（电路与系统专业论文）基于Intel+Xscale处理器嵌入式系统的USB数据通信实现和优化[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 手持嵌入式设备近年来获得了飞速的发展，人们对此类设备和其他设备进行通信的能力提出了 越来越高的要求。在诸多通信方式中。通崩串行总线( u s b ) 日益收到人们的重视。u s b 出现于1 9 9 4 年，如今已经成为p c 的标准外设接口。u s b 目前已经发展到u s b2 0 ，支持高达4 8 0 m b p s 的传输 速率。 在包含大容量存储设备的手持终端和p c 机间传输数据，u s b 提供的1 2 m b p s 传输速度显得 力不从心，为外设提供高速的u s b2 0 接口成为人势所趋。此外，很多情况f 不仅需要在p c 机和 手持设备间传输数据，也需要手持设备直接利其他嵌入式设备进行通信，因此，人们开始为手持设 备提供u s b 主机的能力。 本课题的目标是在手持嵌入式终端上实现u s b2 0 设备和u s b1 1 土机。课题硬什平台以i n t e l p x a 2 7 0 处理器为核心，并集成了众多周边模块，包括u s b2 0 设备控制器和大容昔硬盘，操作系 统采_ i jm i c r o s o f tw i n c e5 o 。 在对u s b 协议进行分析的基础上，本文给出了u s b 2 0 设备的设计和实现。系统采_ j 了n e t c h i p 公司的n e r 2 2 7 2 芯片作为u s b2 0 设备控制器，并设计实现了硬什电路。u s b 设备端软件包括了 u s b 设备驱动和m a s ss t o o g e 设备类驱动两部分，课题的重点在实现n e t 2 2 7 2 的u s b 设备驱动， 包括相应的总线配置和数据传输过程。此外，课题实现的设备类驱动使得系统可以被p c 主机识别 为一个移动硬：| ； 。 接着，本文介绍了课题u s b 主机的实现。u s b1 1 土机端硬件基于p x a 2 7 0 集成的u s b 主机 控制器，还使用了一片电源芯片用于u s b 主机供电的控制。课题u s b 主机端的软竹实现包括了三 个部分，即支持o h c i 标准的主机控制器驱动、u s b 系统驱动、支持m a s ss t o r a g e 协议的设备类驱 动。 在实现系统基本功能的基础上，课题对u s b 接口的传输速度和功耗进行了优化，并进行了性能 测试。缶! i 栗表明，系统实现了u s b 通信的功能，运行效果良好。 关键词；u s bp x a 2 7 0x s c a l ew i n c e 主机设备大容量存储 a b s t r a c t a b s t r a c t h a n d h e l de m b e d d e dd e v i c e sh a v eb e e nm a k i n gg r e a tp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s 1 1 1 e i r a b i l i t yt o c o m m u n i c a t ew i t ho t h e rd e v i c e si sn l o me m p h a s i z e dt h a l lb e f o r e c o m p a r e dw i t ho t h e rd a t at r a n s f e r t e c h n o l o g i e s ，t h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) s e e m st ob em o r ep o p u l a r a n n o u n c e di n1 9 9 4 ，u s bh a s b e c o m et h es m n d a r dp e r i p h e r a li n t e f f a c eo fp c n o ww eh a v et h en e wv e r s i o n u s b2 o w i t hat r a n s f c r r a t eo f 4 8 0 m b p s a tt h es p e e do f1 2 m b p so fu s b1 1 i ti si n s u f f e r a h i et ot r a n s p o i td a t ab e t w e e np ca n dah a n d h e l d d e v i c ew i t hl a r g es t o r a g e s oi ti sn e c e s s a r yt op r o v i d ed e v i c e sw i t hu s b2 0i n t e r f a c e t h e r ea r em a n y s i t u a t i o n si nw h i c hw eh a v et ot r a i l s f e rd a t ab e t w e e ne m b e d d e dd e v i c e sw i t h o u tp a r t i c i p a n c eo fp c ，a n df o r t h i sr e a s o n d e v i c e sw i t hu s bh o s ta b i l i t ya l ed e v e l o p e d a j mo ft h i sr e s e a r c hi st oi m p l e m e n tu s b2 0d e v i c ea n du s b1 1h o s to no u rh a n d h e l dp l a t f o r m t h i s p l a t f o r mh a sa n i n t c l p x a 2 7 0 p r o c e s s o r c o r e w i t ha l o t o f p e r i p h e r a l s 。s u c h 舔u s bd e v i c e c o n t r o l l e r a n dh a r dd i s k o so f t h i sp l a t f o r mi sm i c r o s o f t w i n c e5 o w eu s en e t e h i pn e t 2 2 7 2a su s b2 0d e v i c ec o n t r o l l e ra n dd e s i g n e di t sh a r d w a r es c h e m a t i c u s b d e v i c ed r i v e ra n dm a s ss t o r a g ed e v i c ed r i v e rm a k eu pt h es o f t w a r ep a r to fo u ru s bd e v i c e d e v i c ed r i v e r f o rn e t 2 2 7 2f o c u s e so nb u sc o n f i g u r a t i o na n du s bd a t at r a n s f e r s ，w h i l em a s ss t o r a g ed e v i c ed r i v e r m a k e su sa ”m o b i l eh a r dd i s k ”t op ch o s t u s b1 1h o s tc o n t r o l l e rj n t e g r a c r di np x a 2 7 0i st h eh a r d w a r eb a s i so fo u ru s bh o s ta n da l s o w e u s e dap o w e rc h i pt om a n a g eu s bp o w e rs u p p l y h o s ts o f t w a r ei sd i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s t h eo h c i c o m p l i a n th o s tc o n t r o l l e rd r i v e r t h eu s bs y s t e md r i v e r a n dt h em a s ss t o r a g ec l i e n td r i v e r a f t e rr e a l i z i n gb a s i cf u n c t i o n s ，w eo p t i m i z e do u rp l a t f o r mi nt r a n s f e rr a t ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n ， a n dm a d es o m et e s t s k e yw o r d s ： u s bp x a 2 7 0x s c a l ew i n c eh o s tc l i e n tm a s ss t o r a g e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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i i i i 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，也不包含为获得东南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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：二雄导师签名： 1 研究背景 绪论 近年来手持嵌入式设备获得了长足的发展，功能日盏增强。随着消费类电子产品的不断普及， 此类设备与其他设备的通信能力越来越为人们重视。人们需要使用p c 机和嵌入式设备通信，甚至 让嵌入式设备作为主机和其他嵌入式设备通信。在各种数据传输方式中，通_ i j 串行总线( u s b ) 以 其具备的诸多优势，越来越受到欢迎。 u s b 最早出现于1 9 9 4 年1 1 月，目的是简化p c 外设的迮接，使p c 接口的扩展更加容易。u s b 具有数据传输可靠、速度快、即插即用、节省系统资源、成本低、兼容性好等一系列优点，是计算 机外设连接技术的重大变革。经过多年发展，目前u s b 已经发展到2 0 版本，支持低速( 1 5 m b s ) 、 全速( 1 2 m b s ) 、高速( 4 8 0 m b s ) 三种传输速率，并且出现了u s bo t g 等补充协议。目前u s b 已 经成为p c 机必备的通信接口 本课题来源于一个手持嵌入式终端项目。该终端采_ h j 了性能强大的嵌入式处理器和操作系统， 并且采用了人容量硬盘作为存储介质，以满足大数据晕存储的需要。终端使用u s b 实现和p c 间的 数据同步面对上g 字节的数据传输量，u s b1 1 不超过1 2 m b p s 的传输速度显得力不从心。因此 课题提出为系统提供u s b2 0 的能力。 此外，很多情况下需要该手持终端希i 其他设备通信，如读写u 柱中的图片、数据等等。以往 这一过稃需要p c 作为传输的中介，即先将数据传入p c 主机，再从p c 主机传入嵌入式终端。课题 提出为本手持终端提供u s b 主机的能力，从而可以绕开p c ，直接在嵌入式终端之间进行数据传输。 2 课题主要研究工作 课题的主要内容是在以i n t e lp x a 2 7 0 和m i c r o s o f t w i n c e 5 0 为基础的嵌入式平台上，实现支持 m a s ss t o r a g e 协议的u s b1 1 主机利u s b2 0 设备端。 具体研究j 二作包括： 理解u s b 协议，明确u s b 主机和设备端的层次划分和实现框架 基于n e t 2 2 7 2u s b2 o 设备控制器，实现u s b2 0 设备端系统作为一个m a s ss t o r a g e 设备， 与u s b 主机通信 以p x a 2 7 0 片内集成的u s b1 1 主机控制器为基础，实现系统的u s b 主机功能系统支持符合 m a s ss t o r a g e 协议的u s b 外设 在实现u s b 通信基本功能的基础上。对传输速率和功耗等性能进行优化和测试 3 论文内容 本论文论述了嵌入式平台上u s b1 】土机和u s b2 0 设备端的实现，可以分为六部分，第一部 分是绪论；第二部分分析了u s b 协议的框架、物理和电气特性，以及u s b 的数据流模璋! ；第三部 分介纠了课题实现所基于的软便什平台：第四部分是基于n e t 2 2 7 2 的u s b2 0 设备的设计与实现， 该设备符合m a s ss t o r a g e 协议；第百部分描述了基于p x a 2 7 0 的u s b1 1 土机的设计利软硬件实现， 该主机能够识别和读写u s bm a s ss t o r a g e 外设。第六部分对主机端和设备端进行了一些优化并给出 测试结果。 具体章节安排如下： 绪论 第一章：u s b 协议概述 第二章：软硬什平台 东南大学硕士学位论文 第三章： 第四章： 第五章： 基tn e t 2 2 7 2 的u s b 2 0 设备 支持m a s ss t o r a g e 协议的u s b1 1 主机 性能优化和测评 2 第一章u s b 协议概述 i iu s b 的发展历程 第一章u s b 协议概述 u s b ( 通用串行总线，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是用于p c 和外设之间通信的工业标准，最早出现 实在1 9 9 4 年。当时c o m p a q 、d i g i t a le q u i p m e n t 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n o r t h e r nt e l e c o m 七家公 司联合提出了u s b 标准，目的是以它来取代以往的多种p c 外设接口( 诸如r s 2 3 2 、p s 2 等) 1 1 1 u s b 的设计目标，在于提供一种即插即用、价格低廉、易丁= 扩充的标准接口。可以满足较高速 率的数据传输，并且实现对诸如音频、视频筲实时数据的充分支持，同时，具备高度的可扩展性， 可以应用于多种设备。 u s b1 0 标准出现于1 9 9 6 年1 月，u s b1 1 标准则在1 9 9 8 年9 月提出，二者升没有实质性的区 别。u s bl l 提供了两种传输速率：低速( f u l ls p e e d ，1 5 m b s ) 和全速( f u l ls p e e d 1 2 m b s ) 。 2 0 0 0 年4 月，c o m p a q 、h e w l e t t p a c k a r d 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 嗣ip h i l i p s 七家公司联 合提出了u s b2 0 标准，在兼容u s b1 1 的基础上，新标准提供了更好的性能，高速( h i g hs p e e d ) 模式下的传输速率达到4 8 0 m b p s 。u s b2 0 的高传输速率很好地满足了大容量存储、视频传输等场 合的需求。 1 2 u s b 总线拓扑 一个u s b 系统可以视为由三部分组成 u s b 主机( u s b h o s t ) u s b 设备( u s bd e v i c e s ) u s b 连接( u s bi n t e r c o n n e c t ) ：u s b 设备和主机之间迎接和通信的方式 图i - iu s b 总线拓扑结构 7 图1 1 给出了u s b 的总线拓扑，u s b 的物理连接是一种分层星型( t i e r e ds t a r ) 结构，集线器 ( h u b ) 是每个星型结构的中心，每一段连接都是点对点的，它们可能是： 主机一集线器 主机一设备 3 东南大学硕士学位论文 集线器一集线器 集线器一设备 由于集线器的时序限制和传输线的传输延迟，u s b 拓扑结构允许的最大层次数是7 ( 包括根集 线器) 。一个u s b 系统中只有一个主机，根集线器集成在主机中；u s b 设备有两种，包括集线器( h u b ) 和设备端( f u n c t i o n ) 。 1 3 物理连接 u s b 的物理连接包括电器特性和机械特性两部分。 1 3 1 电器特性 图l - 2 是u s b 采用的四线传输线，四根线分别是 电源线v b u s 地线g n d 差分信号数据线d + ，肛 v 转u s d 十 d g n d u s b2 0 提供了三种传输速率 高速h i g hs p e e d ，4 8 0 m b s 全速f u l ls p e e d ，1 2 m b s 低速l o ws p e e d ，1 5 m b s 图1 - 2u s b 传输线 v b u s d d g n d 对于全速和低速的u s b 数据，它们在u s b 主机控制器和h u b 之间仍然以高速来传送，只是在 h u b 和设备端之间才以全速或者低速来传输，这使得全速、低速设备对u s b 总线带宽的影响减到最 小。 使明差分信号传输数据有效地提高了传输线的抗干扰能力，u s b 的时钟信号使_ i j ln r z i 编码在 差分信号中。 1 3 2机械特性 所有u s b 设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器不可简单的互换，这样就避免了 集线器间的1 e 法的循环往复的连接。u s b 电缆中有四根导线：一对互相缠绕的标准规格线，一对符 合标准的电源线，近接器有四个方向，具有屏敝层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 1 4数据流模型 1 4 1 框架 复杂系统往往采朋层次结构来实现，不同层次的实现者只需要天心相关层次的特性功能细节， 而不必学握从硬什结构剑软件系统的所有细节。 u s b 即采用了图1 - 3 所示的三层结构，主机与设备都被划分成不同的层次。黑色的箭头代表实 4 第一章u s b 协议概述 际的信息流，在土机与设备之间的所有通信晟终都是通过u s b 的传输线进行。然而，在上层的水平 层之间存在逻辑的主机一设备信息流。主机上的客户软什和设备功能部件之间的通信基于实际的应 用需求及设备所能提供的能力。 _ _ i 实际通信流 = = = = = 令 逻辑通信流 图1 - 3u s b 数据流 1 4 2u s b 通信流 fu s b h ( , i ”。即”、- h o 1 i m 晦o n n 订 p n y 1 c d 一0 应用层 u s b 驱动层 i ， l i l 。；。，一 点暴。! g _lf i 。 l 、 甜n - h 棚r h b 1 l j ；一i i “。”。 | r r ! p i p eb uj 诗， n i - 计 it 群 。一。ll 。 i h m 。瓣| p 船 l l u s bl o g l f a l u s b s y q m s i ie n “ m - n 朝i d r q hp i p e 0 m m r 罩t ，u $ 嬲l i 留u s 6i王l 矗“一 i 瞄 卜1 l - 圈。：黑：搿：裟? ：黜，n 、 l 。：= “ 幸一“一一m ：= 刚。， 图l _ 4u s b 通信流细节 图1 - 4 给出了u s b 通信流的细节，从逻辑上讲，u s b 数据的传输是通过管道( p i p e ) 进行的。 u s b 系统软州通过缺省管道( 与端点0 相对应) 管理设备。设备驱动稃序通过其它的管道米管理设备 东南大学硕上学位论文 的功能接口。实际的数据传输过程是这样的：设备驱动辫序调_ l l ju s b d 接口( u s bd r i v e ri n t e r f a c e ) ， 发出输入输出请求( i r pi or e q u e s tp a c k e t ) ；u s b 驱动程序接到请求后，调h c d 接口( h o s t c o n t r o l l e rd r i v e ri n t e r f a c e ) 将i r p 转化为u s b 的传输( t r a n s f e r ) ，一个i r p 可以包含一个或多 个u s b 传输：然后 i c d 将u s b 传输分解为总线操作( t r a n s a c t i o n ) 。由主控制器以包( p a c k e t ) 的形式 发出需要注意的是所有的数据传输都是由主机开始的，任何外设都无权开始一个传输。 i r p 是由操作系统定义的，而u s b 传输与总线操作是u s b 规范定义的。u s b 总线将1 r s 定义为 一帧，每帧以一个s o f 包为起始，在这i m s 里u s b 进行一系列的总线操作引入帧的概念主要是为了 支持与时间有关的总线操作。 1 4 3四种传输类型 u s b 通过通道在主机b u f f e r 与设备端点问传送数据，在消息通道中传递的数据具有u s b 定义的 格式，它的数据净荷区中包含的数据允许具有设备指定的格式。u s b 要求任何在通道上传送的数据 均被打包，数据的解释t 作由客户软件和麻用层软什负责。u s b 提供了多种数据格式，使之尽可能 满足客户软件利应_ h j 软件的要求。一个i r p 需要一个或多个总线处理事务来完成。 每个传送类型在以f 的几个传送特征上会有不同： u s b 规定的数据格式 信息流的方向 数据净荷区的长度限制 总线访问的限制 延时韵限制 山错处理 u s b 设备的设计者可以决定设备上每个端点的能力。一旦为这个端点建立了一个通道，这个通 道的绝大多数传送特征也就固定下来了一商到这个通道被取消为止。也有部分传送特征可以改变， 对这样的特征，将会在介绑每个传送类型时作出说明。 u s b 定义了如下4 种传送类型； c o n t r o lt r a n s f e r ( 控制传输) 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，冈此控制传输只能通过消息管道进干_ 。它支持救向传输，对于高速设备允许 数据包最大容鼍为8 1 6 3 2 或6 4 字节，对丁二低速设备只有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。 b u l kt r a n s f e r ( 批传输) 批传输用丁：丈蕈的对时间没有要求的传输场合，数据没有u s b 定义的结构。批传输是单向传输， 如果一个外设需要舣向传输则必须使h j 另一个端点。它只能用丁二高速设备，允许数据包最大容鼙为 8 1 6 3 2 或6 4 字节。批传输没有带宽的保证，只要有总线空闲就允许传输数据，优先级小于控制传输： 但是具有数据传输保让，在必要时可以重试，以保证数据的准确性。 s y n c h r o n o u st r a n s f e r ( 同步传输) 同步传输是一种周 l 3 的近续的传输方式，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。同步传输同样是单向传输，如果一个外设需要双向传输则必须使爿j 另一个端点。 它只能刚丁：高速设备，数据包的晟人容苗可以从0 剑1 0 2 3 个字节。同步传输具有带宽保证，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；但是没有数据重发机制要求，具有一 定的容错性。同步传输与中断传输一起占_ e i j 总线的时问不得超过一帧的9 0 ； 6 第一章u s b 协议概述 i n t e r r u p tt r a n s f e r ( 中断传输) 中断传输用丁：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 定义的结构它只有输入这一种传输方式，即外设到主机。对于高速设备允许数据包最大容茸为小 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保证，即在规 定时间内保证有一次数据传输，它与同步方式一起占用总线的时问不得超过一帧的9 0 。中断传输 具有数据传输保证，在必要时可以重试。 图卜5 描述了输入输出请求( i l c p ) ，传输( t r a n s f e r ) 与事务处理( t r a n s a c t i o n ) 之间的关系。 圈1 5 通信流的传送方式 1 5 u s b 协议层 控制传送首先是个o u t 方向的s 唧事务，然后是 多个i n 方向或o u t 方向 数据事务，最后是一个 与数据反向的s t a t u s 事务 所有u s b 总线操作都可以归结为三种包( p a c k e t ) 的传输。任何操作都是从主机开始的，主机 以预先排好的时序，发出一个描述襟作类型、方向、外设地址以及端点号的包，这个包被称为为令 牌包( t o k e np a c k e t ) 。然后，令牌包指定的数据发送者发出一个数据包( d a t ap a c k e t ) 或者指出它 没有数据可以传输。数据的接收者一般要以一个握手包( h a n d s h a k e p a c k e t ) 作山响应，表示传输是 否成功。 1 。5 1字段的格式 同步字段( s y n c ) 所有的u s b 包都起始丁i 同步字段。它被h j 予本地时钟与输入信号的同步，长度定义为8 位。s y n c 的最后两位作为一个记号表明p i d 的开始。 包标识字段( p i d ) 7 东南大学硕士学位论文 紧跟在同步字段之后的一段8b i t 的脉冲序列称为p i d ( 包标识字段) ，如图卜6 所示，p i d 字段 的前四位用米标记该数据包的类型后四位则作为对前四位的校验。 图1 6p i d 字段 p i d 字段被分为标记p i d ( 共有i n 、o u t 、s e t u p 或s o f 四种) 、数据p i d ( d a t a o 或d a t a l ) 、握手 p i d ( a c k 、n a k 或s t a l l ) 及特殊p 1 d 等。主机根据p i d 字段的类犁来判断一个数据包中所包含的数据 类型，并执行相应的操作。 地址字段 外设端点都是由地址字段指明的。它包括外设地址( h d d r ) 和外设端点( e n d p ) 两个字段。外设必 须解读这两个字段。其中有任何一个不匹配，这个令牌就会被忽略。 如图1 - 7 所示，a d d r 6 ：o 指定了总共1 2 8 个地址。外设地址字段( a d d r ) 指定了外设，它根据 p i d 所说明的令牌的类刑指明了外设是数据包的发送者或接收者。一旦外设被复位或上电，外设的 地址被缺省为0 。这时必须在主机枚举过稃中被赋予一个唯一的地址，而0 地址只能j h j 丁：缺省值， 而不能分配作一般的地址。 图卜7a d d r 字段 ( l s b )( m s h ) 外设端点字段( e n d p ) 有4 位，如图卜8 。它使设备可以拥有几个子通道。所有的设备必须支持 一个控制端点0 ( e n d p o i n to ) 。低速的设备最多支持2 个端点：0 和一个附加端点。高速设备可以支 持最多1 6 个端点。 图1 - 8e n d p 字段 ( l s b ) ( m s b ) 帧号字段 这是一个1 l 位的字段，指明了目前帧的排号。每过一帧( 1 m s ) ，这个域的值加l ，当到达最大 值7 f f i t 后返回0 。这个字段只存在于每帧开始时的s o f 令牌中。 数据字段 数据字段作为一次u s b 数据传输的中心目的，在一个u s b 数据包中可以包含o 1 2 0 3 b y t e 的 数据，而且必须是整数个字节，如图卜9 。 图卜9 数据字段 b y t en - 1b y t en b y t en + i c r c 字段 为保证控制、批传送及中断传送中数据包的正确性，c r c 校验字段被引用到如标记、数据、帧 开始( s o f 3 9 样的数据包中。c r c 校验( 循环冗余校验) 可以给予数据以1 0 0 的止确性检验。 1 5 2 包的类型 在u s b 系统中。有四种形式的数据包：令牌包( t o k e np a c k e t s ) 、数据包( d a t a p a c k e t s ) ，帧 s 第一章u s b 协议概述 开始包( s o fp a c k e t s ) 拳j 握手包( h a n d s h a k ep a c k e t s ) ， 1 5 2 1 令牌包 其中包括i n ( 输入) 、o u t ( 输出) ，s e t u p ( 设置) 和s o f ( s t a r to ff r a m e 帧起始) 四种类型其中i n o u t ，s e t u p 的格式如图卜l o 所示。 对于o 哪秘s e t u p 来说，a d d r 秘e n d p 中所指明的端点将接收剑主机发出的数据包。而对i n 来 说，所指定的端点将输出一个数据包。 t o k e n 和s o f 在三个字节的时间内以一个e o p ( e n do fp a c k e t ) 结束。如果一个包被解码为t o k e n 包，但是并没有在3 个字节时间内以e o p 结束，它就会被看作非法或被忽略。 图卜1 0i n ，o u t ，s e t u p 令牌包格式 8 位7 位 4 位5 位 s o f 包的格式如图卜1 1 所示，主机以一定的速率( 1 m s 0 0 5 一次) 发送s o f 包。s o f 不引起任 何操作。 图1 - 1 1s o f 令牌包格式 8 位1 1 位5 能 1 5 2 2 数据包 用于传输真正数据的d a t a 数据包囤1 - 1 2 ) ，因为p d 的不同可以分为d a t a o 录ld a t a t 两 种。d a t a o 为偶数据包，d a t a | 为奇数据包。d a t a 数据包的奇偶性分类易于数据的双流水处理， 而用于控制传输的d a t a 数据包总是以d a t a o 来传送数据。 图卜1 2数据包格式 8 位o 1 0 2 3 字节1 6 使 p i dd a t a l c r c l 6 l 厂 1 5 2 3 握手包 握手包仅包含一个p i d 字段( 围卜1 3 ) ，a c k 形式的p i d 表明此次u s b 传输没有发生错误， 数据已经成功的传输；而n a k 形式的握手包则向主机表明此次u s b 传输困为c r c 校验错误或别 的原因而失败了，从而使得土机可以进行数据的重新传输；s t a l l 形式的回应向主机报告外设此刻 正处于挣起状态而无法完成数据传输。 图1 - 1 3 握手数据包 8 位 二妇 需要指出的是，每个数据包的结束都会有两个b i t 宽的e o p 字段作为数据包结束的标志，e o p 在著分信号中表现为d + 和d 都处于0 状态。对于高速u s b 外设而言，这个脉冲宽度在1 6 0 9 至塑茎兰堡主兰垡堡皇 1 7 5 n s 之间，而低速设备则在1 2 5 1 5 0 p s 之间无论其厉是否有其它的数据包，u s b 线缆都会在 e o p 字段后紧跟l b i t 的总线空闲位u s b 主机或外设利片je o p 来判断一个数据包的结束。 1 5 3 事务处理格式 块处理事务( b u l kt r a n s a c t i o n ) 块处理事务包括令牌，数据，应答三个阶段。如图卜“所示。对于输入操作如果设备不能返回 数据那么必须发出n a k 或s t a l l 包，对于输出如果设备不能接收数据也要返同n a k 或s t a l l 囹_ 口f t m e l l l o a 图卜1 4 块处理事务格式 图卜1 5 描述了块操作的读写过程以及序列位( s e q u e n c eb i t ) 和数据包p i d 的使用 b u l k w t l t e b 圳敷 r e a d 回口回 d t 舶d t 引 田田。口 o a t a o 0 t a ln t a o 1 图卜1 5 块事务处理读写过穆 控制传输 控制传输主要包括两个事务处理阶段：设置和状态。图卜1 6 给出了设置操作的细节。如果数据 没有正确接收，那么设备就会忽略它，而且不返同应答包。 t o k n d ，t a h a n d h a k e h h 匿 h o e d 口f u n c t i o n 图卜1 6s e t u p 事务处理的格式 图卜1 7 是控制操作的详细描述，其中我们要注意数据包p i d 的使用。 第一章u s b 协议概述 - sl“ m p铀 ，_ 1 ，7 、， 1 帅c o n t r o l 固区五 匝五 e 五口e 五 d a t m )o a t a id a t a ! oataie*data 。c 喇o n t r o l 团 五j 五j 臣五 臣卫 队1 mdata!datai 队t m l t ld a t a ! n 。o - d a t a 区五口 五习 图1 1 7 控制传输读写过程 中断处理事务 中断操作只有输入这一个方向，具体格式与块处理事务的输入情形类似( 图卜1 8 ) 。 “口 图卜1 8 中断事务处理 同步事务处理 同步操作不同于其他类型，只包含西个阶段：令牌和数据( 图1 - 1 9 ) 。因为同步传输不支持重 发，所以没有应答阶段。 口h o a 口f u n c t i o n 图卜1 9 同步事务格式 1 6 u s b 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 设各想 辩一 卫 东南大学硕士学位论文 要访问总线必须由主机给予它使用较。主机还负责监督u s b 的拓朴结构 1 7 u s b 设备 u s b 设备用于向主机提供一些额外的功能。u s b 设备提供的功能多种多样，但面向主机的接口 是一致的。对于所有这些设备，主机可以用同样的方式来管理它们与u s b 有关的部分。为了帮助主 机辨认及确定u s b 设备，u s b 设器本身需要提供用于稳认的信息在某一些方面的信息，所有设 备都是一样的；而另一些方面的信息。由这些设备具体的功能决定。信息的具体格式由设备的设备 类决定 1 8 u s b 设备类 u s b 设备类( u s bc l a s s ) 是指具有相同属性或者服务的一组设备9 l 。当两个设备使用类似的数 据流格式或者相似的与主机通信豹方式对。可以认为它们属于同一个设备类。可见。u s b 设备类主 要用于描述设备和主机之间的通信方式。 u s b 设备类的概念以及设备类规范的引入，使得可以采用相同的主机端驱动来操作属于一个设 备类的多种u s b 设备；同时，满足设备类规范的u s b 设备，也更容易地被各种平台和操作系统所 识别。 如果说u s b 协议规定了所有u s b 设备都必须满足的相同要求的话，特定u s b 设备类的规范则 描述了u s b 主机怎样和这一类u s b 设磊进行通信。 图1 2 0 描述了设备类规范所处的层次，主机端f u n c l i o n 驱动按照设备类规范规定的抽象接口访 问设备端。 这里列出了一些设备类1 4 1 ： 音频设备 通信设备 人机接口设备 幽像设备 红外设备 大容最存储设备 幽1 2 0 设备类规范所处的层次 1 2 第二章软硬件平台 第二章软硬件平台 课题的u s b 系统，基于以i n t e lp x a 2 7 0 处理器和m i c r o s o f tw i n c e5 0 操作系统为基础的嵌入 式平台。 2 1 硬件平台 2 1 1 硬件框架 课题硬件平台以i n t e lp x a 2 7 0 处理器为核心，并集成了众多周边模块，形成了一个完善的高性 能嵌入式平台，平台结构如图2 - 1 。 图2 一l 课题硬件平台 平台采用3 2 m n o r f l a s h ，6 4 ms d r a m ，3 2 0 2 4 0 液晶屏，并包含串口、a c 9 7 c o d e c 等多个 外嗣模块，图2 1 虚线框中的部分是课题的实现内容，包括u s b1 。1 主机和u s b2 0 设备。系统使 用了一块2 0 g b 的1 8 英寸硬盘，正是硬盘的引入，使高速的u s b2 0 设备端成为必须。 2 1 2p x a 2 7 0 处理器 p x a 2 7 0 是l n 纠公司针对高性能、低功耗手持设备领域推出的s o u 处理器，片内集成了i n t e l x s c a l e 核，并采用了多项低功耗技术。p x a 2 7 0 采用了a r mv 5 t e 指令集( 不包括浮点指令集) ， 并遵循a r m 编程模型。同时，p x a 2 7 0 支持i n t e l 无线m m x 指令，大大提高了音频、视频处理性 能。1 5 p x a 2 7 0 的芯片结构如图2 2 ，其中x s c a l e 核是整个p x a 2 7 0 的核心，片内集成的存储控制器、 u s bh o s t 控制器、内部s r a m 、q u i c kc a p t u r e 接口都择在系统总线上，存储控制器支持包括r o m 、 s d r a m 、s r a m 、c f 在内的多种存储介质。此外，p x a 2 7 0 还集成了多种外设接口，包括1 2 c 、1 2 s 、 a c 9 7 、u s bc l i e n t 、m m c 、u r a t 等。p x a 2 7 0 的最高主频达剑6 2 4 m h z ，在课题系统中工作于 5 2 0 删z 。一片p x a 2 7 0 这样的s o c 芯片，使得高性能复杂系统的搭建变得更容易，成本也更低。 p x a 2 7 0 集成有u s b1 1h o s t 控制器，这对课题来说已经足够，不需要添加额外芯片；但是 p x a 2 7 0 片内的u s bc l i e n t 控制器一样只支持u s b1 1 ，晟大1 2 m b p s 的速度对硬盘来说是不够的， 故而课题在系统中添加了一片u s b2 0 设备控制器n e t 2 2 7 2 ，以实现对u s b2 0 的支持。 1 3 东南大学硕士学位论文 2 2软件平台 图2 - 2p x a 2 7 0 处理器结构 课题使用的操作系统为m i c r o s o f tw i n c e5 0 ，开发工具为p l a t f o r mb u i l d e r5 0 。 2 2 1w i n c e5 0 操作系统 w i n d o w sc e 是m i c r o s o f t 针对资源有限的嵌入式设备领域设计的一种全新操作系统，具备体积 小、高效，扩展性强的特点。w i n c e 可以应用于各种领域，例如消费家电、工业控制、嵌入式通信 设备等等。w i n c e 支持各种硬件外同设备，并且使用标准w i n 3 2a p i ，方便川户开发各种应用。 扩”帮渺ww i n d o w s c e a r d n l t a c t u r e 、掣甲 95 缈雌。 l 。譬! ! ：曼。：。i l c u s t o m p p “c a ”。n 5 i l。；a 。p ，p ，l 。l c 。a ，t 。i 。o 。n 。6 7 8 i 1 “4 5 1 w - n a 。w s c e a p p l ，c a n 。n s i j ；焉未薹：暑j i ls 。，a 。p 。p 。l 芋；：蕊囊名撬。tf 。9 9 。7 。7 。 l c o r ed l l li o b j e c ts t o r e 甚篱嬲器：； ；，嚣未譬瓮s ) i c 。7 i i d e v i c e ， c s o k e r g v - f u e n t l c a a 曹b o n e t w o ri n ”i i 猡绺e 汹j 渗；辩雾灞 f0 e ma d a 口t a u o nl a v b t ( o a l ) l ”。擀1 ”鄹、u o m 。v o 毪 ，ib o o tlic o n f i g u r a t l o l 2 ll o a d e r |i 函。t il 。“一6 7 r 图2 - 3w i n c e 5 , 0 体系结构 1 4 第二章软硬件平台 在实现上，w i n c e 5 0 的采