（电路与系统专业论文）基于cortex内核处理器的usb高速数据采集技术研究.pdf

摘璎 摘要 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 具有高传输速率、即插即用和 易于扩展等优点而被应用于计算机外设、数字设备和智能仪器仪表的数据传输接 口上。而新一代基于c o r t e x 内核的嵌入式处理器，因其低廉的成本和优越的性能 正在被广泛地应用于工业测控领域。将u s b 技术与嵌入式处理器的结合，是一种 实现数据采集与传输的理想解决方案。 本文在深入研究u s b 总线协议的基础上，设计了以嵌入式处理器进行现场数 据采集、以u s b 进行高速数据传输、最终在上位主机上完成数据后续处理的系统， 并完成了系统的软件、硬件和数据处理方法的调试。具体研究工作如下： 1 深入研究了u s b 总线的原理与规范。掌握其电气连接特性、拓扑结构及四 种传输方式在数据格式、数据包容量、总线访问限制等方面各自不同的特征。 2 将集成有u s b 接口的新型嵌入式处理器s t m 3 2 f 1 0 3 作为主控芯片，进行了系 统硬件电路的设计与调试。充分发挥了这种基于c o r t e x 内核的嵌入式处理器强大 的控制、处理和u s b 总线的高速快捷传输功能。 3 编写了u s b 的固件程序和基于w i n d o w s 平台的驱动程序。固化在控制器中 的代码能在上电后自动完成u s b 设备的配置与初始化，并提供总线的数据传输中 断服务。基于w i n d o w s 平台的驱动程序为终端u s b 设备的自动检测、识别与正常 工作提供支持。 4 进行了主机应用程序的设计，使主机应用程序提供了友好的人机界面，并 实现了采集结果的可视化输出。 5 最后，结合油田井下数据采集存储数据的u s b 高速回放问题，进行了实验 研究和实用测试。结果表明，该研究设计的高速采集与数据传输效果能够达到工 程设计的测控环境使用要求。 关键词通用串行总线；数据采集；固件程序；设备驱动 a b s t r a c t u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) w i t hi t sa d v a n t a g e sa sh i g ht r a n s m i s s i o nr a t e ，p l u g - p l a y a n de a s y - e x t e n d i n g ，w a sa p p l i e di n d a t at r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e s o fc o m p u t e r p e r i p h e r a le q u i p m e n t ，d i g i t a l d e v i c ea n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t t h ee m b e d d e d p r o c e s s o ro fn e wg e n e r a t i o nb a s e do i lc o r t e x c o r ei sb e i n ga p p l i e di ni n d u s t r i a l m e a s l 】r e me 1 1 tf i e l dw i d e l yd u et oi t sc h e a pc o s t a n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h e c o n l b i n a t i o no fu s bt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dp r o c e s s o ri s a l li d e a ls o l u t i o nt o r e a l i z ed a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n b a s i n go nf u r t h e rs t u d yo nu s bf d l ，t h i sp a p e r d e s i g n e das y s t e mw i t h t h e e m b e d d e dp r o c e s s o rf o rf i e l dd a t ac o l l e c t i o n ，u s bf o rh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n a n dl a s tc o m p l e t i o no fd a t ap o s t - p r o c e s s i n go nh o s t ，a n dt h ed e b u g g i n go fs y s t e m s o 行w a r e ，h a r d w 踟ea n dd a t ap r o c e s s i n gm e t h o dw e r ef i n i s h e d t h ed e t a i l e dr e s e a r c h c o n t e n t sa l ea sf o l l o w s ： 1 f u n h e rs t u d yo i lu s bp r i n c i p l ea n dc r i t e r i o nw a s d o n e t og r a s pt h er e s p e c t i v e c ：h 锄c t 嘶s t i c so fi t se l e c t r i c a lc o n n e c tp r o p e r t y , t o p o l o g i c a l s t r u c t u r ea n df o u r t r a n s m i s s i o nm o d e si nd a t af o r m a t ，d a t ac a p a c i t y , b u sa c c e s sr e s t r i c t i o n e r e 2 a st h en e wt y p eo fe m b e d d e dp r o c e s s o rs t m 3 2 f 10 3i n t e g r a t e dw i t hu s b i n t e f f a c ei st a k e na sm a i n c o n t r o lc h i p ，t h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fs y s t e m h a r d w a r | cc i r c u i tw a sc o n d u c t e d t h ep o w e r f u lc o n t r o la n dp r o c e s s i n gf u n c t i o n so f t h ee n l b e d d e dp r o c e s s o rb a s e do nc o r t e xc o r e a sw e l la st h eh i g h 。s p e e d t 1 孤s n l i s s i o nf u n c t i o no fu s bw e r eb r o u g h ti n t of u l lp l a y 3 u s bf i r m w a r ep r o g r a ma n dd r i v i n gp r o g r a mb a s e do nw i n d o w so p e r a t i n g s y s t e ma l ep r o g r a m m e d t h e c o d e sf i r m e di nc o n t r o l l e rc a na u t o m a t i c a l l y c o m p l e t ec o n f i g u r a t i o na n di n i t i a l i z a t i o no fu s b e q u i p m e n ta n dp r o v i d es e r v i c e s f o rd a t at 眦s m i s s i o ni n t e r r u p t i o na f t e rg e t t i n ge l e c t r i c i t y t h ed r i v e rb a s e do n w i n d o w sp l a t f o r mp r o v i d e ss u p p o r tf o ra u t o m a t i cd e t e c t i o n ，i d e n t i f i c a t i o na n d r e g u l a rw o r ko f t e r m i n a lu s be q u i p m e n t s 4 t h ed e s i g no fh o s ta p p l i c a t i o np r o g r a mw a sc o n d u c t e d ，t h u si t w a sm a d et o p r o v i d ef r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dv i s u a l i z e do u t p u t o fc o l l e c t i o n r e s u l t sw a sr e a l i z e d 5 a tl a s t ，c o m b i n i n gt h eo i l f i e l dd o w n - h o l ed a t aa c q u i s i t i o n a n dh i g h 。s p e e d p l a y b a c ko fu s bs t o r e dw i t hd a t a , r e s e a r c ha n dp r a c t i c a lt e s t i n g w e r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o w e dt h a te f f e c t so fh i g h s p e e da c q u i s i t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o nc a l l l l a b s t r a c t m e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t sf o rm e a s u r ee n v i r o n m e n to fp r o j e c td e s i g n k e yw o r d su s b ；d a t aa c q u i s i t i o n ；f i r m w a r ep r o g r a m ；d e v i c ed r i v i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲筮蠡魄垄曩堑：三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：壅鱼：五导师繇邀毖日期： z o o ) ，多4 菊1 市绪沦 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也 可以是化学量、生物量等) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采 样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。 控制器般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系 统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据 采集系统( d a t ah c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。 在实际测试领域应用中，有一些数据采集过程要求有长时间、大批量的数据 吞吐能力，要求数据能够实时采集实时存盘。针对这种数据采集要求，用采集卡 上r a m 存储数据，然后通过非实时地把r a m 里的数据传入上位机进行数据显示和 永久存储，这种方案实现起来已不可行。解决此类数据采集问题，必须从降低数 据传输量和利用更高速率数据传输接口两方面采取措施以实现实时的数据采集 保存。 目前，数据采集处理系统正由i s a 、p c i 接口方式向着u s b 接口方向发展。 特别是，随着u s b 2 0 协议的出现，使得u s b 总线速度达到4 8 0 m b s 。而且u s b 接口理论上可以同时挂接1 2 7 个外设，可以预测未来的计算机外设可以完全统一 到u s b 总线上来。 基于数据采集实时性高、数据吞吐量大、数据存储、数据实时处理以及优化 控制的要求，本文设计了一套基于u s b 接口的实时数据采集系统。在满足系统实 时数据采集控制的基础上，同时达到了体积小、重量轻、易安装携带、功能强、 功耗低的测试控制设备的要求。该课题研究的目的是提供一种智能化、功耗低、 易安装使用、性价比高的u s b 数据实时采集与控制系统。 1 2 数据采集系统常用的数据传输方式 传统的计算机外部设备般都是使用并口( p a r a l l e lp o r t ) 和串口( s e r i a l p o r t ) 与计算机相连乜1 。基于p c 平台或是需要借助p c 强大的软硬件功能的数据 交换系统，都必须通过并行类与串行类接口来达到数据的传输与处理。数据采集 系统作为计算机的外围设备，是基于与计算机的接口方式而命名的。不同的总线 接口方式适用于不同的工作环境与数据传输要求。 这两种端口在计算机上使用了很多年，物理层的协议已经相当成熟，但却已 一l 一 北京川k 人学- 1 - 学硕十伊论文 经无法满足目前计算机设备不断提高的速度和使用要求。 1 2 1 并行类接口 并行类接口，包括系统总线和打印机( l p t ) 等接口。目前，计算机的并行系 统主要作为打印机端口为打印机服务。并行接口是在多根数据线上以字节为单位 与输入输出设备或控制对象来实现数据通信的，由于采用程序传送，其通信速度 较低，且并行传输的距离受到限制，随着距离的增加，很容易出错。 1 2 2 串行类接口 串行类接口，包括r s 一2 3 2 ，u s b 。 串行接口不同于并行接口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位串行 地传送下去。p c 机最早配置的串行接口标准是r s - 2 3 2 ，其波特率一般在9 6 0 0 以 下，目前r s 一2 3 2 接口仅用于低速设备。由于p c 机的限制，其最高传输率不超过 11 5 k b p s ，同时传输的距离不超过1 5 米，且p c 机上的串口数目也很有限。在现 在生产的笔记本电脑上基本上已经淘汰了r s - 2 3 2 的接口，u s b 以其明显的优势 完全取代了r s 一2 3 2 ，成为串行数据传输的标准接口。现代p c 机提供的高速串口 u s b 、1 3 9 4 ，实现了用户与外围设备的连接和通信。 1 2 3ls a 总线与p cl 总线 p c 机( 个人计算机) 上的系统总线标准有：i s a 、e i s a 、p c i 、a g p 等。随着计 算机技术的发展，i s a 总线渐渐被淘汰，目前大多p c 主板上没有i s a 插槽。目 前，用户可以广泛开发应用的主要是p c i 总线接口，它是一种智能接口，有比较 复杂的协议及较高的技术。p c i 的技术优势是高速数据传输，并具有线性突发传 送模式。总线频率为3 3 m i z 时，s v ( 3 2 位) p c i 总线的最大传输速率是1 3 3 m b s ， 升级到6 4 位( 3 3 v ) 时，传输速度可以达到2 6 6 m b s 。p c i 总线与c p u 无关，与时 钟频率亦无关，可用于各种平台，支持多处理器和并发操作。p c i 总线主要用于 提高系统性能。p c i 的缺点就是不能带电热插拔，安装不方便，不利于户外数据 采集3 1 。 1 3 通用串行总线( u s b ) 上述总线接口虽然各具优点，但也都有其难以克服的缺点，一般只适用于其 特定的场合与背景。他们在使用过程中安装麻烦，容易受机箱内环境的干扰，受 第1 帚绪论 到计算机资源的限制，不易扩展等。而一种新的接口方式u s b ，则是对其他总 线技术扬长避短的产物。由于u s b 热插拔特性，使用很方便，而且与r s 一2 3 2 、 并行类接口传输方式相比，u s b 的速度也快得很多。u s b 设计的初衷概括起来只 有一点，就是全面提升原有接口的功能与性能，以适应未来相当长的时期内计算 机及其外设发展的需要。 1 3 1u s b 总线的产生及其主要特点 随着计算机的广泛应用，计算机外设也在不断更新。计算机接口负责计算机 与外围设备之间的信息交换。由于外设种类很多，在设计计算机系统时，就必须 留出尽可能多的i o 接口，这将造成成本过高，外设连接过于繁琐。为了降低成 本，简化计算机的外设接口，各计算机公司推出了自己的接口规范，产生了外设 总线的概念，旨在提高各种外设接口的兼容性，同时实现外设的自动识别和配置。 u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的简称，译为通用串行总线。它是在1 9 9 4 年底由 康柏、i b m 、m i c r o s o f t 等多家公司联合制订的，经过四年多的发展在1 9 9 8 年提 出了u s b i 1 协议。目前u s b i 1 标准得到了广泛的支持。这种支持体现在从 w i n d o w s 操作系统到u s b 接口芯片等一系列软件与硬件产品中。2 0 0 0 年初，u s b 2 0 标准问世，u s b 2 0 以4 8 0 m b s 的传输速度得到了广泛的关注，在一定程度上代 表了计算机的接口的发展趋势h 1 。 u s b 作为新一代的计算机接口，具备如下的特点： 1 ) 能覆盖高、中、低速范围的总线，适用范围广。 2 ) 成本低。 3 ) 热插拔。u s b 实现了真正的“即插即用”( p n p ，p l u ga n dp l u g ) 功能，设备 连接后由u s b 自检测，并且由软件自动配置，完成后立即就能使用，不需要 用户进行干涉。在操作系统方面，由主机扫描总线上的所有接口，自动识别 u s b 设备插拔，并且相应的加载或是卸载设备驱动程序，实现即插即用功能。 4 ) 最多能通过网络连接1 2 7 个设备。每个u s b 总线支持1 2 7 个设备的连接。 5 ) 独立供电。u s b 通过集线器端口提供电源给设备。当外设的电源电压为5 v 且 电流少于5 0 0 m a 时，可以直接从u s b 总线获取电源。 6 ) 电源保护。如果连续3 m s 没有总线活动，则u s b 会自动进入挂起状态处于 挂起状态的设备消耗的电流不超过5 0 0 9 a 。 7 ) 支持四种类型的传输方式。包括控制传输、块传输、中断传输和同步传输哺1 。 北京川k 人学i ：硕 。产伊论文 1 3 2u s b 技术现状分析 目f j 国内生产的计算机，与国际上的做法一样，也是全部配置了u s b 接口， 一些外设也采用了u s b 通讯方式。但对于数据采集器和其他仪器通讯接口，采用 u s b 工作方式的产品还没有大范围普及。越来越多的和计算机相联系的产业开始 注意到，采用新的通信传输方式，适应本行业的发展已经成为人们的需要。 总之，u s b 总线及设备是计算机技术高速发展的必然产物。在国内1 9 9 9 年 初才陆续出现了u s b 摄像头等少数几样产品，且都是从台湾引进的。但最近，我 们已经经常能够见到u s b 方面的产品了，如具有u s b 接口的音箱，带有u s b 接口 的显示器等。这些方面的研究，j 下在变革着传统的计算机技术。传统的计算机与 外部设备的通信方式，仅其通信的接口已经不能适应其发展，内存和处理技术飞 速发展，几个月内就会有技术上的新突破，但计算机与外部设备的通信方式多年 来并没有什么改变，这显然已经成为计算机系统发展的一个障碍。而u s b 的出现， j 下逐渐改变着传统的通信方式。它显然给电脑外部设备带来了极大的方便。 相对于其它计算机设备而言，国外产品在u s b 设备方面的市场竞争优势并不 十分明显。因为对u s b 技术的研究正在不断地进行当中，新的规范不断地发布， 支持规范的器件也随之出现，我们应该能够跟上这个形势。开发具有u s b 接口的 设备，迎合人们对计算机产品的需要，应该是国内硬件产品发展的重要方向之一。 尤其是对于u s b 仪器的研究会成为将来本行业技术发展的一个重要方向，它将改 变人们对传统仪器的概念，开发出使用方便、容易操作、易于被人们接受的新型 仪器。 1 4 研究目的及主要研究内容 通过对上面数据采集设备数据传送方式的简要介绍，可以很清楚地看出u s b 作为数据采集接口方式有着许多优点，u s b 总线的研究有着重要的理论意义和实 用价值。因此本论文将其作为研究对象，设计了u s b 接口的数据采集系统。 主要研究工作： 1 ) 经过充分的调查研究后，了解目前最主要的几种数据采集方式以及它们之间 的不同特点和应用场合，确定u s b 接口形式的数据采集方式。 2 ) 在充分研究t s b 通信原理的基础上，提出系统的主要设计框架，进行系统的 硬件分析，熟悉e k s t m 3 2 f 型开发板硬件的原理图、p c b 板图并进行系统调 试。 3 ) 使用c 语言进行设备端固件程序的设计，采用模块化、结构化函数编程，使 之具有可读性强、移植性高等特性，又能完成系统的功能要求。 第1 节绪沦 4 ) 在研究w d m 型u s b 驱动程序构架的基础上，运用驱动程序丌发工具，设计能 实现数据传送功能的驱动程序。 5 ) 采用v c 6 0 开发用户服务程序，完成程序的可视化应用。 6 ) 将u s b 实时数据采集卡实验模型加以改进，增加存储电路以满足油井压力数 据采集回放系统的工程应用要求。 ，l 匕京。川k 人学7 硕十学伊论文 璺量曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼! 曼曼舅曼蔓曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 鼍i 曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼曼曼曼曼 第2 章u s b 通信原理及系统总体框架设计 在数据传输方面，u s b 支持不同类型设备的数据传输( 周期性数据传输和非 周期性数据传输) 晴1 。本章对u s b 的传输进行了分析，其中包括u s b 通信结构、 传输原理、传输类型与分析，以及传输错误处理等。在对u s b 通信原理综合分 析的基础上针对实际应用场合的要求，提出了系统总体框架设计及设计目标。 2 1 u s b 协议概述 u s b 协议所说的通信是指u s b 设备和u s b 主机之间的通信。总线上设备通 过一条物理连线和主机通信，所有的设备共享这条物理链路。逻辑上，主机给每 个设备提供了一条逻辑上的连接，每个设备都有这样一条点对点的连接。 2 1 1u s b 系统构成 一个u s b 系统被定义为三个部分：u s b 的互连、u s b 的设备、u s b 的主机阻7 1 。 2 1 1 1u s b 设备的互连 u s b 的互连是指u s i 设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下 方面： 1 ) 总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接方式。 2 ) 内部层次关系：根据性能叠黄，u s b 的任务被分配到系统的每一个层次。 3 ) 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。 4 ) u s b 的调度：u s b 提供了一个共享的选择。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。 u s b 的拓扑结构： u s b 系统通过具有相同接口的串行连线将不同的设备连接在一起。u s b 的物 理拓扑为分层的星型结构，由三部分组成：u s b 主机( h o s t ) 、u s b 集线器( h u b ) 和u s b 设备( d e v i c e ) 。u s b 主机是星型结构的中心，它通过u s b 集线器级连更多 u s b 设备组成u s b 系统，u s b 系统允许同时连接1 2 7 个外设。由于总线电气性能 原因物理上u s b 设备最多可以通过u s b 集线器扩展6 层。u s b 采用物理分层的星 型结构的目的之一就是防止闭环，从逻辑上看，u s b 主机可以与分层的u s b 设备 直接通信，好像与设备直接连接一样。u s b 的物理拓扑结构如图2 - i 所示。 菊2 章l 1 s b 通信原砰及系统总体机架设汁 图2 - 1u s b 物理拓扑结构 f i g u r e2 - 1u s bp h y s i c a lt o p o l o g y 7 1 2 1 1 2u s b 主机与设备 u s b 主机作为u s b 系统的主控组件，u s b 主机控制总线上所有u s b 设备和所 有集线器的数据通信过程。整个u s b 系统中只允许一个，而且必须要有一个u s b 主机控制整个系统的数据传输工作。所有的数据传输都是由u s b 主机端发起的， 如果u s b 主机嵌在一个计算机系统中，在数据传输过程中也不需要计算机的c p u 参与传输工作。现在u s b 主机控制器主要采用i n t e l 公司制定的u h c i ( u n i v e r s a l h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 规范，嵌入式一般采用c o m p a q 公司和m i c r o s o f t 公司制定的o h c i ( o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 规范。 u s b 设备通过总线与u s b 主机相连，它们根据属性不同完成不同的功能。根 据数据传输速度的不同，u s b 设备被分为全速设备( 1 2 m b s ) 和低速设备( 1 5 m b s ) 两种。在u s b 2 0 版本中还定义了高速设备，达到4 8 0 m b s 。u s b 通过主机提供的 协议软件和u s b 设备通信获得设备的信息，并给设备提供驱动。 2 1 2u s b 电器连接特性 u s b 通过一个四线电缆来传输信号与电源协1 ，如图2 2 所示。 v b u s d + d - g n d v b u s d + d g n d 图2 - 2u s b 电缆 f i g u r e2 - 2u s bc a b l e 其中d + 和d 一是一对互相绞缠的标准规格线，用于传输差模信号，而v b u s 和 ，i t 京川p 人号：- 学硕十7 ：伊论文 g n d 则是符合标准的电源线，提供了5 v 的电源，它可以给一些设备( 包括h u b ) 供电，当然要有一定的条件限制。 u s b 信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线，而且最长不能超过 5 m 。而在低速模式时中可以使用不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不能超过3 m ， 这主要是由于信号衰减的限制。为了提供信号电压保证，以及与终端负载相匹配， 在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载，这种终端负载也保证了能够检测外 设与端口的连接或分离，并且可以区分高速与低速设备。 u s b 总线电源最大给设备提供5 0 0 m a 的电流，基本上可以满足小型外设的电 源需求。u s b 主机可以对电源进行分配，即u s b 的设备可通过u s b 总线获得大小 不同的电流。u s b 总线通过电缆只能提供有限的能源，每个u s b 总线设备都可能 有自己的电源，一个u s b 设备可以具有这两种供电方式，但同一时刻只能由一种 方式供电，这两种供电方式是可以切换的。集线器也可由与之相连的u s b 总线提 供电源。 u s b 总线主机与u s b 系统有相互独立的电源管理系统。u s b 总线的系统软件 可以与主机的电源管理系统共同处理各种电源事件，如挂起、唤醒。它的特点是， u s b 总线设备应具备特有的电源管理特性，可让系统软件控制电源管理。所有的 设备都必须支持挂起状态，并可从任意电平状态进入挂起状态。当设备发现他们 的上行总线上的空闲状态持续时间超3 o m s 时，他们便进入挂起状态。处在挂起 状态的设备，当它的上行端口接收到任一个非空闲信号时，将唤醒它的操作。 速度不同的u s b 设备在其上游端口处的不同位置装有一个上拉电阻。对全速 设备来说，上拉电阻在d + 线上，而低速设备的上拉电阻在d 一线上。上拉电阻的 阻值为1 5 kq 。对设备速度的检测是由所连接的集线器通过d + 和d 一线上的不同 电平值完成，图2 - 3 说明了主机对全速u s b 设备速度检测的物理连接结构。 u s b 主机或集线器端口 r p u 1 全速u s b 总 一l 全速u s b 设 线收发器 印0 f 一j ) 亡 备收发器 r p 斫 。 士上 r p d1 5 k r p u1 5 k 专 u s b 全速设备 图2 - 3 全速u s b 设备速度检测的物理连接结构 f i g u r e 2 - 3p h y s i c a lc o n n e c t i o na r c h i t e c t u r e 设备动态插拔检测： u s b 系统支持设备的动态插上和拔下，由于u s b 主机下游端口上的下拉电阻 和设备的上游端上拉电阻的不同配置从而导致了不同编码状态。在没有设备插入 的情况下，u s b 下游端口的d + 和d 一都是低电平。当有设备插入时，d + d 一经过一 - 8 菊2 市i _ s p , 通信原砰及系统总休水架设计 个过渡时间变成高电平状态的阶段，这个过渡时期一般为2 5us 。当u s b 设备 拔下时，经过2 5i ls ，又变成低电平的断开状态。u s b 设备的插拔检测如图2 4 所示。 v d d 。j 。i 。 v s e - j - d v c r 一 r ! - v s e 一 - - 毒一；- ；一 v s s - - - - j - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - j - - - - - - - - - - - - - ii v d d v s e - - - d + v c r v s e - - v s s 实际拔下 图2 - 4u s b 设备的插拔检测 f i g u r e2 - 4d e t e c t i o no fu s b d e v i c e 2 1 3u s b 信号特性 一 插上检测 u s b 的数据信号是差分驱动的，它们在数据传输过程中的分别有差分态( 1 或 o ) 、静止态( 1 或0 ) 和单终端0 ( s e o ) 等状念。协议根据这些状态判断设备的速率、 信号所代表的数据意义等。不论对全速设备还是低速设备来说，当d + 信号线的 电压比d _ 信号线的电压高2 0 0 m v 时，表示差分“l ：当d + 信号线的电压比d _ 信 号线电压低于2 0 0 m v 时，表示差分“0 ”，它们表示信号的变化过程。静止“l 和“0 表示信号处于空闲状态时的编码情况，它定义成“1 和“0 ”，它们独立 反映d + 和d 一线的电平情况，一般用于设备插上、拔下、挂起等状态。当d 十和d _ 信号线的电平都低于v s e 时，表示信号处于单终端( s e o ) 。它是包结尾的一部分 ( e o p ) 。 在u s b 系统中，数据按照包的格式传输，传输方在数据的前面加上同步字段， 后面加上信息包结尾( e o p ，由s e o 和一位j 信号组成) 。总线先传输最低字节的 最低位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) ，接着传输次低位，最后传输最高位( m o s t s i g n i f i c a n tb i t ，m s b ) ，按照从低位到高位同样的顺序接着传输次字节，最后 传输最高字节数据( m o s ts i g n i f i c a n tb y t e ，m s b ) 。 位编码、解码和同步方法： u s b 中的数据采用反向不归零( n r z i ：n o n e - r e t u r nt oz e r oi n v e r t e d ) 编码 方式。 北京i j 、l p 人号：r 9 鼬页f 号! 伊论文 n r z i 的编码规则： 当有多个“0 ”的信息时，信号的每一位时间按方波变换。 当有多个“1 ”的信息时，信号的每一位时间状态不变。 当有从“1 ”到“0 的信息时，信号的状态要求变换。 当有从“0 ”到“1 的信息时，信号的状态要求不变。 u s b 协议为总线定义的物理连接只有电源线和两根数据线，没有定义专门用 于同步的连线。总线的同步信息包含在数据包中，称为同步字段。它位于每个包 的最前面，为了达到同步，它由发送方最先发送出去，通过同步字段，接受方和 发送方的锁频环达到信号同步，状态为k j k j k j k k 。 全速设备传输的位编码示例如图2 - 5 所示：数据位11 0 1 0 0 0 1 0 0 ，其中“1 表示静止。 ii llllli li li ll ii ii lll i i li il ii 1 1 1o0000oo1 110101000100 1 1 1 s e 0 d 一_ 几厂1 几厂1厂 广 n广 d + 几几门厂 广 n 门 l ；h 耐l 1 赢i i 苫吲 图2 5 全速传输的位编码格式 f i g u r e2 - 5 b i tc o d ef o r m a ti nf u l ls p e e d 位填充： 由于u s b 系统采用n r z i 编码，对于一串0 来说，它的数据线的电平状态会 按位跳变，但是对于一串l 来说则不然。如果数据传输中有一串1 ，因为数据线 的电平状态长时间不变可能会导致数据接受方的时间漂移。为了确保数据的发送 方和接受方的时间同步得以保持，协议要求数据传输过程中，每遇到6 个1 就在 n r z i 编码之前添加一个0 ，称为位填充( b i ts t u f f i n g ) 。 2 1 4u s b 总线通道 2 1 4 1u s b 外设端点 端点是位于u s b 设备中与u s b 主机进行通信的基本单元呻1 。每一个u s b 设备 在主机看来就是一个端点的集合，主机只能通过端点与设备进行通讯，以使用设 备的功能。每个端点实际上就是一个定大小的数据缓冲区，每个设备允许有多 个端点，每一个端点只支持一种传输方式，这些端点在设备出厂时就已定义好。 在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4 位的端点号给 出的。每个端点都有一定的特性，其中包括：传输方式、总线访问频率、带宽、 第2 帚i s j 通信原砰及系统总体桁架设汁 端点号及数据包的最大容量等等。端点必须在设备配置后才能生效( 端点0 除 外) 。端点0 通常为控制端点，用于设备初始化参数等，其他端点一般用作数据 端点，存放主机与设备间往来的数据。除了控制传输的端点外，其余3 种方式都 是单向的，也就是说，对于另外三种传输方式来说，每一种方式想完成设备和 u s b 主机的双向通信都必须至少有一收一发两个端点。 2 1 4 2u s b 管道 对于u s b 的通信，可将其视为管道( p i p e ) 连接阳1 ，如图2 - 6 所示。一个u s b 管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接，是u s b 设备和u s b 主 机之问数据通信的逻辑通道，管道的物理介质就是u s b 系统中的数据线。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，所有的设备必须支持 端点0 以作为设备的控制管道，通过控制管道可以获取完全描述u s b 设备的信息， 包括：设备类型、电源管理、配置、端点描述等等。只要设备连接到u s b 上并且 上电，端点0 就可以被访问，与之对应的控制管道就存在了。 图2 6u s b 管道与端点 f i g u r e2 - 6 u s bp i p e sa n de n dp o i n t s 一个u s b 设备可以分为三个层：最底层是总线接口，用来发送与接收包；中 间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流通，一个端点是数据最终的使用者 或提供者，它可以看作数据的源或接收端；最上层就是u s b 设备所提供的功能， 比如鼠标或键盘等n 砌。 2 1 5u s b 数据传输类型 为了满足不同外设和用户的要求，u s b 提供了四种传输方式：控制传输、批 量传输、中断传输、同步传输n ，它们在数据格式、传输方向、数据包容量限制、 总线访问限制等方面有着各自不同的特征。 ( 1 ) 控制传输 北京i j 、i p 人学t ：硕十；：何论文 控制传输通常用于配置命令状态等情形，其中的设置操作s e t u p 和状态操 作s t a t u s 的数据包具有u s b 定义的结构，因此控制传输只能通过消息管道进行。 控制传输支持双向传输，对于高速设备，允许数据包最大容量为8 、1 6 、3 2 或 6 4 字节；对于低速设备只有8 字节一种选择。端点不能指定总线访问的频率和 占用总线的时间，u s b 系统软件会做出限制。控制传输具有数据传输保证，在必 要时可以重试。 ( 2 ) 批量传输( 块传输) 批量传输用于大量的、对时间没有要求的数据传输。数据没有u s b 定义的结 构，通过数据流管道传输。批量传输只能单向传输，若外设需要双向传输，则必 须使用另一个端点。批量传输只用于高速设备，数据包最大容量为8 ，1 6 ，3 2 或 6 4 字节。没有带宽的保证，只要有总线空闲，就允许传输数据，优先级小于控 制传输。批量传输具有数据传输保证，必要时可以重试，以保证数据的准确性。 ( 3 ) 中断传输 中断传输用于非周期的、自然发生的、数据量很小的信息的传输，如键盘、 鼠标等。其数据没有u s b 定义的结构，通过数据流管道传输。只有输入这种传 输方式，即外设到主机。对于高速设备，允许数据包最大容量小于或等于6 4 字 节。对于低速设备只能小于或等于8 字节。中断传输具有最大服务周期，即在规 定时间内保证有一次数据传输。与同步方式一起，占用总线的时间不得超过一帧 的9 0 。中断传输具有数据传输保证，在必要时可以重试。 ( 4 ) 同步传输 同步传输是一种周期的、连续的传输方式，通常用于与时间有密切关系的信 息的传输。其数据没有u s b 定义的结构，通过数据流管道传输。同步传输只能单 向传输，如果外设需要双向传输，则必须使用另一个端点。同步传输只用于高速 设备，数据包的最大容量可从0 到1 0 2 3 个字节。具有带宽保证，并且保持数据 传输的速率恒定，每个同步管道每帧传输一个数据包。同步传输没有数据重发机 制，要求具有一定的容错性。与中断方式一起，占用总线的时间不得超过一帧的 9 0 。 2 1 6u s b 描述符 u s b 协议为u s b 设备定义了一套描述设备功能和属性的有固定结构的描述 符，包括标准的描述符即设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和 字符串描述符，还有非标准的描述符，如类描述符等。u s b 设备通过这些描述符 向u s b 主机汇报设备的各种属性，主机通过对这些描述符的访问对设备进行类型 识别、配置并为其提供相应的客户端驱动程序，运行于u s b 协议栈上层的客户端 驱动程序通过这些信息正确访问设备并与其通信，以实现即插即用的目的。因此 正确理解描述符中包含的不同信息对u s b 协议的研究和开发具有非常重要的意 义。 u s b 设备通过描述符来反映自己的设备特性。u s b 的描述符是由特定格式排 列的一组数据结构组成。u s b 主机通过描述符使得它对u s b 设备的配置管理变得 简明，因为每个配置都可能会重复使用其他有相同特性的配置描述符的部分或全 部。用这种方法，描述符用一个关系数据库就可描绘成一个个单独的数据记录。 u s b 系统支持字符串描述符，它提供了比较易读的设备信息，用来描述设备的型 号、厂商等信息。字符串描述符是可有可无的。 在u s b 设备枚举过程中，主机端的协议软件需要解析从u s b 设备读取的所有 描述符的信息。在u s b 主机向u s b 设备发送读取描述符