（电力电子与电力传动专业论文）基于usb主机技术的机车故障数据转储技术研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：怅酲 签字日期：如年月f 日 导师躲。唯 签字日期：加7 d 年乡月枷 i- ，、 中图分类号：t p 3 3 4 5 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于u s b 主机技术的机车故障数据转储技术研究 d a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do nu s b h o s tf o r d i s t r i b u t e df a u l td e t e c t i n gs y s t e mo ft h et r a i n 作者姓名：张良 导师姓名：王立德 学位类别：工学 学科专业：电力电子与电力传动 学号：0 8 1 2 2 0 4 0 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：智能检测 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师王立德教授的悉心指导下完成的，王立德教授严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来王 立德老师对我的关心和指导。 申萍副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向申萍老师表示衷心的谢意。 施洪生老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，周东、丁国君等学长对我论文中的实验部分 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业。 中文摘要 中文摘要 摘要：随着u s b 技术应用领域的不断扩大，u s b 主机技术也得到了越来越多 的关注。p c 机在绝大多数情况下承担着u s b 主机的角色，非p c 领域是u s b 主 机技术应用的空白。由于工业现场条件有限，对数据转储便携性的要求高，从而 实现嵌入式u s b 主机系统的需求非常迫切。以便于实现现场数据的提取与后期分 析。本课题的研究正是基于此。 本文以机车瞬时故障检测记录仪为背景，致力于嵌入式u s b 主机故障数据转 储技术的设计和实现。机车检测瞬时故障记录仪以t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 型d s p 为处理 核心，实时检测来自机车的模拟和数字信号，对故障数据进行存储。并在后期通 过对数据进行分析处理来定位故障发生时间和类型。 在硬件设计过程中，完成了c h 3 7 5 和d s p 、c p l d 的硬件接口设计。在软件 设计过程中，通过对u s b l 1 协议和f a t l 6 文件系统的深入分析，建立了c h 3 7 5 与d s p 底层通信。基于海量存储协议的u f i 命令子集，实现了b u l k - o n l y 传输协 议。并根据d s p 处理速度快的特点，立足于机车检测瞬时故障记录仪的实际，建 立简化的文件级a p i 函数，实现简化的f a t 文件系统。通过该简化的文件系统函 数，可以在减少资源消耗的前提下，更快捷的完成机车检测瞬时故障记录仪的故 障数据转储。 经过实验室设计调试与不断完善，目前系统已成功运用于昆明铁路局， s s 3 4 0 0 0 系列电力机车，取得较好效果。 关键词：u s b 主机；1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ；c h 3 7 5 ；大容量存储类；f a t l 6 文件系统 分类号：t p 3 3 4 5 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ee x t e n s i o no ft h eu s bt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s ，u s b h o s t t e c h n o l o g yh a sb e e nt a k e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s a tm o s tc a s e s ，p ct a k e st h er o l eo f t h eu s b - h o s t i t sa l m o s tab l a n ka r e ai nn o n - p ct ou s eu s b h o s tt e c h n o l o g y a st h e i n d u s t r i a le n v i r o n m e n ti sn o tv e r yg o o d , i tr e q u i r e sah i 曲p o r t a b i l i t yo fd a t ae x t r a c t i o n 耶1 ed e m a n df o re m b e d d e du s b h o s ts y s t e mi su r g e n t , i no r d e rt oa c h i e v eo n s i t ed a t a e x t r a c t i o na n dp o s t - a n a l y s i s t 1 1 i sp r o j e c to f s t u d yi sb a s e d0 1 1i t t l l i sd i s s e r t a t i o ni sd e d i c a t e dt ot h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h eu s b h o s td a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi nt h eb a c k g r o u n do ft h ed i s t r i b u t e df a u l td e t e c t i n gs y s t e mo f t h et r a i n 1 1 1 e d i s t r i b u t e df a u l td e t e c t i n gs y s t e mo ft h et r a i ni sc o m p o s e do f ，n v i s 3 2 0 v c 5 5 0 9c o r e ，m o n i t o r i n gt h ea n a l o ga n dd i g i t a ls i g n a l sf r o ml o c o m o t i v e l a t e r , t h et e c h n i c a ls t a f fl o c a t e st h et i m ea n dt y p eo ff a u l tt h r o u g ha n a l y s i so ft h ed a t a p r o c e s s i n g i nt h eh a r d w a r ed e s i g np r o c e s s ，i ta c h i e v e sc h 3 7 5w i t hd s p , c p l dh a r d w a r e i n t e r f a c ed e s i g n i nt h es o f t w a r ed e s i g np r o c e s s ，谢t l lt h es t u d yo ft h eu s b p r o t o c o la n d t h ef a t l6f i l es y s t e m ，i td e s i g n st h eu s b - h o s td r i v e r , b u i l d st h eb a s i cc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nc h 3 7 5a n dd s eb a s e do nu f ii n s t r u c t i o nm a s ss t o r a g ea g r e e m e n t , i tr e a l i z e s b u l k - o n l yt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - s p e e dd s p c o m m u n i c a t i o n s ，b a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ed i s t r i b u t e df a u l td e t e c t i n gs y s t e m o ft h et r a i n , i tb u i l d ss i m p l i f i e df i l e - l e v e la p if u n c t i o n s ，t oe s t a b l i s has i m p l i f i e df i l e s y s t e m t h r o u g ht h es i m p l i f i e df i l es y s t e m ，i tc o m p l e t e st h ed a t at r a n s m i s s i o no nt h e d i s t r i b u t e df a u l td e t e c t i n gs y s t e mo ft h et m i nm o r eq u i c k l yw i t hl e s sc o n s u m p t i o no f r e s o u c e s 1 1 1 ec u r r e n t s y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e d i nk u n m i n gs s 3 4 0 0 0 l o c o m o t i v ed e p o t ，t h o u g ht h el a b o r a t o r yd e s i g na n dd e b u g g i n g k e y w o r d s ：u s b - h o s t ；t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ：c h 3 7 5 ：m a s ss t o r a g e ；f a t l 6f i l es y s t e m c i 。a s s n 0 ：t p 3 3 4 5 v 目录 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t 、v r l 绪论1 1 1项目背景。l 1 2u s b 主机技术2 1 2 1 国内外u s b 主机技术相关研究状况2 1 2 2 开发u s b 主机的主要技术难度3 1 3课题研究内容及论文结构4 1 3 1 论文的结构安排4 2构成故障记录仪u s b 主机的关键技术5 2 1u s b 技术5 2 1 1u s b 体系结构5 2 1 2u s b 物理接口特性7 2 1 3u s b 数据通信结构8 2 1 4u s b 总线传输类型1 2 2 1 5u s b 标准描述符1 2 2 1 6u s b 设备枚举过程。1 3 2 1 7u s b 海量存储设备技术1 3 2 2文件系统技术1 6 2 2 1f a t 文件管理系统1 6 2 2 2 文件的创建过程2 0 3基于d s p 的u s b 主机硬件设计2 l 3 1主要芯片介绍2 1 3 1 1d s p 处理核川：卜_ 1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 2 l 3 1 2u s b 主控制器芯片：h 3 7 5 2 2 3 2系统硬件设计框架。2 4 3 2 1c h 3 7 5 硬件设计2 5 3 2 2f l a s h 读写设计2 6 3 2 3c p l d 时序设计2 7 3 2 4 系统其他外设2 8 4系统软件的开发2 9 北京交通大学硕士学位论文 4 1u s b 主机软件设计框架2 9 4 2u s b 主机控制器驱动程序设计和底层数据传输2 9 4 2 1c h 3 7 5 的底层通信实现- 3 0 4 2 2u s b 主机控制器底层驱动程序设计3 0 4 2 3c h 3 7 5 固件初始化31 4 3u f i 命令和存储介质操作。3 2 4 3 1u 盘初始化3 2 4 3 2u 盘扇区读写3 3 4 4创建简化的f a t l6 文件系统3 4 4 4 1u 盘文件分析3 4 4 4 2 文件系统创建函数设计3 6 4 5u s b 主机人机界面的设计3 9 5功能调试与应用。4 1 5 1硬件测试环境的搭建4 l 5 2软件测试环境的搭建4 2 5 3文件系统分析4 2 5 3 1 主引导区分析4 2 5 3 2 分区引导区分析4 3 5 - 3 3 汀1 区4 4 5 3 4d 己区4 5 5 3 5 数据区4 6 5 4u 盘文件生成测试4 6 5 5调试心得4 8 5 6系统现场应用介绍4 9 6总结与展望。5 l 参考文献。5 3 作者简历5 5 独创性声明5 7 学位论文数据集5 9 绪论 1 1 项目背景 1 绪论 分布式故障检测记录系统能够对电力机车的设备进行检测与故障诊断，实时 监测机车行车安全。该系统现已实际应用于昆明铁路局s s 3 4 0 0 0 系列电力机车的 分布式故障检测记录系统。该检测记录系统结构见图1 1 ： 图1 1 系统结构框图 f i g u r e1 1s t r u c t u r eo fs y s t e m 机车瞬时故障检测记录仪( a ) ：通过车载网络获取机车设备实时运行数据，并 实时进行故障判断。当故障发生时存储故障数据，通过u s b 接口将故障数据 转储并进行后期分析； 司机室液晶显示屏( b 、c ) ：显示电力机车各种信号状态和实时故障情况，如网 压、电机电流等； 逻辑控制模块( d 、e ) ：进行电力机车低压柜的逻辑控制，同时将其控制的设备 状态数据通过现场总线网络向机车瞬时故障检测记录仪传输； 数字量采集模块( f 、g ) ：采集机车端子柜内的数字量信号，向机车瞬时故障检 测记录仪传输。 分布式故障检测记录系统的核心机车瞬时故障检测记录仪经过多年的改 进与完善，控制器核心从8 0 31m c u 到d s pc 5 4 0 2 再到d s pc 5 5 0 9 ，故障数据转储 接口从r s 2 3 2 到u s b 从机。其技术水平不断提升，功能上集数据的采集、判断和 故障数据存储于一体，趋于完善。但这套系统在故障数据转储上还存在较大的不 便。 现有的机车瞬时故障检测记录仪数据提取方式为u s b 从机方案，现场故障数 据提取有两种方法：一是将机车瞬时故障检测记录仪从机车电气柜中取出，在地 北京交通大学硕士学位论文 面拷贝数据；二是带笔记本电脑上电力机车司机室拷贝数据。在这种情况下，需 要选择一种更为合理与实用的数据提取技术，从而能更好的完成机车瞬时故障检 测记录仪的功能，加快分布式故障检测记录系统的应用与推广。 u s b 主机技术能够很好的解决故障数据转储便捷性的问题。相对u s b 从机而 言，u s b 主机对数据转储的设备要求低，更好的适应现场环境。而且数据转储所 需的便携式移动存储设备，特别是u 盘的不断普及，成本低而容量大。对于机车 故障数据转储这一特定工业应用而言，u s b 主机技术抗电磁干扰能力强，能够转 储大量故障数据且成本很低。基于此，本文选择u s b 主机方案来实现机车故障数 据转储。 1 2 u s b 主机技术 随着计算机和多媒体技术的发展与普及，传统的计算机接口已经不能满足多 媒体技术的进一步发展和应用。例如在工程应用方面，带r s 2 3 2 串行接口的笔记 本电脑越来越少，从而给需要串口的现场调试带来极大不便。在此背景下，通用 串行总线技术( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 的应用领域逐渐扩大，人们对其期望越来 越高。通用串行总线提供标准化接口，可进行实时数据传输，并能应用于移动环 境，支持热插拔。u s b l 1 接口最高理论传输速率可达1 2 m b p s ，比并1 ：3 快1 0 倍， 串口快1 0 0 倍。高速与稳定的接口为进一步的数字化设备应用提供基础。 在移动数据领域，人们希望能使移动设备与u s b 外设直接通信，从而使u s b 总线可以应用于没有p c 机参与的工作环境之中。而从技术应用角度来说，非p c 领域正是u s b 应用的空白点。因为在u s b 拓扑结构中居于核心地位的是u s b 主 机( u s b h o s t ) ，任何数据传输都必须由u s b 主机发起并进行控制。所有的u s b 外设( u s b s l a v e ) 都只能与u s b 主机建立连接。两个u s b 主机或者两个u s b 外设之间无法直接进行通信。离开p c 机，移动设备就失去了数据交换功能。因此， 嵌入式u s b 主机是非p c 领域u s b 技术应用的最佳解决方案。 1 2 1国内外u s b 主机技术相关研究状况 目前，在嵌入式u s b 主机领域内所做研究与设计方案大都采用m c u 搭配u s b 主控制器接口芯片模式。将底层u s b 协议固化到u s b 主控制器接口芯片内部，减 小m c u 在处理u s b 数据时的系统资源消耗。u s b 主控制器芯片提供厂商不多， 比较成熟的国外产品有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 ，国内 产品有南京沁恒公司的c h 3 7 5 。这些产品都有实际工程化应用，其可靠性与实用 2 绪论 性已经经过了验证。其中s l 8 1 1 h s 支持u s b l 1 协议，但编程代码量较大；i s p l l 6 1 是一款集主从控制器于一体的1 6 位芯片，应用方向主要是一些手持数码设备； c h 3 7 5 内置固件处理海量存储设备的专用通信协议，在移动存储设备方面应用最 为广泛。由于本文所研究的主要内容是u 盘数据转储，所以本文最终采用专门针 对海量存储设备开发的c h 3 7 5 芯片作为u s b 主控制器。 嵌入式主机系统由于技术实现难度较高，在国内的研究尚处在起步阶段，仅 有少量相关产品问世。尤其在高速m c u 方面，如d s p ，a r m 等配套方案很少， 通用性不好。而国内对u s b 主机技术应用有很大的需求。在上述背景下，研究u s b 主机如何在高速m c u 嵌入式系统中实现将是本文讨论的主题。 1 2 2开发u s b 主机的主要技术难度 构建u s b 主机系统，区别于p c 系统，有以下技术难点： 1 ) u s b 主机技术是基于p c 开发的，在p c 机中内嵌有u s b 主机控制器。因 此u s b 设备研发人员不需要关注主机控制器的驱动问题，只需要关注自 己所开发设备的相应驱动即可。而在嵌入式系统中开发u s b 主机，则首 先需要对u s b 主机控制器的硬件和软件进行设计； 2 ) 在p c 机上实现u s b 主机有着丰富的系统资源，包括l g 或者更高的r a m ， 2 g h z 主频或者更高的c p u 和庞大的w m d o w s 操作系统的软件支持。而 在嵌入式系统中，则资源有限。以本文所涉及的d s p 嵌入式系统为例， 只有1 2 8 m 的r a m ，1 2 0 m 主频的d s p 核心处理器以及6 4 k 的e e p r o m 程序存储空间来存储程序。在此条件下，对系统软硬件设计提出了非常严 格的要求，并且在u s b 主机程序量方面有限制，这也是难点所在； 3 ) 在嵌入式系统中对u s b 主机芯片的开发需要开发者对操作系统下的驱动 管理机制和u s b 协议中关于主机控制器驱动部分非常熟悉。而这些理论 通常枯燥而晦涩，也为整个系统研发制造了障碍； 4 ) 在嵌入式系统中开发u s b 还是一项较新的技术，只有少量的工程师具有 此方面的经验，可参考的资料和相关程序代码等比较有限。 综上，嵌入式系统中的u s b 主机技术有着比较高的研发难度，但同时在移动 领域的应用却越来越多。所以这项技术值是得我们花时间去研究和发展的。由于 u s b 主机技术研发涉及难点较多，本文在现阶段研发时采用协议较为简单的 u s b l 1 技术和f a t l 6 文件系统。在技术成熟后，再对其进行升级，从而更好的实 现u s b 主机技术的应用。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 课题研究内容及论文结构 本文所阐述的机车瞬时故障检测记录仪u s b 主机采用d s p + u s b 主机通信构 架，通过对u s b l 1 协议的充分理解以及对f a t l 6 文件系统的分析，对以c 5 5 0 9 和u s b 主机控制器接口芯片c h 3 7 5 为主的数据采集系统进行硬件设计和软件编 程。并在此原理上给出相应的实现方案并进行结构优化，在没有p c 机参与的情况 下，实现故障数据的转储。即通过u s b 主机将故障记录仪存储的故障数据以文件 形式存储到u 盘中去。硬件设计主要解决地址分配与接口电路设计问题。软件编 程的主要任务是u s b 底层通讯协议的构建和f a t l 6 文件系统的构建与优化。 1 3 1 论文的结构安排 第一章：绪论。在本章中介绍项目背景以及u s b 主机技术的现状与开发难 度，提出本课题所研究的主要工作内容，并简单介绍论文的结构安排。 第二章：构成故障记录仪u s b 主机的关键技术。根据机车瞬时故障检测记录 仪的特点，结合u s b 主机的实际情况，提出相应技术方案。对本文所涉及的关键 技术问题进行分析与介绍。 第三章：基于d s p 的u s b 主机硬件设计。采用1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9d s p 作为系 统核心，完成与c h 3 7 5 通信接口设计与c p l d 时序控制。对电源和时钟接口电路 也做了讨论。 第四章：系统软件的开发。实现基于海量存储设备类型的u s b 主机通信方案， 实现文件系统构建，完成数据转储功能。 第五章：功能调试与应用。具体阐述了机车故障检测记录仪调试环境与实验 过程，给出实验结果 第六章：总结与展望。 参考文献 4 构成故障记录仪u s b 主机的关键技术 2 构成故障记录仪u s b 主机的关键技术 本章着重讨论构建u s b 主机所涉及的u s b 技术和文件系统技术。故障检测方 法及故障记录仪其它方面的技术不是本章讨论的重点。 2 1u s b 技术 本文设计了基于c h 3 7 5 的u s b 主机方案，该方案基于对u s b 技术体系的全 面了解。下面将从u s b 体系结构、u s b 物理接口特性、u s b 数据通信结构、u s b 标准描述符、u s b 设备枚举和海量存储协议等方面详细介绍u s b 技术。 2 1 1u s b 体系结构 u s b 总线是一种查询总线，由主控制器启动所有主机与即插即用设备之间的 数据传输。u s b 总线上所挂接的外设都通过主机调度，基于令牌协议来共享带宽。 u s b 总线系统允许自由的添加，使用以及删除一个或多个即插即用设备。其基本 拓扑结构为阶梯式星系结构。拓扑结构如图2 1 。 图2 1u s b 拓扑结构 f i g u r e2 - lu s bt o p o l o g y 一个完整的u s b 总线系统可分为三个部分：u s b 主机s b h o s t ) 、u s b 设备 ( u s b d e v i c e ) 以及它们之间的通信。每个u s b 逻辑设备都是直接与u s b 主机相连 理链路。在逻辑上，主机为每个设备提供独立的逻辑链路，每个设备都有各自的 点对点连接。为了细化u s b 通信机制，u s b 协议采取分层概念，系统分为三层， 每一层数据结构对其他层是透明的，如图2 2 所示。 1 ) u s b 总线层提供u s b 数据底层传输。这层是u s b 数据实际传输，一方是 u s b 主机控制器，实际是总线在u s b 主机方面的接口。另一方是u s b 设 备接口； 2 ) u s b 设备层提供实际u s b 通信机制和功能设备所要求传输特性。该层e h u s b 主机方面的u s b 系统软件和u s b 设备方的逻辑设备组成。系统软件 确定u s b 传输机制具体细节，为u s b 设备分配通信带宽。u s b 逻辑设备 6 构成故障记录仪u s b 主机的关键技术 代表端点集合，客户程序通过端点和功能单元通信。u s b 系统软 备描述符了解端点并分析，获取设备传输特性； 3 ) 功能层描述所有作用于u s b 设备的软件接口，当u s b 设备被检 信软件即可直接作用于u s b 设备软件接口。u s b 主机端通信软件为特定 u s b 设备而在主机上运行的软件。 2 1 2u s b 物理接口特性 1 机械特性 任何两个u s b 组件的连接都是双向的，为从连接件上区分，u s b 协议规定两 种接插件：a 型接插件和b 型接插件。a 型接插件插头上行指向并连接到主机系 统，来自u s b 设备。a 型插座位于u s b 主机或u s bh u b 上，为下层设备提供连 接点。b 型接插件插头下行指向并连接到下层u s b 设备，来自u s b 主机或u s b h u b 。b 型插座位于u s b 设备或u s bh u b 。两种类型接插件不能简单互换。标准 u s b 电缆由a 型插头，b 型插头和电缆线组成。u s b 协议对接插件尺寸做了严格 规定。如图2 3 所示。 s e r i e s ”a ”p l u g sa f e a l w a y so r i c m c du p s t r e a m t o w a r d st h eh o 醴s y s t e m ”a ”r e c e p t a c l e s ( d o w w s t r e a mo u t p u t 加坍t h eu s b h a s t o r h u b ) ”a ”p l u g s ( f r o mt h e u s b d 刚c 由 s e r i e s ”b ”p l u g s 龇 a l w a y so r i e n t e d d o w n s t r e a mt o w a r d st h e 砖bd e r t c e ”b ”r e c e p t a c l e s ( 印叻收脚i n p u t 船t h e 瑚d c v i c 2o r h u b ) ”b ”p l u g s ( f r o m 坊口 h o s ts y s t e m ) 囫 图2 3u s b 连接器 f i g u r e2 3u s b c o n n e c t o r s 标准u s b 电缆均为4 线结构，如图2 - 4 所示，电源线为v b u s ，地线为g n d ， 差模数据信号线为d + 和d 两根。 7 北京交通大学硕士学位论文 v b u s 阱 胁 g n d v b u s d + d - g n d 图2 _ 4u s b 电缆模型 f i g u r e2 - 4u s b c a b l em o d e l 2 电气特性 u s b 电气特性描述了端口驱动、传输电平、编码结构、位同步和供电方式等。 u s b 差分驱动器产生差分数据信号，信号发送不关心电平高低，只要求两端电压 差保持在1 3 2 0 v 之间串行数据传输采取n r z i 编码( n o n er e t u r nz e r o i n v e r s e ， 非归零码) 编码方式。在该方案中，“1 表示电平不变，“o ”表示电平翻转。 在u s b 总线供电模式下，u s b 设备最多从总线获取5 0 0 m a 电流，总线为每个 设备至少提供1 0 0 m a 电流。u s b 设备挂起后，支持省电模式。当设备进入挂起状 态，消耗电流不超过5 0 0 u a 。若3 m s 内没有检测到总线行为，设备即进入挂起状 态。当设备唤醒时，必须限制总线电流来保证设备处于恢复过程。设备从集线器 获取的电流不能超过端口最大电流允许值。 2 1 3u s b 数据通信结构 u s b 协议中的核心内容是底层数据通信结构部分，其中包括最基本的数据传 输单元、数据传输类型、数据传输机制和数据交换流程等。 “包 是u s b 协议中的基本数据单元。每包含有一个完整u s b 信息。按照其 在整个u s b 数据传输中的作用分为不同的三类：令牌包、数据包和握手包。他们 之间的区别由更小单元“域来划分。域分七种类型：同步序列域、包标识 域、地址域、端点域、帧号域、数据域和校验域。以包为基础，u s b 协议定义4 类传输类型：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、批量传输( b u t k ) 、同步传输 ( i s o c h r o n o u s ) 。每种传输方式又具体由很多事务完成。每笔事务由底层包组成。图 2 5 标识了域、包、事务和传输之间的联系。 8 构成故障记录仪u s b 主机的关键技术 口0 图2 5u s b 协议中域、包、事务和传输之间的联系 f i g u r e2 - 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i e l d , p a c k e t , s e r v i c e sa n dt r a n s p o r ti nu s bp r o t o c o l 1 u s b 总线上的二进制序列域( f i e l d ) u s b 协议对一系列二进制数有自己固定的定义，域。主要分为以下几类： 1 ) 同步域( s y n cf i e l d ) ：同步域用于本地时钟和输入时钟信号同步，长度为 8 位，值固定为“0 0 0 0 0 0 0 1 。同步域会产生最大边缘转换密度序列( e d g e t r a n s i t i o nd e n s i t y ) 。同步字段里的最后的2 位是同步字段结束的记号，并 且标志了包标识符的开始； 2 ) 包标识域( p a c k e ti d e n t i f i e rf i l e d ) ：位于同步域之后，是包类型检错手段。 由4 位标识符和其4 位反码组成，长度为8 位。在u s b l 1 协议中使用了 1 0 种标志域。具体标志符类型见表2 1 所示。主机和所有功能部件都必须 对得到的全部p i d 字段实行完整的译码。任何收到的包标识符，如果含有 失败的校验字段，或者经译码得到未定义的值，则该包标识符被假定是被 损坏的，而且包的余项将被包接收机忽略( i g n o r e ) 。如果一个功能部件 ( f u n c t i o n ) 收到了包含了它所不支持的事务类型或方向的合法包标识符， 则不必应答； 9 北京交通大学硕士学位论文 表2 - 1 标志符类型 t a b l e2 1i d e n t i f i e rt y p e p i d 类型名称描 述 【3 ：0 】 o u t 0 0 0 1 b从主机到设备的传输事物中指定设备的地址和端点 玳 1 0 0 1 b从设备到主机的传输事物中指定设备的地址和端点 令牌包 s o f0 1 0 1 b 帧开始( s o f ) 的标记，其中包含帧号 s e t u p1 1 0 1 b是一次控制传输的开始，主机和设备之间建立一个 管线，指定设备的地址和端点 d a t a 00 0 1 l b 偶数据包的包标识( p i d ) 数据包 d a ：r a l1 0 1 1 b 奇数据包的包标识( p i d ) a c k0 0 1 0 b接收设备成功接收到数据包 握手包n a k 1 0 1 0 b接收设备不能接收数据，或发送设备不能发送数据 s t a l l1 1 1 0 b通信端点挂起，或一个控制管道请求不支持 专用包p r e1 1 0 0 b主机发送的前导包，用于开始下行总线的低速传输 3 1 地址域( a d d r e s sf i l e d ) ：存放设备在主机上地址，具有唯一性。地址域由7 位二进制数组成，最大地址容量为1 2 8 。而地址0 被命名为零地址，是设 备第一次连接到主机时的缺省地址，不能被配置。故u s b 主机最大识别 设备数为1 2 7 ； 4 1 端点域( e n d p o i n tf i l e d ) ：为同一个设备的不同传输方式所进行的端点配置。 使具有多个端点的设备有更加灵活的寻址能力。长度为4 位。端点实际代 表u s b 设备中的物理数据缓存区，每一次u s b 数据传输是在特定端点和 主机间进行的。对于低速( l o ws p e e d ) 设备，每个功能部件最多提供3 个管 道：在端口o 的控制管道加上2 个附加管道( 或是2 个控制管道，或是1 个控制管道和1 个中断端口，或是2 个中断端口) 。全速( f u l ls p e e d ) 功能 部件可以支持最多可达1 6 个的任何类型的端口； 5 ) 帧号域( f r a m en u m b e rf i l e d ) ：提供帧号，长度为1 1 位。由u s b 主机生成， 只能在s o f 包中传送，在同步传输中有重要意义。主机每发送一个s o f 包，帧号自加一。当帧号为7 f f h 时归零，下一帧号重新回到o h ； 6 ) 数据域( d a t af i l e d ) ：传输数据，数据长度从o 到1 0 2 3 字节。在不同传输 类型中数据域长度不同，但必须为整字节数据； 7 ) 校验域( c r cf i l e d ) ：u s b 总线采用c r c 校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k s ， 循环冗余校验) ，由硬件完成； 1 0 构成故障记录仪u s b 主机的关键技术 8 ) 包结尾域( e n do f p a c k e tf i e l d ) ：表示一个包结束。 2 u s b 总线上的基本数据单元咆 包是u s b 协议中最基本的数据单元。是由一系列域组成。包的类型有三种： 令牌包、数据包和握手包。包类型不同，其包含的域也不同。但第一个域一定是 同步域，且由硬件自动处理。 1 ) 令牌包( t o k e np a c k e t ) ：只有主机才能发出令牌包，根据标识域不同可细 分为：设备包s e t u p 、输入包n 、输出包o u t 和帧起始包s o p 。图2 6 和2 7 为令牌包格式。 8b i t s7b i t s 4b i t s 5b i t s 图2 - 6s e t u p i n o u t 令牌包格式 f i g u r e2 6s e t u p i n o u tt o k e np a c k e tf o r m a t 8b i t s1 1 b i t s5 b i t s 图2 7s o p 令牌包格式 f i g u r e2 - 7s o p t o k e np a c k e tf o r m a t 2 ) 数据包( d a t ap a c k e t ) ：根据标识域不同，可以分为d a t a 0 和d a t a l 两 种包。进行数据传输时，若数据长度大于端点容量则交替采用d a t a 0 和 d a t a l 两种包格式，并以此来保证数据传输的连贯性和正确性。数据包结 构如图2 8 所示。 图2 - 8 数据包格式 f i g u r e2 - 8d a t ap a c k e tf o r m a t 3 ) 握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) ：用于报告数据传输状态。只有同步域和标识 域组成。格式如图2 - 9 所示。 8b i t s 妇 图2 9 握手包格式 f i g u r e2 9h a n d s h a k ep a c k e tf o r m a t 北京交通大学硕士学位论文 2 1 4u s b 总线传输类型 u s b 总线传输是u s b 面向用户的最高级数据结构，由主机发起，设备只作响 应。u s b 协议定义了四种数据传输类型：控制传输、中断传输、批量传输和同步 传输。用以满足不同类型数据传输的需要。 1 ) 控制传输( c o n t r 0 1 ) ：每个设备必须在端点0 的默认管道支持控制传输。控 制传输使用两个或三个传输阶段的结构，包括初始设置阶段、数据阶段和 状态阶段。每个控制传输必须有设置阶段和状态阶段。数据阶段则可以选 择。控制传输是双向传输，所以其消息管道同时使用端点的输入输出地址； 2 ) 中断传输( i n t e r r u p t ) ：中断传输使用于必须在指定时间内完成传输的数据 上，一般包括键盘鼠标等设备； 3 ) 批量传输( b u l k ) ：批量传输是单方向传输。需要双向传输时必须分开使用 不同管道。适合于实时性要求不高的场合。可以传输大量数据而不会阻塞 总线。可应用于海量存储设备； 4 ) 同步传输( i s o c h r o n o u s ) ：在每一帧内必须传输一个固定长度字节数据。使 用在以固定速率或特定时间内传输数据，可容忍偶发错误。可应用于实时 语音和视频等。 本文所采用的数据传输方式为控制传输和批量传输。其中控制传输用于设备初 始化，批量传输用于大容量数据交互。 2 1 5 u s b 标准描述符 u s b 设备描述符给出了u s b 设备的通用信息。在设备枚举过程中，u s b 主机 通过这些标准描述符来确定设备类型，并做出相应配置，提供客户端驱动程序。 运行于u s b 协议上层客户端驱动程序通过这些信息访问设备并与其通信，实现即 插即用。 每一个设备描述符可能包含全部设备信息或设备中某个组建的信息。主机使用 控制传输模式来获取设备描述符。在设备枚举过程中，主机首先索取设备描述符， 构成故障记录仪u s b 主机的关键技术 巨囹臣囹 图2 1 0 标准描述符的结构关系 f i g u r e2 10t h er e l a t i o n s h i po fs t a n d a r du s bd e s c r i p t 0 1 8 2 1 6u s b 设备枚举过程 主机确认设备连接完成后，就会对u s b 设备进行初始化配置。这个过程称为 总线枚举，通过控制传输模式完成。包括设置阶段、数据阶段和状态阶段三个事 务处理阶段。其中数据阶段可包含一笔或多笔事务处理。每个控制传输过程都必 须有设置阶段和状态阶段。数据选择阶段则是选择性的。 设备的枚举包含以下六步： 1 ) u s b 设备接入u s b 总线，主机至