（电路与系统专业论文）一种应用于数控系统的USB主从机系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 一种应用干数控系统的u s b 主从机系统的设计与实现 摘要 l j - - , 随着总线和接口技术的发展，在数控加工车间如何更加可靠、快速、 便捷地进行数据传输成为数控制造领域通信技术的研究重点之一。u s b 技 术以其高速、可靠、通用性强等特点在过去的十多年时间里发展迅猛，而 u s b 主从接口芯片的出现，使得u s b 总线通信在没有p c 参与的情况下成 为可能。 课题针对普遍使用的经济型数控系统只能通过传统r s 2 3 2 串行口与p c 机交换数据的现状，设计了u s b 主从机系统。通过对u s b 主机和从机接口技 术的深入研究，根据实现功能和设计要求，选用c h 3 7 5 a 作为u s b 主从接口 芯片，采用s t c 8 9 c 5 1 6 r i m - 作为核心处理器搭建了系统硬件平台。系统的 软件体系包括系统工作在主机模式下的单片机固件程序和工作在从机模式 下的固件程序以及相应的p c 端软件。系统工作在主机模式下时能以f a t 文 件格式访问u s b 存储设备，并通过r s 2 3 2 总线与数控系统进行串口通信，经 济型数控系统在不改变原有结构的情况下，通过该系统可以读写u s b 存储 设备。工作在从机模式下时，经济型数控系统通过r s 2 3 2 接i s 连接主从机系 统，利用主从机的u s b 接口作为u s b 设备连接至p c 的u s b 接口，此时系统作 为d n c 接口模块，在p c 机上安装上主从机的u s b 驱动程序后，通过p c 端的 u s b 总线通讯软件，实现p c 与经济型数控系统的基于u s b 总线的d n c 通讯。 系统具有液晶显示功能，其工作模式、数据处理方式等可通过按键以级联 太原理工大学硕士研究生学位论文 菜单方式进行选择操作，提供了良好的人机界面。 由5 1 单片机s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 和u s b 接i z l 芯片c h 3 7 5 a 组成的u s b 主从 机系统，将计算机的u s b 总线管理机制和传输机制引入到数控加工领域， 通过对r s 2 3 2 接口的功能扩充，经济型数控系统不仅可以读写u s b 存储设 备，而且可以通过由u s b 总线构成的小规模集中控制网络来实现分散的数 控系统集中控制，实现低端数控系统的功能升级。单片机固件程序具有很 好的结构可以很容易的移植到中高档数控系统的3 2 位处理器中，同时，数 控系统的u s b 接口取代r s 2 3 2 串行口成为趋势，课题通过主从机扩展了经济 型数控系统的r s 2 3 2 接口功能，实现计算机与数控系统间的u s b 总线通讯， 为后续开发u s b 接口积累了技术经验。 关键词：u s b 接口，s t c 8 9 c 51 6 r d + 单片机，数控系统，c h 3 7 5 a ，d n c 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fu s bh o s t sl a v e s y s t e ma p p l i e d nc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l s 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 fb u sa n di n t e r f a c et e c h n o l o g y , h o wt ot r a n s f e rd a t a i nam o r er e l i a b l e ，f a s t e ra n dm o r ec o n v e n i e n tw a yi nt h em a n u f a c t u r i n g w o r k s h o ph a sb e c o m eo n eo ft h ek e yr e s e a r c ht o p i c si nn u m e r i c a lc o n t r o l m a n u f a c t u r i n gf i e l d t h eu s bt e c h n o l o g y , w i t hi t so u t s t a n d i n gf e a t u r e ss u c ha s h i g hs p e e d ，r e l i a b i l i t ya n du n i v e r s a l i t yh a se n j o y e dar a p i dd e v e l o p m e n ti nt h e l a s td e c a d e t h eb i r t ho fu s bh o s t s l a v ei n t e r f a c ec h i pm a d ei tp o s s i b l ef o ru s b c o m m u n i c a t i o nw h e nt h ep ci sn o ta v a i l a b l e c o n s i d e r i n gt h ea c t u a l i t yt h a te c o n o m i cc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) s y s t e m i sw i d e s p r e a du s e d ，b u tc a no n l yu s et r a d i t i o nr s 2 3 2s e r i a lp o r tt os w a p d a t aw i t hp c ，t h i sp a p e rd e s i g n sau s bh o s t s l a v es y s t e ma p p l i e di nc n c s y s t e m a c c o r d t o r e a l i z i n g f u n c t i o na n d d e s i g nr e q u i r e m e n t b a s e d o n r e s e a r c h i n gi nu s bh o s t s l a v ei n t e r f a c et e c h n o l o g yd e e p l y , c h 3 7 5 a i ss e l e c t e d t oa c ta su s bh o s t s l a v ei n t e r f a c ec h i pa n ds t c 8 9 c 516 r d + i sa d o p t e dt oa c ta s k e r n e lp r o c e s s o r ，a n dt h e ya r ec o m p o s e do fs y s t e m sh a r d w a r ep l a t f o r m s y s t e m s o f t w a r ei n c l u d e sh o s ts o f tw h i c hw o r k i n gi nh o s tm o d ea n ds l a v es o f tw h i c h w o r k i n gi ns l a v em o d e w h e nw o r k i n gi nh o s tm o d e ，t h es y s t e mc a na c c e s s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 u s bm e m o r yd e v i c e sw i t hf a tf i l ef o r m a ta n dc a i lc o m m u n i c a t ew i t hc n c s y s t e mb ys e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，s ou s bm e m o r yd e v i c e sc a nb ea c c e s s e dw i t h i t sh o s ti n t e r f a c eb ye c o n o m i cc n cs y s t e mw i t h o u tr a n g i n gi n h e r es t r u c t u r e x c v h e nw o r k i n gi ns l a v em o d e ，e c o n o m i cc n cc o n n e c t st h es y s t e mw i t hr s 2 3 2 s e r i a lp o r t ，a n dc o n n e c t st h ep c su s bh o s ti n t e r f a c eb ys y s t e m su s bs l a v e i n t e r f a c er e g a r d e da su s bd e v i c e ，t h e n ，t h es y s t e ms h o u l db ec o n f i g u r e dw i t h u s bd r i v e ra n dp c sc o m m u n i c a t i o ns o f tt or e a l i z ed n cc o m m u n i c a t i o n b e t w e e np ca n dc n cs y s t e mb yu s bb u s t h es y s t e m sa c t i n gm o d e ，d a t a p r o c e s s i n gm o d ee t c c a nb e s e l e c t e db yt h ec a s c a d em e n us h o w no nl i q u i d d i s p l a ym o d u l e ，s of a v o r a b l eh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ei ss u p p l i e d m a i n l yc o m p o s e do fm c us t c 8 9 c 5 16 r d + a n du s bi n t e r f a c e c h i p c h 3 7 5 a ，t h eu s bh o s t s l a v es y s t e mi n t r o d u c e sc o m p u t e r su s bb u sm a n a g e m e c h a n i s ma n dt r a n s f e rm e c h a n i s mt on u m e r i c a lc o n t r o lm a n u f a c t u r i n gf i e l d e c o n o m i cc n cs y s t e mn o to n l yc o u l dr e a da n dw r i t eu s bm e m o r yd e v i c e s ， f u r t h e r m o r ec o u l dc o m p o s eo fc e n t r a l l yc o n t r o l l e dn e t w o r ki nm i n i a t u r et o c o n t r o ld i s t r i b u t e dc n cs y s t e mb yu s bb u s t h es y s t e m sm c uf i r m w a r e h o l d sw o r t h w h i l es t r u c t u r ea n dc a nb eg r a f t e de a s i l yt oi n t e r m e d i a t ea n dh i g h g r a d ec n cs y s t e m a tt h e s a m et i m e ，i ti st h et r e n dt h a tu s bi n t e r f a c e s u p e r s e d e sr s 2 3 2i n t e r f a c ei nc n cs y s t e ms o o n e r o rl a t e r t h i ss y s t e mr e a l i z e s u s bc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n de c o n o m i cc n cs y s t e mb y e x t e n d i n g c n cs y s t e m sr s 2 3 2p o r t ，a n dt e c h n o l o g ye x p e r i e n c ec a nb e s u m m a r i z e sf o rf o l l o w i n gr e s e a r c hi i lu s bi n t e r f a c e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：u s bi n t e r f a c e ，m c us t c 8 9 c 5 1 6 r d + ，c n cs y s t e m ，c h 3 7 5 a ， d n c v 芦明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 鎏k 2 玉 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 、蠢 签名：数垫日期：翌竺篁：! 。导师签名：燃日期： ) p 矿f 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 数控系统接口技术 数控系统，即数字控制系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) ，早期由硬件电路构成称 为硬件数控( h a r dn c ) ，1 9 7 0 年以后，硬件电路元件逐步被专用的计算机代替称为计 算机数控系统。计算机数控( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，简称c n c ) 系统是用计算 机控制加工功能，实现数值控制的系统。般整个c n c 系统由三大部分组成，包括控 制系统，伺服驱动系统和位置测量系统，这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数 控系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服 驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；位置测量系统检测机械的 运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。控制系统主要由c p u 、总线、 存贮器、电源、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据 输入，输出接口等组成。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主 要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。c n c 系统由于使用了计算机，系统具 有了软件功能，又用p l c 代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵 活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与 上位机连接及进行远程通信的功能【l 】。 c n c 系统提供的通信接口和通信协议有以下几种2 】： 录音接口，该接口为日本产老式经济型数控系统的通信接口。现在已经被淘汰。 纸带阅读机输入接口和纸带穿孔机输出接口。早期引进的数控系统通常具备该接 口。新开发的数控系统己基本淘汰了此接口，但我国企业中还有一定数量包含此接口的 数控加工设备。 异步串行通信接口，如r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等。这是应用最普遍的一种通信 接口，新开发的数控系统几乎都包含此类接口，它采用x o n x o f f 、3 9 6 4 r 、简化3 9 6 4 等通信协议。 d n c 接口，d n c 是d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o l 或d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r o l 的简 太原理工大学硕士研究生学位论文 称，意为直接数字控制或分布式数字控制。这种接口可实现远距离通信，具有出错反馈 与在线实时修改功能，便于远程管理，但由于其结构复杂，通信软件开发难度大，价格 高，国内机床配置的较少。 网络通信接口，主要有m a p 接口、以太网接口和现场总线接口等，这类接口通 信速率高、可靠性高，新开发的开放式数控系统大多具有以太网接口选件，但我国自主 研发的数控系统中很少配备网络通信接口。 o m a p 网采用m a f 2 1 和m a p 3 0 制造自动化协议，是目前应用较广泛的工业网， 它将宽带技术、总线技术和无源工作站融为一体，从而保证信息无错传输。但当要求 m a p 实现与加工同步传输n c 程序时，它很难达到实时性要求，这是由于m a p 采用完 整的七层协议，网络存取费用高、传输效率低、实时性差，因此不适宜于数控加工设备 的联网f 3 1 。 e u s b 接口，可以是主机接口或从机接口，作为u s b 主机时，可以读写u s b 存储 设备；作为从机时，作为u s b 设备与上位机进行u s b 总线通信。 1 1 2u s b 技术的产生和特点 随着计算机软硬件的迅速发展，当今的计算机外设种类繁多，传统的计算机接口己 无法满足p c 机与外设之间不断提高的速度以及稳定性、易用性等要求。传统的接口协 议一般只是针对其物理层做了定义和约束，而对p c 与外设之间的通信和自身的拓扑结 构基本没有定义，这样使这类接口的系统开发人员具有很大灵活性，只要其设计符合了 物理接口要求，即可实现其设备与p c 之间的通信，从而简化了系统软件设计的过程。 但是由于对这类接口的设计没有一个严格统一的设计标准，导致这类接口的各种外设之 间存在不兼容的问题。为了解决旧的接口体系的缺陷，满足用户的需求，以i n t e l 为首 的七家公司于1 9 9 4 年成立了u s b 论坛，并于1 9 9 4 年n 月n 日推出了u s b0 7 规范， 即最初的u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线) 协议，1 9 9 8 年8 月2 3 日推出了u s b 1 1 规范 4 1 ，专用于低、中速的计算机外设，近年又推出了u s b 2 0 协议支持高速设备5 1 。 u s b l 1 是目前推出的支持u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准协议之一，几乎所有 的微机外设，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数码相机、扫描仪和游戏手柄等等， 都能够通过u s b 接口与主机相连，有取代传统串口和并口的趋势。 u s b 既是一种通信协议，也是一种接口标准，作为通用串行数据总线，u s b 具有如 下特点t 6 , 7 1 ： 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 易用性。u s b 设备支持热插拔和主机自动识别和配置设备。 应用范围广。u s b 提供了三种速度模式：低速的1 5 m b p s 、全速的1 2 m b p s 以及 高速的4 8 0 m b p s ，支持不同速率的设备，用以满足不同的外设需求，同时总线还支持同 步和异步传输方式。 硬件标准化。u s b 协议规定了两种标准的接插件，使得不同的u s b 设备之间有 了统一的硬件接插件。 易于扩充外设连接。一个u s b 接口理论上最多可以连接1 2 7 个u s b 设备。 支持设备广泛。u s b 设备类定义了各种标准设备类，从人机接口设备( h i d ) 类、 音频类、图像类到海量存储( m a s ss t o r a g e ) 类等设备类。 系统稳定。协议包含错误恢复与检测等内容以确保通信正确性。 低功耗。协议规定了一套独特的电气层机制来保证其低功耗，同时为设备定义了 两种供电模式：自供电和总线供电。 低成本。目前u s b 己经获得了广泛的支持，软件和操作系统对于u s b 的支持日 益强大，硬件和半导体厂商所能提供的u s b 产品和解决方案也日趋丰富。同时，u s b 的体系结构决定了其以软件协议的复杂换取硬件相对简化的特点，这些都使得u s b 产 品以及系统的成本降低。 1 2 研究意义 随着u s b 技术的快速发展和逐步完善，各个领域利用u s b 存储设备交换数据的需 求变得日益迫切，嵌入式u s b 主从接口芯片的出现使得u s b 主机不再是p c 机专有， 而且使得许多嵌入式系统、工控设备也都可以嵌入u s b 主机接口用来读写u s b 存储设 备。在数控加工行业，能够读写u s b 存储设备的u s b 主机接口也已经成为新型数控系 统标准配置，利用u s b 存储设备更新和保存系统数据，但目前大量投入使用的经济型 数控系统还只能通过传统r s 2 3 2 串口连接p c 机，依靠p c 机的串口通信软件来上传和 下载数据，在加工现场使用起来很不方便。 另外，现今的中高档数控系统都具有d n c 接口，只要配置了相应的d n c 接口软、硬 件，就可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以使用d n c 主机对几台数控机床进 行直接控制。目前国内在用的经济型数控机床大多数只具有r s 2 3 2 c 串行接口，通过智 能d n c 接口模块，经济型数控系统同样可以实现d n c 功能。 3 太原理丁大学硕士研究生学位论文 所以针对广泛使用的经济型数控系统不具备u s b 主机接口和d n c 接口的现状，设计 了u s b 主从机系统。系统工作在主机模式下，经济型数控系统可以通过该系统在不改变 原有结构的情况下外扩读写u s b 存储设备的u s b 主机接口，这样，只要为每台机床配备 一个u 盘，不仅可以很方便的备份数控系统内各种参数、p l c 程序及用户工件加工程序， 而且经济型数控系统可以直接读入u s b 存储设备中的数据，尤其是对于做模具加工的机 床，程序容量一般都很大，数控系统可以直接执行存储在u s b 存储设备内的加工程序。 这样，u s b 主从机有效的扩充了数控系统的存储空间，改善了现在普遍使用的经济型数 控系统存储空间容量较小不能存储较大的数控加工程序的使用受限的局面。u s b 主从机 系统工作在从机模式下，可以作为数控系统的d n c 接口模块，实现r s 2 3 2 接口转换为u s b 接口，构成u s b 总线加工网络。p c 的u s b 主机可以最多同时带1 2 7 个u s b 设备，相对于 r s 2 3 2 的点对点连接，采用u s b 接口的系统可以实现一台计算机控制多台数控系统，从 而可大大提高效率、降低成本、便于控制，更有利于实现协同制造。u s b 的另一个显著 特点是支持热拔插，这种特性非常适用于生产布局调整频繁的环境，可以根据需要在现 场方便的配置。当需要增减c n c 或者c n c 出现故障需要停机维修时，可以直接将设备拔 出或接入系统，使生产调整时间大大降低。 1 3u s b 主从机功能及主要工作内容 结合u s b 接口技术和数控系统接口特性，开发基于s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 单片机的u s b 主从机系统，该系统具有两项功能： o u s b 主机功能：在主机模式下，经济型数控系统通过r s 2 3 2 接口利用该系统与 u s b 存储设备交换数据，可以把u s b 存储设备中的加工文件、参数等数据下传到数控 系统的程序存储区中，也可以采用在线加工方式一边读取u s b 存储设备加工程序一边 加工零件，并且数控系统可以把数据上传保存到u s b 存储设备中。 e d n c 接口模块：工作于从机模式下，主从机通过串口连接数控系统，并通过u s b 接口构成u s b 总线网络连接计算机，从而，计算机通过上位机通信软件可以同时与多 台数控机床进行u s b 通信，实现d n c 功能。 主要工作内容： e u s b 主从机系统的硬件设计，包括选择核心处理器和u s b 接口芯片，设计系统 电路原理图，以及电路板的焊接与调试。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 单片机固件程序设计，包括u s b 接口芯片驱动程序，液晶显示模块驱动程序以及 级联式控制菜单的软件设计。 系统的u s b 驱动程序开发。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章u s b 接口技术与数控系统d n c 接口技术研究 2 1u s b 接口的主机和从机功能分析 2 1 1u s b 主机接口 2 1 1 1 主机接口的组成 u s b 主机接口的硬件也被称为主机控制器，由硬件和软件组成。硬件部分由”主机 控制器( h o s tc o n t r o l l e r ) ”，“根集线器( r o o th u b ) ”和“数据缓冲区( d a t ab u f f e r ) ”构成。软件 部分主要由“主机控制器驱动( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r h c d ) ”和 u s b 协议核心驱动( u s b d r i v e u s b d ) 构成删。 硬件部分 当前，基于u s b l 1 标准协议实现u s b 主机控制器的硬件部分有三种标准： 通用主机控制器接口( u n i v e r s a lh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e u h c i ) ， 开放式主机控制器接k l ( o p e nh o s tc o n 仃0 1 1 e ri n t e r f a c e o h c i ) ， 扩展型主机控制器接e l ( e n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e e h c i ) u i - i c i 由i n t e l 公司制定，规定比较简单，主要工作由软件部分负责，所以可以用较 少的f ( g a t e ) 来实现。u h c i 主要应用在台式计算机系统中。如i n t e l 公司的芯片组中 ( p i x 3 及其后继产品) 都包含了u h c i 。 o h c i 由c o m p a q , m i c r o s o f t ，n a t i o n a l 等公司联合制定。数据流的控制等工作都由硬 件部分负责，这使得软件部分的工作量降低，所以，o h c i 的硬件实现比较复杂，需要 很多的门来实现。因为o h c i 控制器本身功能比较强大，无需依靠高性能的c p u 来管 理总线，所以在嵌入系统中被广泛应用。如p d a 、第三代移动通讯设备和数码照相机 等等。 e h c i 是为了适应u s b 2 0 版本协议而制定的一种新的主机控制器接口标准，目前 还未被广泛推广。在所有的实现中，主机控制器都必须提供基本相同的功能，主机控制 器对主机及设备来讲都必须满足一定的要求。 u s b 主机控制器提供了u s b 主机与u s b 设备之间连接的物理接1 2 1 。控制器硬件部 分除了提供u s b 主机的物理和电气特性外，还和控制器驱动程序( h c d ) 协同上作完成 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 主机的协议功能。 硬件软件 接口层 图2 1 主机控制器的软硬件结构 f i 9 2 1s o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo fh o s tc o n t r o l l e r 图2 1 中显示了主机控制器的软硬件结构。控制器中包含一个根集线器( r o o th u b ) ， 它不是一个独立的硬件而是一个逻辑功能的概念。在典型的主机控制器设计中，在硬件 上仅仅提供了集线器的基本功能( 如诊断设备插拔动作等状态变化) ，其它与集线器有关 的传输处理都是通过控制器驱动程序完成的，因为它与控制器是一体的，不需要通过协 议传输完成数据的通信。这种设计方式可以简化主机控制器硬件的实现，并且在软件上 使得主机控制器对端口的操作具有与普通集线器的一致性。根集线器的下游端口的硬件 设计必须满足u s b 标准中集线器对下游端口的所有需求和特征。 控制器的大部分硬件逻辑中除了完成对传输的控制和处理，对数据包的解析和打包 以及对u s b 传输信号的编码和解码外，还为驱动程序提供了中断向量等接口。 下面从帧管理、数据传输管理、容错性处理和总线供电与电源管理等方面具体说明 主机控制器的功能【9 ，1o ，1 。 帧管理 u s b 主机控制器负责包传输的时间分成1 毫秒( m s ) 为单位的时间段，称为“帧”，控 制器每隔l m s 时间广播发送一个s o f ( s t a r to ff r a m e ) 包，表示新的一帧的开始，总 线上的设备也以此与主机同步。具体包含以下功能： 维护3 2 位的帧号：为了实现实时数据传输中数据包同步的目的，h o s t 控制器必 须维护一个3 2 位的帧号( 与控制器硬件设计相关，一般至少是1 1 位的) ，并提供上层 软件对其进行读写操作的接口。当u s b 主机发送s o f 包时，它将帧号的低l1 位存到 s o f 包的数据字段中，然后广播发送到总线上，供总线上的设备使用。 发送s o f ( s t a r to f f r a m e ) 包：基于u s b l 1 标准，u s b 主机控制器必须每毫秒产 生一个s o f 帧，并且每个s o f 包含当前帧号的低1 1 位。s o f 的频率误差必须保证在1 k h zf p p m ) 的0 0 5 。 7 太原理 二大学硕士研究生学位论文 提供位调节功能：为了使得u s b 系统数据帧的频率与外接的子系统( 如p s t n 等) 的数据传输同步，主机控制器提供了软件上按位调节数据帧的功能。在正常情况下，一 个u s b 全速帧包含1 2 0 0 0 个数据位，主机控制器必须能在1 5 个位内( 加减) 对u s b 帧 进行调节。 维护数据帧的完整性：主机控制器在进行数据传输前必须先确保前一个数据包的 传输完成。这就是说，主机控制器必须能够诊断数据包的长度和判断数据包的超时错误。 产生e o f ：当一帧处理完成时j 控制器会在结束阶段发送e o f 信号，表示帧结 束。当e o f 间隙产生时，所有原定在刚才那帧上传输的事务处理都要停止，如果控制 器在执行传输的时候出现了e o f ，它必须中止该数据请求。 数据传输管理 u s b 主机控制器负责接收来自上层软件的数据并将其发送到总线上的设备接口处， 还负责通过总线从设备的功能接口处接收数据，并将其发送到上层软件和应用。为了完 成不同的传输请求，控制器必须对u s b 不同特性的数据传输进行分类、排队，针对不 同的数据传输做出不同的处理。 实时传输：针对实时数据传输，主机控制器周期地发送实时数据帧，对于出错的 数据包，控制器仅仅是给出错误标志，而不作数据重传等错误处理。 中断传输：主机控制器必须在要求的时间间隔之内发送中断数据传输。当发生中 断数据传输错误时( c r c 、传输超时等) ，控制器必须在下一次中断数据传输之前，对该 数据包进行重传处理。 控制传输：u s b 主机通过控制传输来读取u s b 设备的配置信息并对设备进行配 置操作，因而，主机控制器必须保证控制传输能够正确进行。 批量传输：批量数据传输仅仅在系统有足够的带宽的情况下产生。因此，主机控 制器只有在满足其它三种数据正确地传输完成后进行批量数据传输。 数据序列化及反序列化：发送时，主机控制器负责把数据转换成二进制流发送出 去；接收数据时，控制器负责将二进制流组成字节。 带宽的占用：不同类型的传输方式占用的总线带宽有所不同，根据u s b 的相关规 范，周期性的数据传输( 实时传输、中断传输) 只能占用少于9 0 的系统带宽，非周期性 的数据传输( 控制传输和批量传输) 占用剩余的1 0 以上的带宽。 容错性处理 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 u s b 主机控制器必须能够诊断数据传输错误，并根据错误类型对相应的错误做出 处理。控制器能检测的错误主要有： 协议错误：协议要求控制器本身不会产生协议错误，协议错误可能发生在u s b 设 备的应答数据传输上。比如：位填充错、e o p 错、无效的p i d 等。 超时错误：当主机控制器没有在预定的时间内接收到u s b 设备的应答数据，就会 产生超时错误。这种情况般发生在以下两种情况：u s b 主机访问了一个并不存在的 设备或设备端点；主机控制器发送的数据包未能被u s b 设备正确解析。 数据错误：在当主机控制器不能正确地接收发送数据包或者数据传输产生c r c 错误时，表示发生数据错误。数据错误也发生在实时数据传输不能被同步地时候。当数 据传输出现错误时，控制器不改变数据缓冲区的指针，并对其进行不同程度的数据重传。 对于中断传输、控制传输和批量传输来说，当发生数据传输错误时，主机控制器必须能 对其进行不超过三次的数据重传。因而，主机控制器必须为每次传输维护一个错误计数 器。当错误超过三次时，控制器会停止当前的传输请求，并将错误的情况汇报给控制器 的驱动程序分析处理。对于实时传输来说，出于它更注重数据传输的实时性而不是准确 性，因此，实时传输不存在出错重传的机制。 总线供电及电源管理 根集线器时主机控制器的一个组成部分，在硬件接口上，它具有与普通集线器同样 的功能属性。 如果根集线器被配置成自供电，它的每个端口为每个连接在它上面的设备提供+ 5 w 5 0 0 m a 的电流。 如果根集线器被配置成总线供电，它的每个端口为每个连接在它上面的设备提供 + 5 v 1 0 0 m a 的电流。 当根集线器端口的最大稳态输出电流少于2 5 m a 时，该端口应该被挂起。比如， 当一个带四个总线供电设备的总线供电集线器插入根集线器端口时。 在端口处于挂起状态时，根集线器也应该为该端口提供5 0 0 m a 的电流。 根集线器必须能够判断端口的电流状态，并且能够提供电流过载保护，对于电流 过载错误，能够报告给上层软件。 根集线器端口必须能够响应远程唤醒信号。当u s b 系统将总线置为挂起状态时， 要求控制器停止总线活动，包括s o f 的创建等操作。总线上的所有设备也进入挂起状 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 态。如果对设备有信息传输，会发出远程唤醒的电气信号，u s b 系统的主机控制器能 对总线的唤醒活动做出反映，重新启动u s b 系统。 状态控制 作为u s b 主机中的硬件，主机控制器具有一系列u s b 系统管理的状态。而且，主 机控制器为两个与u s b 有关的部分提供处理：即根集线器和状态变化的输出。根集线 器完成了与其它集线器相似的功能，它向集线器驱动程序提供了和其它集线器设备一样 的标准状态。主机控制器的总的状态与根集线器及整个系统是密不可分的。对于任何一 个设备来说可见的状态的改变都应反映设备状态的相应改变，从而保证主机控制器与设 备之间的状态是一致的。 软件部分 在分析u s b 主机软件部分之前，先来讨论u s b 主机软件的层次结构。u s b 主机的 软件之间的关系如图2 2 所示。u s b 客户软件和u s b d 之间的接口叫做u s b d i ，u s b d 和h c d 之间的接口叫做h c d i ，h c d 和u s b 主机控制器之间的接口叫做u h c i 。用户 软件只能调用u s b d i ，而u s b d 只能调用h c d i 。 u s b d i h c d i u h c i u s b 用户软件 害 lu s b 核心驱动程序( u s b d ) 害 i u s b 主控制器驱动程序( h c 。) 害 u s b 主控制器 图2 - 2u s b 主机软件层次 f i 9 2 - 2l a y e r so fu s bh o s t s o f t w a r e 主控制器驱动程序 主控制器驱动( h o s t c o n t r o l l e rd r i v e r h c d ) 实质上是对主机控制器硬件和在u s b 上的数据传输的一种抽象。h c d 位于u s b 主机软件协议栈的最底层，向下直接管理和 检测主控制器硬件的各种动作；向上仅对u s b d 服务，即提供一个软件接口h c d i ，使 得各种u s b 主机控制器的硬件功能都被软件化。 h c d i 应提供以下功能： 提供对主机控制器硬件的抽象； l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 提供对主机控制器数据传输过程的抽象； 提供对主机控制器资源分配和取消的一个抽象： 根据h u b 的类协议提供根h u b 的功能与行为的抽象。 u s b 核心驱动程序 u s b 核心驱动程序( u s bd r i v e r u s b d ) 是这个体系的中枢，具有一系列机制来检测 和管理u s b 系统的所有活动，并向上通过管道机制和命令机制接受u s b 设备驱动程序 和用户程序的各种请求命令和数据，向下把处理好的各种数据发送给h c d ，以实现上 层的各种服务，并最终与设备进行通信。u s b d 在不同操作系统中的实现是不一样的， 但它们的功能是一致的，负责解析设备驱动程序对u s b 的各种操作命令，并在解码后 发给底层驱动程序。这部分主要实现u s b 协议定义的标准命令请求，u s b 主机要在检 测到有u s b 设备插入时，完成对u s b 设备的枚举，之后u s b 主机和u s b 设备才可以 进入正常的数据包通讯状态。结构如图2 3 ，其中虚线框是u s b d ，可以看出，u s b d 通过命令接口和管道接口这两套机制来实现它提供的所有服务。这些服务包括：通过命 令机制实现配置功能；通过命令和管道机制实现数据传输服务；u s b 事件指示；状态 报告和错误检查等。 r 一一。一一一一一一 ：u s b 核心 ：驱动程序 i 消息配设备总线电 及管置数据设备源 道束管通信 管理 管 通信 理理 一 态7 - 一一 管道机制命令机制 服务 王 主机控制器驱动 主机控制器 图2 - 3 u s b d 的结构 f i 9 2 - 3s t r u c t u r eo fu s b d u s b d 的命令机制实现如下一些功能： 接口状态控制：u s b d 的上层软件可以设置具体的接口。接口状态的改变使得所 有与该接口相连的管道都进入新的状态。另外接口的所有管道都能被重新设置或禁止。 管道状态控制：管道一端是主机，另一端是设备端点。管道状态也就包括这两方 面的内容。u s b d 提供机制控制某个管道状态。 太原理工大学硕士研究生学位论文 获取描述符：u s b d i 提供一些机制以获取设备、配置、接口和端点描述符等信息。 读取设备当前配置：u s b d 提供取得任何设备当前配置参数的描述符的功能。如 果设备没有被配置，则不返回描述符。 设备添加与移除：u s b d i 为h u b 提供了机制，使得当u s b 设备接入时，s ju s b d 报告接入信息，u s b d 为设备分配地址并准备缺省的控制管道进行枚举和配置；当移除 设备时，u s b d i 也为h u b 提供了一个机制，用以通知u s b d 该u s b 设备的移除信息。 发送类和厂商专用命令：对于每个不同厂商的u s b 设备，可能有其厂商专用或类 专用的命令，通过u s b d i 可以将其发送下去。 建立一个配置：根据读取的配置描述符选择一个恰当的配置项。 设置描述符：u s b d i 允许更新现存的描述符和增加新的描述符。 u s b d 的管道机制：u s b d 主机端的管道分两类，一类是缺省管道，利用控制传输 和设备的端点0 进行数据传输；一类是用户管道，是除了缺省管道之外的其他所有管道。 u s b d 的管道机制提供了高速度、低开销的数据传输方式，支持基于u s b 的四种数据 传输类型的管道类型。 2 1 1 2 有嵌入式操作系统的嵌入式系统的u s b 主机接口实现 如图2 - 4 所示，在带有嵌入式操作系统的嵌入式系统中实现u s b 主机接口，必须 在操作系统中实现一个u s b 协议的协议栈。在栈的基础上，再叠加类驱动，最后，在 其上面实现应用。 应用层 上 类驱动 上、 r l 带有u s b 栈的实时操作系统1 0 主机控制器 图2 - 4 嵌入式操作系统中u s b 协议栈模型 f i 驴- 4u s bp r o t o c o lo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 嵌入式操作系统中实现的u s b 协议栈与w i n d o w s 系统中实现的u s b 协议栈的最 大区别就是设备类的完整性。在w i n d o w s 系统，因它一般是在应用广泛的通用p c 机操 作系统，基本上资源不受限制，所以它可以同时挂接许多设备。这样，在软硬件上都需 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 要必须实现u s b 集线器的功能，以方便大量设备的拓扑连接。而在嵌入式系统中，不 需实现同时挂接许多设备，只要在某一时刻仅仅能接入一