u s b 的功能模块提供了通信服务。根据不同的 客户与功能模块之间的不同通信要求，u s b 设备对数据流有不同的要求。 由于允许不同的数据流独立地进入一个u s b 设备，u s b 能更好地利用整个 总线的资源。每个通信流利用一些总线访问的方式来完成与功能模块之间 的通信。每个通信流终止于设备上的一个端点。设备的端点是u s b 设备的 唯一的可标识部分，用来标识每个通信流的方向，它是在主机和设备之间 的通信流的信息源或终点。 对u s b 系统来说，u s b 逻辑设备像是端点的一个集合。端点组合成实 现接口的端点组，接口是面对此功能块的。系统软件使用与端点0 相关的 缺省管道( d e f a u l tp i p e ) 来管理设备。管道( p i p e ) 是描述设备上的 端点和主机上的软件之间的联系的一个抽象通道。客户软件要求主机的缓 冲器和u s b 设备上的一个端点之间传送。主机控制器( 或依赖于传输方向 的u s b 设备) 对数据进行打包后往u s b 上传送。图2 1 3 ，说明了在端点 和主机一侧的存储器缓冲区之问的管道是如何存载通信流的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 。页 图2 1 3通信流 2 3 3 设备端点( d e v i c ee n d p o i n t ) 每个u s b 逻辑设备由各个独立操作的端点的集合构成。但是每个逻辑 设备有一个唯一的地址，它是在设备连接u s b 的时刻由系统分配的地址。 软件可经由一个或几个端点与u s b 设备进行通信。设备上的每个管道端点 有一个唯一的标识端点号( e n d p o i n tn u m b e r ) 。设备地址和端点号的 组合可以唯一地确定每个端点。 端点号不为0 的端点在被设置前处于未知状态，不能被主机访问。 ( 1 ) 对0 号端点的要求：所有u s b 设备都要求有一个端点号为0 的 特殊端点，主机用该端点来初始化设备和配置逻辑设备。端点0 提供对设 备配置信息和一般的u s b 控制、状态信息的访问。端点0 支持控制传输， 一旦设备被连接和加电，端点0 就被配置。 ( 2 ) 对非0 号端点的要求：设备可以有除0 号端点以外的其他端点， 这取决于设备的实现。低速设备在0 号端点外，只能有2 个额外的端点。 而高速设备可具有的额外端点数，仅受限于协议的定义( 协议中规定，最 多1 5 个额外的输入端点和最多1 5 个额外的输出端点) 。 除缺省端点0 外，其他的端点只有在设备被设置后才可使用，对它们 的配置是设备设置过程的一部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 3 4 管道 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输数据的能力。有两种不同的且互斥的管道通信格 式。 ( 1 ) 流管道( s t r e a mp i p e ) ：流管道中的数据是流的形式，也就是说 该数据的内容不具有u s b 要求的结构。数据从流管道的一端流进的顺序与 它们从流管道另一端流出时的顺序是一样的，流管道中的通信流总是单方 向的。流管道支持同步传输、中断传输和块传输类型。 ( 2 ) 消息管道( m e s s a g ep i p e ) ：消息管道是用请求数据状态范例 传送数据的管道，通过消息管道的数据是具有某种u s b 定义的格式的数据 流。 消息管道与端点的关系同流管道与端点的关系是不同的。首先，主机 u s b 设备发出一个请求；接着，就是数据的传送：最后，是一个状态阶段。 为了能够容纳请求数据状态的变化，消息管道要求数据有一个格式，此 格式保证了命令能够被可靠地传送和确认。消息管道允许双方向的信息流， 虽然大多数的通信流是单方向的。 特别地，缺省控制管道是一个消息管道，用于在主机和u s b 设备的端 点0 之间传送控制和状态信息。系统软件用此管道来确定设备标志和配置 要求，以及用来配置设备。 u s b 系统软件保证多个请求不会同时发给同一个端点。在某一时刻，一 个端点只能为单个信息请求服务。主机上的多个客户软件通过缺省管道能 产生请求，但他们以先进先出的顺序被送到端点上。在响应主机事务的数 据和状态阶段，端点能控制信息的流动。只有当端点上的当前信息处理完 成后，端点才会正常地发送下一个信息。 一个设备信息管道在2 个方向( i n 或o u t 标记) 要求有一个单一的设 备端点号。对于每个方向，u s b 不允许信息管道与不同的端点号相联系。 2 3 5 帧和微帧( f r a m e sa n dm io r o l c r a m e s ) u s b 工作在全速低速状态下时，主机控制器每隔1 毫秒发送一帧数据； 而工作在高速状态时，主机控制器每隔1 2 5 微秒就发送一帧数据。一帧( 或 微帧) 数据可包含几种事务。图2 一1 4 表示帧和微帧的产生。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 图2 1 4 帧和微帧的产生 2 4 u s b 数据传输类型 u s b 数据传送类型是从u s b 系统软件的管理角度来描述的。传送 ( t r a n s f e r ) 是指在客户软件和它的功能模块之间的一个或多个信息传输 的总线事务( b u st r a n s a c t i o n ) 。传送类型决定于客户软件和它的功能模 块之间的数据流的特性。u s b 定义4 种传输类型，以满足在总线上进行不同 的数据类型传输的需要。 2 4 1 块传输 块传输用于支持突发的大量的数据，全速模式时以8 ，1 6 ，3 2 或6 4 字 节( 高速模式时是5 1 2 字节) 的信息包传送。由于对出错的数据自动地进 行重发，块数据可确保无误发送。当总线上有空闲时，主机安排块数据包。 块数据可用于打印机、扫描仪、调制解调器的数据。块数据流由握手信息 包控制。块传输如图2 1 5 所示。 图2 1 5两种块传输：输入和输出 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 4 2 中断传输 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输。实际上 是一种主机定时侦听设备，看看有没有中断的传输方式。设备的端点模式 器的结构决定了它的查询频率，从1 2 5 5 m s 之间。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。键盘、操纵杆和鼠标就属于这 一类型。中断方式传输是单向的并且对于主机来说只有输入的方式。中断 传输在高速时的数据载荷可达1 0 2 3 字节；在全速时的载荷量小于6 4 字节； 在低速时为8 个字节以下。中断数据采用流管道进行传输。中断传输如图 2 1 6 所示。 2 4 3 同步传输 图2 1 6中断传输 用于保证时间优先的数据流，如音频和视频数据流，传输的时间对于数 据来说是非常重要的必要条件，在全速模式时，一个同步包包含1 0 2 3 字节； 在高速模式时，一个同步包包含1 0 2 4 字节。 在每一个u s b 帧中，为同步传输分配了一定u s b 带宽。为了减少内部 的事务操作，同步传输没有握手信号( a c k n a k s t a l l n y e t ) ，如图2 一1 7 所示，也不具有重发机制。错误检测受限于1 6 位c r c 。同步传输不使用数 据轮换位机制，在全速模式时，同步数据只使用d a t a op i d 标志：在高速 模式时，同步数据使用d a t a o 、d a t a l 、d a t a 2 和m d a t a 。 在全速模式时，对于每个端点，一帧中只有一个同步包。在高速模式 时，对于每个端点，一个微帧中就可以包含多个同步包“1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 2 4 4 控制传输 图2 - 1 7 同步传输 控制传输是双向的，数据量通常较小。u s b 系统软件主要用来进行状态 查询、配置和发送命令到设备。由于其重要性，它使用了最广泛u s b 错误 检测协议。控制传输由主机以最有效原则进行。主机为控制传输保留了每 一个u s b 帧的一部分时间。 控制传输由两个或三个段组成，如图2 1 8 所示。s e t u p 段包括u s b 控 制数据的8 个字节。如果需要的话，在可选的d a t a 段中还包含更多的数据。 s t a t u s 段( 或握手) 段用于步 设向主机报告控制操作的完成情况。 图2 1 8 控制传输 s e t u p s t a g e d a t a s t a g e ( o p t i o n a l ) s t a 丁u s s t a g e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 2 5 信息包 信息包是用来执行所有的u s b 事务处理的机制。进行数据传输时由主 机控制器初始化所有的数据，以包的形式传送。包在总线上发送的顺序是 先低位后高位( l s b 一 m s b ) 。 包一般由同步域、p i d 、c r c 校验等组成。例如对u s b 数据包来说，开 头是1 个字节的同步域，接着是五个字节的包标识( p i d 。接着是最多1 0 3 2 字节的数据