（电力电子与电力传动专业论文）dsp控制的新型图形发生器硬件单元技术的研究.pdf

t e c h n i c a lr e s e a r c ho nh a r d w a r eu n i to f n e wp a t t e r ng e n e r a t o r c o n t r o l l e db yd s p x i u p e n gy u a n ( p o w e re l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db y h o n g x u e e l e c t r o nb e a m l i t h o g r a p h y m a c h i n ei sa l a r g ep r e c i s e d e v i c eu s e di nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o ni n d u s t r ya n dm i c r o - f a b r i c a t i o n t h ep a t t e r ng e n e r a t o ri sak e yu n i t o ft h ea b o v es y s t e m t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h ei n t e r f a c er e a l i z a t i o no ft h ep a t t e r ng e n e r a t o r a n dd e s i g no f t h e a da n dd ac o n v e r t e r s t h ei n t e r f a c eo ft h ep a t t e mg e n e r a t o rb a s e so nt h ep r o t o c o lo fu s b1 1 i nt h i sp a p e r t h e p a p e r i n t r o d u c e st h ep r o t o c o ls i m p l y , t h e ns h o w sh o w t or e a l i z et h es o f t w a r ep r o g r a m m i n gi nt h e i n t e r f a c ei nd e t a i l t h e d e s i g no f a d c o n v e r t e ri ss t u d i e di nd e t a i li nt h ep a p e r i t sc o r ec h i pi sa d 9 2 2 3o f a d l c o m p a n y , a n dt h ep r e - a m p l i f i e r , d r i v i n gc i r c u i ta n d s t a n d a r ds u p p l ya l ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fb a c k s c a t t e r i n gs i g n a li ne l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p hm a c h i n e t h ea dc o n v e n e r h a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：1 t h er a n g eo fv i n ( i n p u tv o l t a g e ) i s0 - 2 v ；2 i t ss t r u c t u r ei ss i m p l ea n d s t a b l e ；3 t h ei n t e r f a c ei se a s yt oc o n t r o la n dh a se x c e l l e n te x t e n s i b i l i t y t h e d e s i g n e dd ac o n v e r t e ri n c l u d e s t h em a i nd a ，t h er o t a t i o nd a ，t h ed i s p l a c e m e n td a ， a n dt h eg a i nd a t h ec o r ec h i po f t h em a i nd ai sd a c i l 4 6 ，w h i l el t c l 5 9 7 i st h ec o r ec h i po f t h eo t h e rt h r e ed a s k e y w o r d e b e a ml i t h o g r a p h y , p a t t e r ng e n e r a t o r , a dc o n v e r t e r , d ac o n v e r t e r , u s b 中国科学院研究生院硕士学位论文 第一章引言 1 1 电子束曝光技术概述 第一章引言 微电子技术是2 0 世纪后期2 l 世纪新技术革命的主要内容和重要标志，它促 进了一大批高新技术的兴起和发展。微电子技术的迅猛发展与广泛应用正深刻影 响着人类生活的各个方面，尤其在进入信息社会后，微电子技术已经成为整个社 会进步和发展的基础。因此，目前各国都投入了大量的人力、物力和财力来对微 电子工业进行了大规模的研究和发展。微电子工业已经成为衡量个国家科学技 术水平的重要标志之一。“1 微纳加工技术是制造微米尺寸量级和纳米尺寸量级微小结构的加工技术的 总称。目前，对微纳加工还没有公认一致的定量性定义。一般认为微米级加工足 指制作0 1 微米( 1 0 0 纳米) 到1 0 0 微米尺寸的微小结构的加工技术。其中从0 1 微米到1 微米，就是通常所说的亚微米和深亚微米范围。纳米级加工是指制作1 纳米到1 0 0 纳米( 0 1 微米) 尺寸的微小结构的加工技术。大于1 0 0 微米( o 1 毫米) 的加工已是传统的精密加工技术。 电子束曝光技术是在扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e 。 简称s e m 或扫描电镜) 基础上发展起来的利用电子束对微细图形进行直接描画投 影复印的图形加工技术。其研究始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 0 年，由德国杜平根 大学的g m o l l e n s t e d t 和r s p e i d e l 首次提出利用电子显微镜在薄膜上制作 高分辨率图形。1 9 6 4 年英国剑桥大学的a n b r o e r s 发表了利用电子柬制作 1 m 线条的技术。1 9 6 5 年t h p c h a n g 在剑桥大学研制成功世界上第一台飞 点扫描电子束曝光机，并由剑桥仪器公司作为商品投入市场。1 9 7 0 年法国汤姆 逊公司( t h o m s o nc s f ) 首先成功地将激光干涉定位系统应用于电子束曝光系统， 组成了一台完善的电子束曝光机。2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代人们研究开发了一 系列新技术，如成形电子束、可变矩形电子束、光栅扫描电子束曝光技术等。电 子束曝光技术是在微电子技术发展到一定阶段而产生的微细加工专门技术，它的 发展促进了微电子技术的发展，使加工精度能够由微米级进入亚微米、深亚微米、 纳米级。“ 中国科学院研究生院硕士学位论文基于d s p 的新型图形发生器的实用化研究 电子束曝光是在有机聚合物( 电子抗蚀剂) 薄膜上进行的，以获得高分辨率 的电子抗蚀图形为目的。电子束曝光有如下两条优于普通光学曝光性质。( 1 ) 电 子束曝光的分辨率高。由于受光的衍射等特征的限制，光学光刻技术很难加工 0 1 3um 以下的特征线条。通过改进曝光光源、利用波前工程可以进一步通过光 学曝光的分辨率。现在光学光刻的极限分辨率可以达到0 5 倍的光源波长。但是 实际光学光刻的极限将是o 0 7um 。而电子束的波长极短，约o 0 1 到0 0 0 7 n m 之间，其衍射效应远小于光的衍射，故曝光分辨率高。( 2 ) 电子束曝光制造掩模 版能力强。若用普通光学曝光制版，需要经过原图绘制、初缩、精缩兼分步重复、 复印阴版、复印阳版等工艺过程。而用电子束曝光制版则直接一次刻写即成，速 度高、缺陷少。“1 电子束曝光技术按其工作原理可分为扫描电子束曝光技术和投影式电子束 曝光技术两大类。扫描电子束曝光技术是在二十世纪六十年代扫描电镜技术的基 础上发展起来的。1 9 6 8 年日本电子光学试验室( j o e l ) 研制出j b x 一2 a 型扫描电 子束曝光机，同年英国剑桥仪器公司( c a m b r i d g ei n s t r u m e n tc o ) 也生产出 e b m f 型电子束曝光机。到七十年代末就出现了多种新型的电子束曝光机。到二 十世纪九十年代中期，全世界已安装使用的商用电子束曝光机达3 0 0 多台，大多 分布在美国、日本和西欧。 图1 1 是扫描电子束曝光示意图，曝光过程大致如下：电子枪产生电子束， 经过聚焦线圈聚焦后，成为直径为亚微米、纳米级的电子探针。这样细的电子束 图1 1扫描电子束曝光系统示意图 在鼻，y 两个方向的偏转系统的作用下，在涂有抗蚀剂的硅片上进行扫描曝光a 电子束是一点接一点的形式扫描曝光产生出各种电路线条图形的。例如，要在抗 中国科学院研究生院硕士学位论文 第一带0 f 击 蚀剂上曝光一个矩形图形，电子束就在计算机的控制下偏转到这个矩形的起始位 置e 。，y o ) ，然后一步一步地偏转电子束，实现扫描曝光，直到这个矩形的终点 位置( x l ，y 1 ) 为止。当一个矩形图形曝光完毕之后，计算机控制束闸关掉电子束， 等到下一个图形数据准备好之后，再打开束闸，然后在偏转系统的作用下，再进 行下一个图形的曝光。当偏转场内的图形全部曝光完毕后，工件台移动段距离， 电子束开始下一个偏转场的曝光，这样一个场一个场地进行，直到完成整个硅片 上的图形曝光。u - 扫描电子束曝光机主要由电子束发射聚焦系统、偏转系统、真空系统、控制 系统等几个部分组成。其中控制系统的核心是图形发生器。图形发生器是电子束 曝光系统中的一个关键部件。该部件位于计算机和高精度数模转换器及扫描用高 精度偏转放大器之间。其主要作用是将计算机送来的曝光图形数据进行处理，由 图形发生器中的硬件单元依次产生电子束曝光机要曝光的各点x 、y 座标值，再 将这些值经过高速度、高精度数模转换器( d a ) 变换成对应的模拟量，驱动高 精度偏转放大器以控制电子束沿x 、y 方偏转，对承放在激光工作台上的掩模或 硅片进行扫描曝光。同时，图形发生器根据不同的工作状态，还要驱动束闸部件， 控制电子束接通或切断。此外，图形发生器还要把计算机送来的扫描场尺寸、场 旋转，偏转放大器增益调整数据，场畸变数据，曝光剂量调整数据、激光工件台 定位误差数据经过数模转换，送至偏转放大器求和，偏转放大器控制电子束偏 转，使得激光工件台的位置误差，场畸变等误差在加工过程中都能得到精确校正a 另外，另外它还通过高速高精度模数转换器( a d ) 将扫描到的标记检测数据实 时的传到计算机里进行处理。 电子束曝光控制系统如图1 2 所示，主要进行三个方面的控制。第一，对束 闸机构的控制，实现电子束的通断；第二，对偏转系统进行控制，实现电子束的 偏转扫描；第三，对工件台的移动进行控制，实现图形拼接。前两个功能主要通 过图形发生器来实现。在一些电子束曝光系统中，第三项功能也由图形发生器来 完成。由此可见，电子束曝光系统的控制主要由图形发生器来完成的。图形发生 器不仅控制束闸的通断和电子束的偏转，同时还要进行数据处理和与上位机( 如 计算机) 进行通讯。所以说图形发生器是扫描电子束曝光机的核心部件之一，其 执行速度和数据处理结果直接关系到曝光的质量。因此进行相关的研究和开发对 中国科学院研究生院硕士学位论文 基于d s p 的新型图形发生器的实用化研宄 于电子束曝光技术来说都具有重要的意义。 图l _ 2 扫描电子束曝光设备控制系统原理图 图形发生器主要由通信接口单元、数字处理单元、数模模数转换单元组成。 通信接1 3 单元负责处理图形发生器和计算机的通信，接收来自计算机的控制命令 和曝光图形数据，同时将标记检测等数据上传到计算机。数字处理单元主要负责 处理计算机送来的曝光图形数据，产生电子束曝光机要曝光的x 、y 坐标值，再 将这些坐标值送给高精度数模转换器；同时数字处理单元还负责处理标记检测数 据和束闸控制命令等。图1 3 是一种图形发生器的结构框图。 图1 3图形发生器结构示意图 中困科学院研究生院硕i ：学位论文第一章川击 1 2 图形发生器研究概况 高精度、高生产率是电子束曝光技术始终追求的目标，图形发生器是刻画图 形的执行机构，它的性能直接决定电子束曝光系统能否精确、高效地刻画用，满 意的图形。目前国内使用的图形发生器一般采用中小规模集成电路，存在图形运 算速度慢、体积大、耗电大、效率低、工作极不稳定、故障多等诸多缺点，加上 采用模拟校j 下技术更加难以调整，校正精度差，干扰大，难于维护。在国外，九 十年代以来，为了能产生曲线边界的基本图形单元，很多公司和实验室都作了很 多的探索，在原有的图形发生器的基础上，进行改造舟级，增加以d s p 为： = _ = 要部 件的新的单元使原有的图形发生器在能产生传统的单元图形( 如矩形，梯形， 三角形等直线图形) 的基础上，具备了处理二次甚至是三次曲线边界图形的能j 。 1 2 1i b m 公司的研究情况“” 陶1 4 是i b m 公司在1 9 9 3 年前后对它的6 0 年代的机器改造升级历的系统 图。”1 其中加黑的部分是他们新加的硬件单元，主要分两个部分，一个是位于图 图1 4i 酬升级后的电子曝光系统 下方的二次曲线单元图形发生器，它主要负责将含有二次边界曲线的图形进行分 割，分割好的数据文件存到硬盘中。另一个是位于图上方的d s p 和双端口r a m 。 中固科学院研究生院坝 。学位论文基于d s p 的乒型蚓彤发生器的实用化硎究 3 2 位浮点型d s p 主要用来实现曲线边界参数的计算，它通过双端口r a m 和微 控制器a m d 2 9 1 1 6 通讯。处理一个曲线单元图形时，整- i 、机器能很好的协调起 来。当直线扫描到第n 点时，微处理器就从缓冲器装载第n + 1 个点的参数，并 作适当处理后，放到扫描寄存器里去。与此同时d s p 计算第n + 2 点的参数，并 把它存到双端口r a m 里。改进后的曝光系统曝光的均匀性很好。 i b m 公司在9 3 年改造的基础上，又对7 0 年代的机器进行了改造，对图形发 生器的硬件和软件算法，包括数据的分割存储、二次曲线边界单元图形的格式等 作了全面的改造升级。不过这次升级的目的主要还是针对实现对曲线图形的处 理。图1 5 是升级后的i b mv s x 图形发生器“1 。其中阴影部分是新加的单元。 它的处理过程是，首先微控制器将数据格式读入到图形发生器的寄存器的同时相 应地读入到c s ( c e l ls t o r a g e ) 中，这样d s p 和控制器同时对个曝光数据进行 判断，从而决定由谁来执行此次运算。当进行非曲线运算时，所有操作均由微控 制器完成，d s p 在这对处于等待状态；当判断出要进行曲线计算时，微控制器 图1 5i b mv s x 图形发生器 负责计算主场d a c 数据和步进频率，而d s p 则根据读入的参数按照一定的算法 进行计算，然后将扫描数据( 如起始点和扫描长度) 存储在双端口r a m 中，完成 中国科学院研究生院硕士学位论文 第一章引言 后发出指令让微控制器将这些数据发送出去。该图形发生器的常规图形格式需要 占用1 2 1 6 字节，而曲线图形则需要占用7 0 个字节，因此需要进行数据压缩以 减少存储占用空间和计算速度。 1 2 2 劳伦斯一伯克利国家实验室的研究情况“1 图1 6 是劳伦斯一伯克利国家实验室研制的电子束曝光系统的数据通道图。 数据首先被i 4 8 6 主机通过e i s a 总线，以2 m b s 的传输率送到v m e 模块( 以数 字处理器组为核心的数据处理模块) ，在这里有一组以d s p 为核心的处理器，数 据经过并行d s p 处理后由多路器协调送到差分放大器放大后发送出去，在l b l d p g 模块里有一个差分接收器负责接收数据，然后通过总裁器将其送到主场和 子场d a c s 转化成模拟信号，再经过偏转放大器驱动偏转器。 控制计算机 v m e 模块 图1 6 系统数据传输通道 图1 7 是一组并行的d s p 处理器，由一个主控d s p 和三个从d s p 组成，主 中国科学院研究生院硕士学位论文 基于d s p 的新型图形发生器的实用化研究 控d s p 负责接收和协调各个从d s p 的工作，三个从d s p 分别处理不同的单元图 形，采用并行工作方式。因为在设计上留有扩展余地，如果需要，还可以增加从 d s p 的数量，以便更快更好地处理更多的单元图形。 撕幽c “地f m a 嗣r r c o n t r o l l r 粒强喳x p r o c t s s o r s 图1 7 并行c 4 0 处理器的图形发生器 1 2 3 德国t u b in g e n 大学a n g e w a n d t ep h y s i k 研究所的研究情况肛1 a n g e w a n d t ep h y s i k 研究所是在参考了劳伦斯一伯克利国家实验室和i b m 公 司9 3 年前后研究的基础上，在硬件和算法上作了一些改进后研制出了一个能产 生三次曲线边界单元图形的图形发生器。他们研制的图形发生器的结构包括：直 接数字合成时钟、场校正单元、用于控制和处理数据的标准的p c 接口。图1 8 是 用f p g a 实现的三个加法器。 1 0 4 1 6i * 1 6 1 0 h - 1 6 6 - + 2 b r 0 ) + b + q 0 ) 图1 8三次多项式发生器 d p ( 挎) d o 址 中周利学院研究生院硕一l 学位论文 第一章引言 三次边界曲线图形的的实现算法如下 p ( n 1 = f i n 3 + b n 2 + c h + d p ( n + 1 ) = p ( n ) + 3 a n 2 + ( 3 + 2 b ) n + a + b + c 令 q ( n ) = 3 a n 2 + ( 3 口+ 2 b ) n + a + 6 + c 则有p ( n + 1 ) = 尸( n ) + q ( n ) q ( n + 1 ) = q ( ) + r ( n ) 其中r ( n 1 = 6 a n + 6 口+ 2 6 r ( n + 1 ) = r ( n ) + 6 a j p ( o ) = d 初始化参数：q ( o ) = 口+ b + c r ( o ) = 6 a + 2 b 1 2 4 国内的研究情况 在国内，进行电子束曝光系统图形发生器研制的研究机构很少，到目前为止 技术也不是很成熟，长期以来中国科学院电工研究所微纳电加工实验室在这方面 作了些探索性的研究。先有9 6 研究生刘浩研究了直接产生梯形的图形发生器”1 i l o i 。它的主要特点是：1 ) 在接受主机给予的梯形参数后，由硬件直接产生梯形 各个象素的坐标值。2 ) 所要处理的梯形的底边必须平行于x 轴或者y 轴，但对底 边与腰之间的角度没有限制。3 ) 扫描误差小于等于l 2 步距。图1 9 是他的原 理示意图。“1 图1 9直接产生梯形的图形发生器的原理示意图 中国科学院研究生院硕士学位论文 基于d s p 的新型图形发生器的实用化研究 9 8 届研究生王振华提出了基于d s p 的新形图形发生器的思路，在这方面也 作了很多的研究工作。图1 1 0 是方光荣老师和他提出的图形发生器的系统方框 图。“”该图形发生器系统由数字信号处理器( d s p ) ，e p p 增强型并行接口及总 线转换单元，程序存储器( e p r o m ) ，数据动态存储器( r a m ) ，曝光控制器， 数字校正单元，曝光数据传送寄存器等组成。 1 3 课题意义和任务 图1 1 0 图形发生器系统框图 目前国外多家公司开始将研究重点转向由扫描电镜配上高速度高精度图形 发生器和激光工件台来组成电子束曝光机系统，主要用户为大学实验室和科研单 位。以德国的r a i t h 公司为例，他们针对s 踟用户的需求，为扫描电镜配备图形 发生器，把扫描电镜改装成电子束曝光系统，先后推出了r a i t h1 5 0 极高分辨率 电子束曝光系统、r a i t h5 0 通用电子束曝光系统和e l p h yp l u s 图形发生器和 e l p h yq u a n t u m 纳米级图形发生器。“” 该公司的电子束曝光系统，在全世界已经销售了近2 5 0 台。从r a i t h 公司的 成功可以看出，通过改造s e m 组成的电子束曝光机具有非常广阔的市场前景，但 是同时应该看到基于s e m 组成的电子束曝光机对图形发生器的要求更高了。 本课题的任务就是分析比较国内外研制的图形发生器，从中总结经验，吸收 好的设计思想，从应用实际出发，为“中国科学院知识创新工程重大项目：纳米 电予束曝光系统实用化”设计出曝光速度快、分辨率高、能生成多种图形单元的 中国科学院研究生院硕士学位论文 第一章弓i 言 实用型图形发生器。“” 课题主要分为两部分：一是图形发生器硬件设计和实现，一是曝光机图形算 法在d s p 上的实现。图形发生器从上位机读取曝光文件数据并传送给d s p ，d s p 根据不同的图形数据调用相应的处理模块，实时地计算出曝光点的坐标，然后将 坐标数据发送给相应的数模转换器转换器，实现电子束的偏转和通断。同时图形 发生器还要实现标记扫描功能等。 图形发生器的硬件设计比较复杂，包括以d s p 为核心的数字处理单元的设 计、u s b 通信接口的设计、高精度数模转换器的设计、模数转换器的设计等。 本人主要负责u s b 通信接口、高精度数模转换器和模数转换器的设计与调试。 中国科学院研究生院硕士学位论文 第二章u s b 通信接口 2 1 通信接口概述” 第二章u s b 通信接口 图形发生器需要从上位机将曝光数据传到d s p ，从而进行相应的处理；还要 将标记检测结果读入到上位机中。同时还需要通过上位机控制图形发生器进行状 态检查，功能选择等操作。这就涉及到d s p 与上位机的通信问题。 根据图形发生器的特点，对上位机和图形发生器的通信接口单元要求有以下 几点：很强的纠错能力；较高的传输速率：传输距离5 米：友好的开发环境。 图形发生器需要通过通信接口单元接收上位机发送的d y s l 格式数据和控制 信号，同时上位机需要通过接口单元读取标记检测和其他一些数据。同时还需要 对不同的数据格式进行相应的操作，这些数据操作具体可分为以下几种： d y s l 曝光格式数据操作 在进行曝光之前，曝光图形文件在上位机通过专用的格式转换软件进行图形 分割、翻转等操作，分割成矩形、梯形和圆形等基本图形单元格式，并按照规定 的格式保存在文件中。该文件的格式是在c i f 格式的基础上通过进一步的扩展而 得到的。在文件的开头有相应的标记字符，包括文件格式、文件大小和基本单元 图形个数等等。在进行曝光数据传输时，上位机先将文件开头的标记字符发给图 形发生器的通信接口单元，接口单元在获得相应的信息后，得知要传送的曝光格 式数据包个数和大小等，然后将这些曝光格式数据相应地读出到f i f o 中，并由 数字信号处理单元读取并处理这些数据。 标记检测数据操作 图形发生器在完成标记检测后，将检测结果存放在f i f o 中，然后向通信接 口单元发出电平信号，表示数据可以读取。接口单元接收到该信号后，并向上位 机发送相应的数据包，其中包括标记检测的数据。上位机软件在得到相应的信号 后，通过通信接口单元进行标记检测数据的读取。 控制数据操作 图形发生器的控制数据大致可分为三种：曝光标记检测控制数据、曝光控 制数据和标记检测控制数据。通信接口单元根据不同的控制字符执行相应的操 1 2 中固科学院 j f 究生院坝l 学位论文基十d s p 的新型图形发生器的实用化 i j f 究 作。 经过对现有的接口方式在传输速率、电缆长度、应用范围等多方面考虑，分 析结果如表2 1 所示。 表2 1几种常用接口方式的比较 i e e e 4 8 8s c s ie p pi e e e l 3 9 4 u s b 0 5 l1 01 21 2 5 2 5 5 01 5 1 2 4 8 0 传输速度 m b v t e s s e cm b y t e s s e c m b y t e s s e cm b y t e s s e c m b i t s s e c 最大电缆 8 3 ( 8 位) 6 1 54 55 长度( m )( 1 6 位) 高速磁盘存微机外围低 磁盘存储和 通用设备以 应用范围仪表仪器外围高速设 储速设备中低速为主 备 p c i i s as c s i 卡+ 终微机主板都主要以m a c微机主板都 硬件支持 i e e e 4 8 8 卡端器支持机型为主支持 自带开发程 s c s i 命令和 w i n d o w s 通自带开发程w i n d o w s 通 开发环境自带开发软 序和函数库用编程软件序和函数库用编程软件 件 从农2 1 呵以石u s b 接门方式可以满足木系统j 要求，j c 优点址：述度 快；即插即用，方便快捷；不会有i r q 冲突的问题：自供电；开发环境友好。而 且可获得的资料和帮助比较多。所以我们选择u s b l 1 作为本课题的接口标准来 丌发图形发生器和上位机的通信接口。 2 2o s b 接口协议简介“” 随着现代科技的不断发展，工业生产和科学研究对数据传输的要求r j 益提 高。特别是随着数字信号处理器应用的日益广泛，不仅要求d s p 和其他设备例 如计算机之间要有较高的传输速率，而且希望系统具有使用方便，成本低功耗 低，纠错率高等特点。 从2 0 世纪9 0 年代以来有很多串行总线问世，其中最成功的便是以i n t e 为 首的七家公司于1 9 9 4 年推出的u s b 接i ：3 协议，以及美国电气和电子工程师协会 i e e e 推出的i e e e l 3 9 4 接口协议。 i e e e l 3 9 4 主要的特点是高速，但它的成本很高，所以目前i e e e l 3 9 4 只用于 中国科学院研究生院硕士学位论文 第二章u s b 通信接口 一些专用系统，数字摄像机和打印机扫描仪等数据传输速度要求较高的设备，而 不能普遍用于诸如鼠标键盘等价格较低、速度要求也不高的设备。所以确切地说 i e e e l 3 9 4 只适用于高速的计算机外部设备，而u s b 的出现正好满足了上述的要 求。 u s b 是i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 、i b m 、n e c 等公司在1 9 9 4 年1 1 月推出 的种新型串行通信标准，专门用于低、中速的计算机外设。u s b 可把多达1 2 7 个外设同时连接到用户的计算机系统上，所有的外设通过协议来共享u s b 带宽， 其1 2 m b p s 的带宽对于键盘、鼠标等低中速外设是完全足够的。在2 0 0 0 年发布 的u s b 规范版本2 0 中，已经将u s b 支持的带宽提升到4 8 0 m b p s 。u s b 允许外 设在主机和其他外设工作时进行连接、配置、使用及移除，即所谓的即插即用 ( p l u g & p l a y ) 。同时u s b 总线的应用可以清除p c 上过多的i o 端口，而以一 个串行通道取代，使p c 与外设之间的连接更容易。自从1 9 9 6 年2 月u s b 规范 版本1 0 发布到现在，短短几年间，u s b 不仅成为了微机主板上的标准端口，而 且还成为所有微机外设( 包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪 和游戏柄等等) 与主机相连的标准协议之一。这种接口方式和传统的i s a 、p c i 和e p p 等接1 2 总线相比，具有安装方便、价格低廉、易扩展、高带宽等特点， 在协议成熟以后，迅速地占领了计算机低、中速外部设备的市场，大有取代传统 串口和并口之势。 2 2 。1u s b 系统构成和传输方式 u s b 总线由以下4 个主要部分构成。 o 主机和设备：是指u s b 系统中的主要构件； 物理构成：是指u s b 元件的连接方法： o 逻辑构成：不同的u s b 元件所担当的角色和责任，以及从主机和设备的角度 出发u s b 总线所呈现的结构； o 客户软件与设备功能接口的关系。 u s b 通信的参考模型如图2 1 所示。 从图2 1 中可以看出u s b 通信的数据流的结构。主机的每一个层次分别对应 设备的相应层次，通过逻辑通道连接起来，客户软件通过逻辑连接可以直接控制 1 4 中国科学院研究生院硕士学位论文 基于d s p 的新型图形发生器的实用化研究 设备的接口模块。这种连接使得软件控制与接口一对应起来，用户使用起来i j 以更加简单、快捷。 主机 互联结构 物理设备 一管道( p i p e ) 两个同一屡次的实体之间的连接 峥数据传输机制 峥 和u s b 相关的数据传输 图2 1u s b 通信参考模型 u s b 总线有如下四种数据传输方式： 控制传输：主要用于主机把命令传给设备及设备把状态返回给主机。任何一 个u s b 设备都必须支持一个与控制类型相对应的端点0 。 中断传输：用来支持那些偶然需要少量数据通信，但服务时间受限制的设备。 中断传输常常用在键盘、鼠标和游戏杆上。 批量传输：用来传输大量数据而没有周期和传输速率的设备上。批量传输方 式并不能保证传输的速率，但可以保证传输的可靠性，当出现错误的时候会 要求发送方重发。 同步传输：以一个恒定的速率进行传输。同步传输方式的发送和接收方都必 须保证传输速率的匹配，不然会造成数据的丢失。 15 中国科学院研究生院硕士学位论文第二章u s b 通信接【 2 2 2 u s b 总线特点 u s b 总线的主要特点有： 较高的传输速率 总线协议的最重要一个指标是速度。u s b i 1 规范版本中，u s b 支持两种总 线数据传输模式，即1 2 m b p s 的全速( f u l ls p e e d ) 模式和1 5 m b p s 的低速( l o w s p e e d ) 模式。这里所说的1 2 m b p s 和1 5 m b p s 只是总线在传输数据时使用的时 钟频率，并不是有效数据的实际传输速度。实际上由于软件协议的限制，目前实 际应用中支持u s b i 1 规范的芯片所能达到的传输速率仅为几k 到几百k 字节 每秒左右。 即插即用 所谓即插即用，主要包含两个方面的内容：一是热插拔，一是自动配置。热 插拔的实现决定于物理层协议，而自动配置则主要依靠软件协议实现。 传统的串口协议并不支持热插拔，因为串口在热插拔时会产生很强的电流， 容易烧毁硬件电路和接口芯片。u s b 在这方面做了很多努力，使得热插拔在u s b 设备成为可能。u s b 采用如图2 2 所示的四线电缆来传输信号和电源。 s i t r 、i n 6 、b l 塔 d + d g n d v b m d + d g n d 图2 2u s b 电缆 其中d + 和d 是一对差模的信号线，使用+ 3 3 v 的电平，而v b u s 和g n d 则提供+ 5 v 的电源。正是由于u s b 在电缆和连接点的设计上做了处理，才使得 热拔插产生的强电流可以被安全的吸收。 自动配置指的是设备在插入h u b 的下行端口后能被主机自动识别并进行信 息交换最终使设备在整个u s b 网络中正常工作。这一功能的实现主要依靠u s b 的总线枚举( b u se n u m e r a t i o n ) 过程来实现。 低功耗 u s b 设备的供电方式有两种，即自供电( s e l f - p o w e r e d ) 和总线供电 中固科学院研究生院颂：l 学位论文捕十d s p 的新型图形发生器的实用化研究 ( b u s - p o w e r e d ) 。自供电就是设备自己提供电源，而不需要从v b u s 取得电流， 这类设备的功率不受u s b 协议的限制，设计时只需要将v b u s 用电容连接到 g n d 即可。 总线供电方式下，u s b 设备完全通过v b u s 取得电流，因此功率受到u s b 协议的限制，一般不能超过5 0 0 m a 标准接口和外设 u s b 协议体系中的外设都是非常标准的，从底层的物理和电气特性，到上层 的软件协议、数据通讯，都有明确的定义。u s b 将设备和主机都看作不同的对 象，而这些对象又是由不同的模块和子模块组成的，这样u s b 根据设备和主机 各部分的功能和实现的不同，将整个u s b 系统划分了很多的层次和模块。u s b 首先根据设备功能的不同，将其划分为不同的子类，在不同的子类中设备使用 不同的通讯协议( 如数据包的格式) ，使用不同的主机端驱动程序。而同一类的 设备往往可以共享部分通讯协议和主机端的驱动程序。这样在同一类设备中实现 了软件和硬件资源的共享，大大降低了系统的开销，也减少了开发者的工作量。 总的来说，虽然u s b 在具体应用中还存在许多的不足，但是和以往的串口 相比，以上提到的u s b 的四个优点足以说明u s b 接口在性能上有了本质上的提 高。目前u s b 正不断占领p c 的外设市场，日渐成为各种p c 外设的主流接口， 所以许多开发者为了使自己产品更容易被市场接受，往往不得不选用u s b 接口 作为产品的接口。 2 2 3u s b 的相关术语 u s b 是近几年出现的一种新型的接口方式，在硬件架构和软件协议等方面和 传统的接口方式存在较大的区别，除了在硬件结构方面有了较大改进外，同时也 引进了一些新的概念，下面就对一些概念性术语进行简单的解释。 端点( e n d p o i n t ) 每个u s b 设备在主机看来就是一个端点的集合，主机只能通过端点和设备 进行通讯，以使用设备的功能。每个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区， 这些端点在设备出厂时就定义好了。u s b 系统中每一个端点都有唯一的地址， 这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的特性，包括传输方式、总 1 7 ! 生坚塑塑壅生堕堡主兰堡堡奎 篁三兰! 竺塑堕堡旦 线访问频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等。端点0 通常作为控制端点， 用于设备初始化参数等，端点l 、端点2 等般作为数据端点，存放主机和设备 问的交换数据。 管道( p i p e l i n e ) 一个u s b 管道是主机端驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接， 它代表了一种在两者之间移动数据的能力。一旦设备被配置，管道就存在了。管 道有两种类型，数据流管道( 其中的数据没有u s b 定义的结构) 与消息管道( 其 中的数据必须有u s b 定义的结构) 管道只是一个逻辑上的概念。 2 3u s b 接口的硬件平台 本课题所采用的u s b 接口硬件平台，选用了北京瑞泰创新科技有限公司的 i c e t e k v c 3 3 一d 板。我们考虑先在这个开发平台上调试开发u s b ，等调试成功后， 再参考i c e t e k v c 3 3 - d 板设计自己的硬件电路。 i c e t e k v c 3 3 一d 板上的主芯片是t i 公司的3 2 位浮点型d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 ； u s b 接1 3 芯片是p h i l i p s 公司的基于u s b l 1 协议的芯片p d i u s b d l 2 ( 以下简称 d 1 2 ) 。它的u s b 部分的原理图如图2 3 所示。“”“8 1 d o d 7 l 卜 u s b 厂 p d i u s b d l 2 d s p t m s v c 3 37 r 控制ti 号 广 割吼。 图2 3i c e t e k v c 3 3 - d 板i j s b 部分示意图 2 4u s b 接口的固件编程 2 4 1 固件编程思想 固件设计的目标就是在d 1 2 上达到最大的传输速率。d 1 2 的固件设计成完全 的中断驱动方式。当c p u 执行前台任务时，u s b 的传输可以在后台进行。这就确 1 8 中国科学脘研究生院硕士学位论文 基于o s p 的新型目形发生器的实用化研究 保了最佳的传输速率和更好的软件结构，同时简化了编程和调试。 后台中断服务程序( i s r ) 和前台主程序循环之间的数据交换可以通过事件 标志和数据缓冲区来实现，其原理如图2 4 所示。“” 图2 4 前后台工作原理图 这种结构主循环只检查循环缓冲区内需要处理的新数据。这样主循环程序可 以专注于数据的处理而i s r 能够以最大可能的速度进行数据的传输。 控制端点在数据包处理时采用了同样的概念。i s r 接收和保存数据缓冲区中 的控制传输，并设置相应的标志寄存器。主循环向坍议处型e 程序发出请求。i l ij ： 所有的标准设备请求和厂商请求都是在协议处理程序中进行处理，i s r 得以保持 其速率。固件的积木式结构如图2 5 所示。 l主循环：发送u s b 总线请求、处理u s b 总线事件和用户功能处理等 ll l a i n l o o p c t上? 中断服务程序标准设备请求处理厂商请求处理 i s r c c l a p 一9 c p r 0 1 o d i l a c l 、， l上 lp d i u s b d l 2 命令接口 l d 1 2 c i c l硬件提取层 ie p p h a l c 图2 5 固件的积木式结构图 各个模块程序的主要分工如下： 中国科学院研究生院硕士学位论文第二章u s b 通信接口 硬件提取层：对d s p 的i 0 口、数据总线等硬件接口进行操作。 d 1 2 命令接口：对d 1 2 器件进行操作的模块子程序集。 中断服务程序：当d 1 2 向d s p 发出中断请求时，读取d 1 2 的中断传输来 的数据，并设定时间标志“e p p f l a g s ”和s e t u p 包数据缓冲区 “c o n t r o lx f e r ”传输给主循环程序。 标准请求处理程序：对u s b 的标准请求进行处理。 厂商请求处理程序：对用户添加的厂商请求进行处理。 丰循环程序：发送u s b 请求、处理u s b 总线事件和用户功能处理等。 i s r 与前台主循环通过事件标志“e p p f l a g s ”和s e t u p 包数据缓冲区 “c o n t r o l x f e r ”进行通信。 下面是事件标志“e p p f l a g s ”和s e t u p 包数据缓冲区“c o n t r o l _ x f e r ”的结构体： t y p e d e fu n i o n e p p _ f l a g s s t r u c t f l a g s u n s i g n e dc h a rt i m e r ： 时间溢出标志 u n s i g n e dc h a rb u s r e s e t ：总线复位标志 u n s i g n e dc h a rs u s p e n d ： 挂起改变标志 u n s i g n e dc h a rs e t u p _ p a c k e t ：收到s e t u p 包 u n s i g n e dc h a rr e m o t e _ w a k e u p ： 远程唤醒标志 u n s i g n e dc h a r i ni s r ：u s b 中断服务标志 u n s i g n e dc h a rc o n t r o l s t a t e ： 控制端点处理状态 o ：空闲状态；l ：数据发送标志；2 ：数据接收标志 u n s i g n e dc h a rc o n f i g u r a t i o n ： 配置标志 u n s i g n e dc h a rv e r b o s e ： u n s i g n e dc h a re p lr x d o n e ： 端点1 收到数据标志 u n s i g n e dc h a re p 2 _ r x d o n e ： 端点2 收到数据标志 u n s i g n e dc h a re p l b u ff u l l ： 端点1 输出双缓冲区满 u n s i g n e dc h a re p 2 b u ff u l l ： 端点2 输出双缓冲区满 b i t s ： u n s i g n e ds h o r tv a l u e 1 3 ： e p p f l a g s ： l s b 设备请求寄存器 t y p e d e fs t r u c t d e v i c e _ r e q u e s t u n s i g n e dc h a rb m r e q u e s t t y p e ： u n s i g n e dc h a rb r e q u e s t ： 请求类型 u s b 请求 中国科学院研究生院硕士学位论文基十d s p 的新型圈形发生器的实用化研究 u n s i g