（计算机应用技术专业论文）usb设备固件升级系统的设计与开发.pdf

亘蜜奎适查兰塑主丛窒皇兰垡迨塞 蔓! 基 摘要 随着u s b 技术的飞速发展，u s b 设备的更新速度越来越快，通过u s b 接口来升级u s b 设备固件是一种实用高效的方法，本论文的主要研究内容 就是如何通过u s b 接口实现u s b 设备固件的升级。 论文首先对u s b 接口技术，d f u ( d e v i c ef i r m 、a r eu p g r a d e ) 类规范， w i n d o w s 驱动程序模型进行了较深入的分析，然后针对飞利浦p n x 0 1 0 1 芯片，根据u s b 协议1 1 及d f u 类规范1 1 ，设计开发了一个基于 w i n d o w s 2 0 0 0 x p 操作系统的u s b 设备固件升级系统。该系统由三个模块 组成：d f u 设备驱动、m u l t i d f u 应用层及设备代码集。 在d f u 设备驱动的具体实现过程中，使用w i n d o w s2 0 0 0d d k 、d r i v e r s t u d i o2 7 、s u a ls t u d i o6 0 为开发工具，使用d r i v e rm o n i t o r ，u s b 协议 分析器为调试测试工具。实现了d f u 类标准请求，u s b 设备即插即用及 电源管理等功能。因为驱动是根据标准的d f u 类规范要求所写，因而对任 何d f u 设备都具有很强的通用性。 在应用层，主要实现对下载的固件文件进行检验、读取d f u 设备的各 描述符、将固件文件下载至一个或多个目标设备中、下载进度显示、下载 错误处理等多项功能。从通用性出发，作者根据一些常用的操作整理了一 个d f us d k ( d f u 软件开发包) ，提供了一些实用的a p i 函数。 以上两个模块配合固件工程师预先写入设备的设备代码，就够成了一 个完整的u s b 设备固件升级系统。 在所有模块开发完毕以后，对整个系统进行了测试，整个系统的各性 能均可达到设计要求。 最后，论文对相关的新技术，未来的研究内容及方向提出了展望。 关键词：u s b ；d f u ；w d m ： 设备驱动 要塞窒堕盔兰亟婴窒皇堂焦笙塞 蔓! ! 夏 a b s t r a c t w i t h 也er a p j dd e v e l o p m e n to fu s bt e c h n o l o g y ，t h er e n e w a ls p e e do fu s b d e v i c e sj sb e c o m i n gf a s t e ra i l df a s t e r i ti sap r a c t i c a la n de f r e c t i v ew a yt o u p g r a d eu s b ( 1 e v i c ef i m w a r et l l r o u g hu s b i n t e r f a c e b a s e do nt h i sf a c t ，t h e m e s i sf o c o u so nh o wt ou p g f a d et l l eu s bd e v i c ef i m w a r et h r o u 曲u s b i n t e r f h c e t h et h e s i ss t a r t s 埘也ad e t a i l e da n a l y s i so fu s bi n t e r f a c et e c h n o l o g y ，u s b d e v i c e ( 、l a s ss p e c i f i c a t i o nf o rd f u ( d e v i c ef i m w a r eu p g r a d e ) a n dm ed r i v e r m o d e lf o rt h ew i n d o w s 叩e r a t i n gs y s t e m s t h c nt l l ea u t h o rd e s i g n sa n d d e v e l o p sau s bd e v i c ef i r m w a r eu p g r a d es y s t e mw h i c ha i m e da t t 1 1 ep h i l i p s p n x 0 1 0 1c h i pu p o nt h er e q u e s to f m eu s bs p e c m c a t i o n1 1a i l du s bd e v i c e c l a s ss p e c i 矗c a t i o nf o rd f u1 1 t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do ft h r e em o d u l e s ： d f ud e v i c ed r i v e r 、m u l t i d f ua p p l i c a t i o nl a ”ra n dd e v i c ec o d e d u r i n gt h er c a l i z a t i o np m c e s so ft h ed f u d e v i c ed r i v e rs y s t e m ，w i n d o w s 2 0 0 0d d k d r i v e rs t u d i o2 7a i l dv i s u a ls t u d i o6 o a r es e l e c t e da s d e v e l o p m e n tt o o l s ，w h e r e a sd r i v c rm 0 n i t o ra n du s bp r o t o c a la n a l y s i z e ra r e u t m z e df b rd e b u g g i n g 衄dt e s t i n g t h ed r i v e rc a i ir e a l i z ed f uc l a s s s p e c m c r e q u e s t s ，t h ep n p ( p l u ga n dp l a y ) a n dp o w e rm a l l a g e m e n t 如n c t i o n t h e d r i v e rc o d e sa r e 、v r i n e na c c o r d i n gt ot h es t a n d a r du s bd e v i c ec l a s s s p e c i f i c a t i o nf o rd f u ，t h e r e f o r et h ed r i v e ri t s e l fc a nb eu n i v e r s a l l ya p p l i e dt o a l lt h ed f ud e v i c e s i nm ea p p l i c a t i o nl a y e r ，t h es y s t e mc a nm a i n l yr e a l i z et h ef 0 i l o w i n g f u n c t i o n s ：e x a i i l i n i n gt l l ef i 咖w a r ef i l ew h i c hw o u l d b ed o 啪i o a d e d ，d e r i v i n g t 1 1 ed e s c r i p t o r so fd f u d c v i c e ，d o w n l o a d i n gt l l ef i 衄w a r ef i l et oo n eo rm o r e t a r g e td c v i c e sa tt h es 锄et i m e ，d i s p l a y i n gt h ed o w n l o a d i n gp r o c e s s ，a n d d e a l i n gw i t ht h ee r r o r sw h i c ha p p e a ri nt h ed o w n l o a d i n gp r o c e s s ，e t c t h e a u t h o ra 矗a n g e dad f u s d k a c c o r d i n gt os o m ec o m m o n l yu s e do p e r a t i o na i l d i tc a i lp r o v i d es o m ep r a c t i c a la p if h n c t i o n s 堕塑窑塑查堂塑主塑窒皇兰焦迨窒 蔓! ! ! 夏 t h et w om o d u l e sl n e n t i o n e da b o v ec o o p 钉a t i n g 耐t ht h ed e v i c ec o d e r h i c h h a sb e e nw r i n e ni n t o 也ed f ud e v i c eb yt h ef i r m w a r ee n g i n e e ri na d v a n c e c a i l c o n s t i t u t eac o m p l e t eu s bd e v i c ef i n n w a r eu p g r a d es y s t e m a r e ra l lt h em o d u l e sh a v eb e e nd e v e l o p e d ，t h ea u t h o rc a r r i e do na t e s tt o t l l eo v e r a l ls y s t e m e v e r yp e r f o m l a n c eo ft h e 、 | _ h o l es y s t e mh a sr e a c h e dt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t f i n a l l y ，t h et l l e s i sp r o p o s e da l le x p e c t 砒i o nf o rt l l er e l a v a n tn e wt e c h n o l o g y a n df o rt l l ec o n t e ma i l dd i r e c t i o no f 惶怆f u t i l r er e s e a r c h k e y w o r d ：u s b ，d f u ，w d m ，d e v i c ed r i v c r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究意义 第1 章绪论 由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需 求，因此，u s b 总线技术应运而生。u s b 为计算机外设输入输出提供了新的 接口标准，它使设备具有热插拔、即插即用、自动配置的能力，并标准化设 备连接。u s b 的级联星型拓扑结构大大扩充了外设数量，使增加、使用外设 更加便捷快速。各种各样的u s b 外设都已面市：键盘、鼠标、游戏杆、游戏 控制器、打印机、扫描仪、数字转换器、数码相机、摄像机、扬声器、调制 解调器、网络连接器、硬盘、移动存储设备、指纹识别设备、h u b 等。 通常购买了u s b 设备的用户，在u s b 设备制造商提供了u s b 设备固件 的更高级版本后，要求能够升级设备原有的固件，如何通过u s b 接口来升级 这些设备的固件，具有现实意义和应用价值。 d f u ( d e v i c ef i 衄w a r eu p f a d e ) 就是完成设备固件升级的一种机制。任何 类别的u s b 设备通过支持d f u 类规范中指定的要求，都能进行设备固件升 级。市场上支持d f u 的芯片设备日益增多，那么根据d f u 类规范开发固件 升级系统，是非常有实用价值的。 1 2 项目开发背景 随着m p 3 的逐渐流行，随时随地欣赏m p 3 音乐的需求越来越高，一些 厂商看到了这种需求，开始生产便携式的m p 3 播放器。进入2 0 0 5 年以来。 全球m p 3 播放器年增长率达7 0 ，具有资料储存与音乐播放的m p 3 播放器， 已成为新时代闪存盘与音乐播放器。目前市场上最好的m p 3 解码芯片为飞利 浦家族的解码芯片，其中p n x 0 1 0 x 系列芯片中的p n x 0 l o l 及p n x 0 1 0 2 是 专为闪存m p 3 随身听而开发的。 p n x o l o l 芯片支持u s b l 1 协议及d f u 类规范1 1 。为了将来推出新固 件时方便厂商及用户升级设备固件。飞利浦深圳半导体公司m p 3 项目组决定 开发m u l t i d f u 固件下载软件包，也就是一个u s b 设备固件升级系统。此外 为了提高采用p n x 叭0 1 解码芯片的m p 3 播放器的量产效率，提出了支持多 _ - _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - h - _ _ _ 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 -_-一 个设备同时进行固件升级的要求。 作者作为m p 3 项目组成员成为该设备固件升级系统的主要开发者。所开 发的m u ! t i d f u 固件下载软件包主要由三个部分组成：d f u 设备驱动程序， m m t i d f u 应用层以及设备代码集。 作者在开发过程中负责完成前两个部分的工作。主要任务如下： 1 开发支持u s b 设备固件升级的客户驱动程序。 2 根据客户要求开发应用层。 3 对开发的系统进行测试。 经过多次测试改进，终于开发出较成熟的针对p n x 0 1 0 1 芯片的m u l t i d f u 固件下载软件包。其功能为：利用u s b 级联星型拓扑结构的特点，把固件从 p c 端通过u s b 线缆同时下载到多个目标设备的f l a s h 启动区内，大大提 高了厂商下载固件至设备的生产效率；对普通用户而言，利用它可以通过u s b 线缆更新升级设备的原有固件。该软件包目前已得到广泛的使用。 1 3 本论文的研究内容 本论文在深入了解了u s b 体系结构，w i n d o w s 操作系统内核的基础上， 根据u s b l 1 协议，d f u l 1 类规范，开发了一个针对飞利浦p n x o l 0 1 芯片 的u s b 设备固件升级系统。 本文的第一章是绪论，该部分介绍了论文的研究背景和意义、作者所做 的工作以及全篇论文的结构。 第二章从u s b 的定义、发展以及应用出发介绍了u s b 相关的基本知识， 并简要介绍了u s b 协议1 1 的相关内容。 第三章较详细的介绍了d f u 类规范，该规范为u s b 设备固件升级系统 设计的重要依据。 第四章介绍了设备驱动程序的基本概念，并以实际开发为例，介绍了 d f u 设备驱动的开发工具及开发环境的设置、d f u 驱动程序模块构成、d f u 驱动类及d f u 设备类、i n f 文件的结构、驱动的调试及安装等内容。 第五章为应用层的实现，对下载固件文件功能模块的实现进行了较详细 的介绍，此外也简要介绍了设备代码。 第六章为结论部分，对论文进行了总结及对将来的研究开发进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文蔓! 要 第2 章u s b 技术简介 2 1l l s b 总线技术的基本资料 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线”。 它是一种新的、快速的、双向的数据传输总线，简称u s b 总线。 2 1 1u s 8 的发展背景 u s b 诞生于1 9 9 4 年。是由c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 等 公司共同开发推出的，旨在统一外设如打印机、外置m o d e m 、扫描仪、鼠标 等设备的接口，以便于安装使用，取代以往的串口、并口和p s 2 接口。u s b 标准真正颁布已是1 9 9 6 年了，颁布的标准是u s b l o ，但由于当时普遍使用 的w i n d d w s9 5 操作系统并不支持u s b ，因此，直到1 9 9 8 年，随着u s b l i 标准的制定以及在w h l d 9 w s9 8 操作系统的推动下，u s b 才真正发展起来。 表2 1u s b ll 与u s b 2o 主要技术参数比较 u s b 技术参数 u s b l 1u s b2 o 传输速度 l ，5 m b p s 4 8 0 m b d s 支持长度 5 米5 米( h u b 3 0 米) 支持系统 w i n 9 5 0 s ，2 ，w i n 9 8 w ；1 1 2 0 0 0 m ew j n 2 0 0 0 w i n x p 支持特性p i l p 、热拔插p n p 、热拔插 支持设备1 2 7 个1 2 7 个 u s b 发展至今，主要经历了3 个阶段：u s b1 1 、u s b2 o 及u s b o t g ( u s b0 i l - n 地- g o ) 。u s b l 1 设各虽然具有即插即用的特点，但是由于速度比 较慢，对于进行大量的数据传输就显得有点力不从心了：u s b 2 o 规范是 u s b ll 的演进，与u s b l 1 规范后向兼容，它的推出使得u s b 总线的传输 速度快了几十倍，传输速度从原来的1 2 m b s 增加到4 舳m b ，s ，使得原来u s b 不能使用的视频传输都可以使用了：u s bo t g 是对u s b 2 o 规范的补充，使 得设备与设备之间可以直接进行数据传输，而不一定需要主机的参与，例如： 符合u s bo t g 的数码相机可以直接连接到u s bo t g 的打印机上，把照片打 符合u s bo t g 的数码相机可以直接连接到u s bo t g 的打印机上，把照片打 西南交通大学硕士研究生学位论文 印出来从而拓展了u s b 技术的应用范围。表2 - l 中列出了u s b l 1 的各种标准技术参数。 2 。1 2u s b 的特点 第4 页 与u s b 2 0 u s b 具备的主要特点如下： 使用力便 在u s b 方式下，所有的外设都在机箱外连接，巧i 必打开机箱；允许外设 热插拔，而不必关闭主机电源。在软件方面，为u s b 设计的驱动程序和应用 软件可以自动启动，无需用户干预。u s b 设备也不涉及i r q 冲突等问题。它 单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用p c 机有限的资源，为用户 省去了硬件配嚣的烦恼。u s b 设备能真正做到”即插即用”。 对一般外设有足够的带宽和连接距离 u s b 允许两种数据传送速度规格。低速传送为1 s m b p s ，全速传送为 1 2 m b p s 。全速传送时，结点闻连接距离为5 m ，连接使用4 芯电缆( 电源2 条， 信号线2 条) 。该速率与一个标准的串行端口相比，大约快出1 0 0 倍，与一个 标准的并行端口相比，也快出近1 0 倍。因此，u s b 能支持高速接口( 例如 i s d n 、p r i 、t 1 ) ，使用户拥有足够的带宽供新的数字外设使用。 支持多设备连接且连接灵活 u s b 采用”级联”方式，即每个u s b 设备用一个u s b 插头连接到一个外 设的u s b 捕座上，而其本身又提供一个u s b 插座给下一个u s b 外设连接用。 通过这种类似菊花链式的连接，一个u s b 口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设 备，避免了p c 上插槽数量对扩充外设的限制。u s b 设备连接的方式也十分 灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头( h u b ) ，把多个设备连接 砷：一起，再同p c 机的u s b 口相接，而每个外设测的距离( 线缆长度) 川达5 米。i j s b 还能智能识别u s b 链上外围设备的接入或拆卸。 独立供电 普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，丽u s b 设备则不需 要，因为u s b 接口提供了内茕电源。u s b 电源能向低压没备提供5 v 的电源， 因此设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本并提高了 性价比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 支持多媒体 u s b 提供了对电话的两路数据支持，u s b 可支持异步以及等时数据传 输，使电话可与p c 集成，共享语音邮件及其它特性。u s b 还具有高保真音 频。由于u s b 音频信息生成于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量 的机会，扶而使音频系统具有更高的保真度。 2 1 3u s b 技术与其它接口技术的比较 表2 2 为常用计算机接口比较，表中列出的长度、速度为典型最大值。 表2 2 常用计算机接口比较 接口格式 设备数目 长度( m )速度( b ，s ) 通常用途 1 6 ( 使用5 个 l 。5 m 、1 2 m 鼠标、键盘、 u s b异步串行 1 2 7 集线器可以 ( 2 o 版本可达 磁盘驱动器、 到达9 6 英尺) 4 8 0 m ) 调制解调器 r s - 2 3 2 f e i a 2 0 k ( 有些启 调制解调器、 异步串行 25 0 t o g t l a - 2 3 2 1 动器是1 1 5 k )鼠标、丁= 具 r s - 4 8 5 f t i a3 2 单元 数据获取和 异步串行4 0 0 01 0 m ，e i a 4 8 5 1 负载控制系统 红外异步 i r d a 数据 26 1 1 5 k打印机 审行 m i c r o w i r e同步串行81 0 2 m 微控制器通信 s p l 同步串彳亍 8l o 2 1 m 微控制器通信 1 2 c 同步串行 4 01 84 0 0 k 微控伟4 器通信 i e e e 1 3 9 4串行 6 4 1 54 0 0 m 视频 i e e e 4 8 8 并行 1 5 6 08 m 二 具 以太网串行 1 0 2 4 1 6 0 0l o m ，1 0 0 m 九g 上网p c 串行电流 音乐、 m i d i 25 03 1 5 k 循环 显示控制 并行打印机 2 或8 ( 支 打印机、扫描仪 并行1 0 3 0 8 m 端口持戴西链磁盘驱动器 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 4u s b 的应用状况与前景展望 目前，u s b 接口应用得非常广泛，市场上每一款主板都带有不少于2 个 u s b 接口；它吞并了并口，因为u s b 打印机层出不穷：它吞并了串口，因 为u s b 调制解调器也是新品辈出：它吞并了p s 2 接口，因为u s b 鼠标大行 其道。此外，u s b 音箱作为一种崭新的技术，也逐渐进入了人们的视野，而 新兴的p c 外设如数码相机、摄像头、扫描仪、m p 3 播放机、外置式大容量 存储器也无一例外都使用了u s b 接口，这些都表明了目前u s b 技术在该领 域所处的统治地位。高科技市场研究公司i n s 诅t 哺囝r 的资深分析师b r i a i l o r o u r k e 说，u s b 技术正在从全速u s b 平稳地过渡到高速u s b ，高速u s b 这个杀手能够向后支持市场上数亿低速和全速u s b 设备。 但是，今后在某些方面，u s b 接口的地位将逐步为i e e e l 3 9 4 所取代， 分析其原因，不外乎有以下几点。 1 传输速度 尽管与传统的串口、并口相比，u s b 的传输速度的确达到了一个很高的 水平，不过一旦与i e e e l 3 9 4 那数以“g ”计的速率相比，u s b 立刻相形见 绌，这便是u s b 想要一统p c 外设接口的最大障碍，也是它是致命伤。尽管 目前u s b 2 o 标准使它的速度达到了i e e e l 3 9 4 现在的水平，但是即将推出的 i e e e l 3 9 4 新标准将立刻打破u s b 在速度上战胜i e e e l 3 9 4 的梦想，同后由于 技术的提高，势必需要极高的传输速率，在这一点上，u s b 毫无疑问落后了。 2 设备的对等连接 由于u s b 总线传输数据必须通过主机c p u 来处理，因此它便不是一种 同步传输总线，非同步传输总线是无法实现实时视频流传播的，会产生严重 的延迟现象。虽然u s bo t g 在一定程度上解决了传输数据必须通过主机c p u 的问题，但u s b0 t g 的连接方式仍然不是对等的，并且这个规范还没有经过 市场的实际考验，优势不及i e e e l 3 9 4 ，这样，大多数实时数码摄像机等技术 注定不会垂青于u s b 总线了。而其对手i e e e l 3 9 4 ，则能得心应手地完成它。 由于未来的p 1 3 9 4 b 能达到极高的速度，又因为i e e e l 3 9 4 可以实时无延 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 迟的传播，那么我们可以利用它轻松实现实时d v d 传输、由数码摄像机拍 摄后实时压制m p e g 2 、实时三维影音传播并且未来i e e e l 3 9 4 的传输距 离也将达到u s b 的2 0 倍，即1 0 0 米，这些都是u s b 望尘莫及的。 3 网络功能 1 3 9 4 a 已经具备了网络功能，现有的1 3 9 4 设备也全部是“家庭网络 r e a d y ”，1 3 9 4 也适用于对等l p 网络。并且，1 3 9 4 b 引入了多种传输介质，普 通的5 类线就能够在v e s a 家庭局域网协会规定的1 0 0 米距离上实现s 1 0 0 ( 家用便携式d v 的规格) ，这对目前的家庭网络应该是够用了，应付车内网 络更没问题。如果使用光纤为介质速度还可以成倍提高。而u s b 在网络功 能上则存在着严重的先天不足，这样，在网络上i e e e1 3 9 4 又具备很大优势。 通过以上所述，我们可以清楚预见u s b 的未来：在高端方面，对数据流 量要求较高的设备将不再屈就于低速的u s b 接口，这些产品便是数码相机， 外置硬盘之类，i e e e l 3 9 4 是绝对的王者：而在中端应用方面，u s b 和 i e e e l 3 9 4 势必展开激烈争夺这些产品便是m p 3 随身听、扫描仪等；而低 速率的设备将由u s b 全面垄断，如p s 2 鼠标、键盘等；在其它方面，u s b 将会完全败给i e e e l 3 9 4 。 2 2u s b l 1 协议简介 2 。2 1 u s b 系统构成 一个u s b 系统主要被定义为u s b 互连、u s b 主机和u s b 设备三个部分。 1 u s b 的互连 u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包 括以下几方面： 总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接方式； 内部层次关系：根据性能堆栈，u s b 的任务被分配到系统的每一个层次； 数据流模式，描述数据在系统中通过u s b 从产生方到使用方的流动方式； u s b 的调度：u s b 提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调 度以支持同步数据传输，并且避免了优先级判别的开销。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 亟 2 u s b 主机 在任何u s b 系统中，只有一个主机。u s b 主机在u s b 系统中是一个起 协调作用的实体，它不仅占有特殊的物理位置，而且对于u s b 以及连到u s b 上的设备来说，还负有特殊责任。主机控制所有的对u s b 的访问，一个u s b 设备想要访问总线必须由主机给予它使用权。主机还负责监督u s b 的拓朴结 构。主机的逻辑结构如图2 1 左半部分所示，包括u s b 主机控制器( u s bh o s t c o r l 仃o l l e r ) 、u s b 系统软件集合( u s b 驱动程序，主机控制器的驱动程序， 主机软件) 、客户软件。 主机 客户软件 i u s b 系统软件 i u s b 主机控制器 物理设备 _ _ _ _ - 实际通信流 o ) d f ud n i o a d ( 1 c n g t h = 0 ) 建立阶段