（电路与系统专业论文）基于SPCE061A的嵌入式USB主机的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京交通人学硕 论文摘要 摘要 本文简述了u s b 发展和研究的现状，介绍并分析了u s b 系统软硬件结 构及特点。基于嵌入式系统、移动存储的发展趋势，针对u s bm a s ss t o r a g e ( 大规模存储) 类设备的数据传输，提出一种嵌入式u s b 主机系统的设计 方案。据此选择了s p c e 0 6 1 a 微控制器及s l 8 1 l h su s b 主机接l j 器件，构成 u s b 主机系统的核心硬件结构。并外接液晶显示、键盘、扬声器等辅助硬件， 构建了一个既方便调试又具有一定实用性的硬件系统。在遵守u s b j i 协议 及u s bm a s ss t o r a g e 类协议规范下，软件实现采用分层的处理方法，使软 件主体从硬件相关过渡到硬件无关，具有良好的可移植性。其中，在分析了 应用最为广泛的f a t 文件系统基础上，构建了一套精简的f a t 3 2 文件系统。 使系统以文件形式传输数据，并使其在嵌入式u s b 主机系统中传递的数据也 能在p c 机中识别，增强了存储数据的兼容性。本文简要地介绍了该系统的 调试测试方法及结果，并介绍了应用的例证。本设计方案突破了以往用p c 机作为u s b 主机的局限，实现了不依赖于任何操作系统，利用微控制器控制 u s b 移动存储设备传输文件的操作。扩展了u s b 系统的应用空间。通过与u s b m a s ss t o r a g e 类设备进行数据传输的测试，验证了该设计方案的可行性和 优越性。提出的设计方案及测试流程对其它嵌入式u s b 主机的设计具有一定 的借鉴意义。 关键词：u s bu s b 协议嵌入式主机主机接口 m a s ss t o r a g e 类 北京交通大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h i st h e s l st i r s t l yi n 订o d u c e st l l ec u r r e n tr e s e a r c h e so nt h l sl s s u em l d 血e nt h e s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fu s bs o r w a r ea 1 1 dh a r d w a r es y s t e m 1 a k i n gi n t o a c c o u n tt h el a t e s t d e v e l o p m e n to fe m b e d d o ds y s t e ma n dp o r t a b l es t o m g e t e c h n i q u ea sw e l la st h eu r g e n td e m 趴do fu s b m a s ss t o r a g ee q u i p m e n tf o rd a t a t r a n s m i s s i o n ，t h ed e s i g n e rp r o p o s e s an e wd e s i g no fe m b e d d e di j s bh o s t s y s t e i i l w i t hs p c e 0 6 l aa sm i c r oc o n 仃o l l e rc h i pa n ds 【盘l l h sa su s bh o s t i n t e r f a c ed e v i c e ，t h ed e s i g r l e rs e t su pab a s i ch a r d w a r ef r a m e w o r k w i t ho t h e r a u x “i a r yh a r d w a r e ，s u c ha sl c dm o n i t o r ，k e y b o a r d ，a n d1 0 u d s p e a k e r ，s h ec a n a d j u s ta n dt e s tt h es y s t e me a s i l y f o l i o w i n gt h ep r o t o c 0 1o fu s b l 1a n dt h e s p e c i 矗c a t i o no fu s b m a s ss t o r a g ep r o t o c o l ，t h ed e s i g n e rc h o o s e st op r o c e s st h e s o r w a r ei m ol a y e r st oe n s u r et h a td i 丘e r e n tl a y e r so fs o n w a f er a l l g ef r o ma h a r d w a r e i n v o l v e dm o d e lt oah a r d w a r ef k em o d e l ，w h i c hm a k e st h es o f t w a r e m o r et r a n s p l a f l t a b l e b ya n a l y z i n gf a tn l es y s t e m ，t h ed e s i g n e rw o r k so u ta m o r es i m p l i 6 e d l t 3 2n l es y s t e m ，i nw h i c hd a t ai s t r a n s m i t t e di nf l l e s a c c o r d i n g ly ，t h ed a t at r a n s m i t t e d i ne m b e d d e du s bh o s ts y s t e mc o u l db e i d e n t m e di np c t h e r e f o r e ，m ec o m p a t i b i l i t yo ft h ed a t as t o r a g ei se n s u r e d t h e t h e s i sb r i e n yi n t r o d u c e s 廿l ea d j u s t i n ga n dt e s t i n gm e t h o do ft h es y s t e ma sw e l la s t h et e s tr e s u l t ，a n da n a l y z e sac a s eo fa p p l i c a t i o n i ns t e a do fu s i n gp ca su s b h o s t ，t h i sd e s i g nu s e sm i c r oc o n 仃0 1 1 e rc h i pt oc o n t r 0 1t l ed a t as t o r ee q u i p m e n t ， w h i c hd o e sn o th a v et or e l yo na n yo p e r a t i n gs y s t e m ；c o n s e q u e n t l y ， t h e a p p l i c a t i o no fu s bs y s t e mw i l lb e 伊e a t l ye n l a 唱e d t h et e s tr e s u l to ft 1 1 e 北京交通大学硕l 论义 第1 章绪论 1 1 引言 第l 章绪论 随着计算机技术的发展、嵌入式产品开发和应用的深入，品种繁多的 移动设备层出不穷。移动数据存储和交换渐渐成为近年i t 行业的热点。数 据交换的可移动、方便快捷是推动数字化时代发展的基础。u s b ( 通用串行 总线) 作为一种新型的接口技术从兴起不断走向成熟。它既是数据交换的 媒介，又是其核心。 u s b 总线采用的是星型结构，主从工作模式。u s b 主机根据各个设备的 属性，周期访问各个设备，u s b 设备则是被动地响应u s b 主机的访问请求， 所以u s b 的数据传输特点是所有u s b 设备都只能与主机建立连接。两台u s b 设备之间、两台主机之间无法直接相连进行数据传输。 怎样才能实现u s b 设备问点对点通信，降低成本，方便使用，使u s b 脱离p c 机来进行相互数据的交换。这就要求一些设备能作为u s b 主机支 持u s b 协议。在这种新的需求之下，嵌入式u s b 主机的研究成为u s b 领 域新的关注焦点。u s b 的协议栈和总线驱动的开发就变得必不可少，尤其 是嵌入式设备的实时、小巧、方便携带等特性使得嵌入式u s b 主机的研究 显得尤为重要。 1 。2u s b 简述 1 2 1u s b 的发展 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是通用串行总线。1 9 9 4 年i n l e l ， m i c r o s o f t 等七家公司共同推出了u s b 总线协议，它是一种新的外设连接 北京交通火学硕上论文 第l 章绪论 技术。以往传统的接口协议( 串口、并口) 一般只是针对其物理层做了定 义和约束，而对于设备和p c 间具体的通信行为和自身的拓扑结构则基本上 没有涉及。随着计算机技术的飞速发展，这些接口己无法满足p c 与外部设 备之间不断提高的速度、稳定性、易用性等要求。u s b 这一新型总线，就 是为了解决p c 机外围设备的拥挤和提高设备的传输速度而设计的。u s b 以 其高速度、低成本、低功耗、即插即用及使用经济方便等优点，迅速成为 了p c 机上的标准接口。而且成为了p c 外部设备等与p c 相连标准协议之。 u s b 协议从1 1 过渡到2 0 ，作为其重要指标的设备传输速度也从l _ 5 m b d s 的低速和l n m b p s 的全速提高到了4 8 0 m b p s 的高速。扣除用于总线状态、控 制和错误监测等的数据传输，u s b 的传输速率仍远高于一股的串行总线接 口。在工程中，u s b 凭借它明显的优势，已大范围推广并使用到大规模数 据存储系统中。u s b 逐步走入了实用阶段、以惊人的速度发展。 无论是对于终端用户，还是对u s b 系统的设计者而言，u s b 系统以简 单、易用而著称。不同种类的u s b 设备使用相同的接口，为使用者和设训 者提供了极大的方便。 0 s b 的发展见表卜l ，u s b 的特点及应用范围见表卜2 。 表卜lu s b 的发展 时间 版本 j 9 9 4 年1 1 月惦bo 7 1 9 9 4 年1 2 月 u s bo 8 1 9 9 5 年4 月u s bo 9 1 9 9 5 年8 月u s bo 9 9 1 9 9 5 年1 1 月u s b1 0 f d r 1 9 9 6 年1 月 u s blo 1 9 9 8 年9 月 u s b1 1 1 9 9 9 年i o 月 u s b2o ( d r a f t07 9 ) 北京交通大学坝l 论文第l 章绪论 1 9 9 9 年1 2 月 u s b2 o ( d r a f to 9 ) 2 0 0 0 年4 月 u s b2 o 2 0 0 1 年1 2 月u s bo t g ( u s b2 0 的补充) 表卜2u s b 的特点及应用范围 拓扑结构 罩犁 只有h o s t个主发备 最大设各数通过h u b 级联可以支持1 2 7 个= 甫点 连线特征线长小丁5 米，2 根数据线，2 根电源线 传输方式半双工、异步、串行、差分 支持控制、批量、中断、实时传输 热插拔支持热插拔 传输速度 u s bl x ： 低速1 5 m b p s 、全速1 2 m b p s u s b2 o ： 高速4 8 0 m b p s 接口成本低 麻用方向鼠标、键盘、猫、语音( u s b1x ) 图像、高速存储( u s b2 o ) 1 2 2u s b 系统组成 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到一起。u s b 的物理连接是有层次的星型布局。每个集线器在星形的中心，每条线段是 点点连接的，它通过u s b 集线器级联更多的u s b 设备组成u s b 系统。能够 支持多达1 2 7 个外设的同时连接，u s b 支持音频设备、大容量存储设备m a s s s t o r a g e 以及人机接口设备h i d 。u s b 采用模块化，面向对象方法的结构。 u s b 系统组成如图卜1 所示，由硬件和软件两大部分组成。 北京交通大学坝 论文第l 章绪论 任何一个系统中，只有1 个主机。u s b 设备和主机系统的接口称作主 机控制器。 主机控制器由硬件和软件结台来实现。根集线器是综合j i 二主 机系统内部的，用以提供u s b 的连接点。u s b 的设备包括集线器和功能部 件。u s b 的协议实现了系统的协调。 u s b 设备 圈1 1u s b 系统组成 1 2 3u s b 的物理接口 u s b 通过种4 线电缆传送信号和电源。其中两根线d + 和d 一用于差分数 据传输的数据信号线，另两根v 。和g n d 用于为u s b 设备提供电源。v 。的电压 为+ 5 v ，为了保证足够的输入电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆 的尾部，每个端l _ j 都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速或低速设 备。 1 2 4u s b 的电源 主要包括电源分配和电源管理两方面内容。电源分配指u s b 如何分配主 北京交通大学硕十论文第1 章绪论 机所提供的能源。需要主机提供电源的设备称作总线供能设备。还有一些 设备可自带电源，该类设备称作自供能设备。 1 2 5 总线协议 u s b 是种轮询方式的总线，主机控制器初始化所有的数掘传送。每 个总线执行动作按照传输前制定的原则。每次传输，丌始，主机控制器发送 一个描述传输动作的种类、方向、u s b 设备地址和端旧弓的u s b 数据包。 这个数据包通常称为标志包( p i d ) 。u s b 设备从解码后的数据包中取出属 r 自己的数据。传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送 端发送数据包，接收端发送一个握手的数据包表明传送是否成功。 1 2 6u s b 系统设置 u s b 设备可随时安装或拆卸。所有的u s b 设备都是通过某个端i i 接在 u s b 总线上。集线器有一个状态指示器，它可指明u s b 设备是安装还是拆 除。在u s b 设备安装后，主机通过设备控制通道来激活该端口并以预设的 地址值赋给u s b 设备。当u s b 设备从端口拆除后，集线器关闭该端口，并 向主机报告该设备已不存在。对每个连接在总线上设备指定唯一的地址动 作称为总线标号，因为u s b 允许设备在任何时刻安装或拆卸，所以总线标 号是u s b 系统软件随时要作的动作。 1 2 7u s b 的数据流 u s b 系统数据传输采用主机广播式请求，设备指定应答的方式。对于 u s b 总线，所有连接在系统上的u s b 设备根据u s b 主机的访问请求分时占 有数据总线，即所有u s b 设备共享系统带宽资源。 发送端和接收端之间的u s b 传输，可视为在主机和设备端口之间的一 北京交通人学硕l 论文第l 章绪论 动( h c d ) 、u s b 驱动程序( u s b d ) 、主机软件。主机通信如图卜3 所示 图1 3 主机通信图 在l s b 系统中，u s b d 处于h c d 的上层。u s b d 通过h c d 所提供的l c d i ( h c d 接口) 与h c d 进行交互。同时，u s b d 提供面向客户的接口，即u s b d i ， 以支持客户的数据传送、设备的配置等请求。主机软件是可选的，其方便 了客户的操作。 h c d 与i ：s b d 提供不同层次的抽象。h c d 为上层的u s b d 提供了抽象的主 机控制器，并将主机控制器与设备之间真正的数据通信过程加以抽象和简 化。u s b d 给上层的客户提供了1 个抽象的设备，并将客户与设备之间数据 通信过程加以抽象。u s b 系统的3 个部分协作配合，咀完成u s b 系统功能。 u s b d 向客，、z 提供了接口( u s b d i ) ，该接口体现了u s b 系统主要功能。u s 跳 与h c d 之间的功能没有明确界线，u s b d 与h c d 结合起来，完成了如下功能： 设备配置，资源管理。 北京交通大学硕十论文 第1 章绪论 1 3 3 主机控制器 主机控制器实际上是主机上总线接口。u s b 主机与设备之间的通信最 终都将通过u s b 电缆进行，即通过u s b 主机的总线接口和u s b 设备的总线 接口之间相连的电缆进行。任何一个输出请求都是出主机控制器组织成包 的形式发往总线。 u s b 主机控制器位于u s b 主机层次结构的最底层，它完成了置机与设 备之间的电气和协泌的匹配，主要包括以下功能：串并转换，帧起始，数 据处理，协议使用，主机系统接口等。 u s b 系统层及主机控制器所提供的一系列功能，都是为了实现客户与 设备之间透明的数据传输 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口。图 卜4 显示了主机控制器的软硬件结构。 硬件软件 接口层 图i 4 主机控制器的软硬件结构 1 4 嵌入式u s b 主机系统 传统的u s b 应用主要是为p c 机与外部设备提供接口。随着u s b 应用领域 的逐渐扩大，人们越来越希望u s b 能应用到各种没有p ( ：机场合的领域中，尤 其是在移动数据领域中。 嵌入式系统是广泛应用于i t 产品中的微型计算机系统。是以应用为中 9 北京交通大学硕十论文 第l 审绪论 1 5 论文的组织结构 第l 章：介绍选题的背景、u s b 系统组成、总线协议、数据流、阐述 u s b 主机工作原理及嵌入式u s b 主机的结构体系。 第2 章：主要介绍u s b 主机通信，u s b 主机与设备的通信，t 。s b 协议， u s b 协议栈设备框架，u s b 设备类。 第3 章：介绍基于s p c e 0 6 l a 的嵌入式u s b 主机系统结构及硬件设计， 各功能模块以及u s b 主机系统及各模块功能的硬件实现。 第4 章：设计了嵌入式u s b 主机系统的软件，实现了嵌入式i j s b 主机 协议框架，进行了系统的分层处理，完成了u s bm a s ss t o r a g e 类的软件实 现。 第5 章：从硬件层调试，系统软件层调试，给出了嵌入式u s b 主机u s b m a s ss t o r a g e 类数据传输的调试方法和步骤。给出了读取优盘中语音文件 的程序。对系统进行了分析。 结论部分对本文的研究工作进行总结。 1 2 北京交通大学硕。论文 第2 章u s b 通信与u s b 协议 第2 章u s b 通信与u s b 协议 2 1u s b 通信 2 1 。1u s b 通信结构 u s b 协议所说的通信指的就是u s b 设备和u s b 主机之间的通信。为了细化 u s b 的通信机制，u s b 的开发者采用了分层的概念，每一层传输的数据结构 对其他逻辑层是透明的。图2 1 显示了u s b 设备与u s b 主机通信的逻辑结构和 每层的逻辑通道。 息。 o = = = = = o 逻辑通信 _ _ - - 物理通信 图2 1u s b 通信的逻辑结构 信号层：实现在u s b 设备和主机的物理连接之间传输位信息流的信息。 协议层：实现在u s b 设备和主机端的协议软件之间传输包字节流的佶 北京交通大学硕：l 论文 第2 章u s b 通信与u s b 协议 数据传输层：实现在u s b 主机端的客户端驱动程序和设备端的功能接口 之间传输有一定意义的信息，这些信息在协议层被打包成包格式。 2 1 2u s b 主机通信 主机的通信就是应用软件与设备驱动程序之间以及驱动程序栈各驱动 程序之问的通信过程。 u s b 总线的驱动程序要实现对总线控制器的驱动、总线带宽管理、总 线设备枚举等工作。u s b 总线的驱动程序由u s b 主机控制器驱动，u s b 协议 栈，u s b 设备驱动程序3 部分构成。图2 2 为u s b 驱动程序示意图。 主机控制器 圈2 2u s b 驱动程序示意图 2 1 3u s b 主机与设备的通信 u s b 的传输，是u s b 面向用户的、最高级的数据结构。协议逻辑卜将设 备分成了三层实体：总线接口、端点和功能接口，如图2l 所示。总线接口 的功能除了传输和接收数据信号以外，逻辑上还包括识别设备的当前唯一 北京交通大学硕士论文 第2 章u s b 通信与u s b 执泌 地址。设备端用于传输数据的接收点和发送点，有方向性( 分为输入和输 出) 。功能接口或接口由一组端点组成，完成特定的功能。 主机与设备的通信也是建立在u s b 通信的逻辑结构上的。一方面用宏观 和逻辑的角度，理解设备端点和管道的概念；另一方面用微观和物理的角 度理解包和帧的概念。 1 端点和管道 ( 1 ) 端点 u s b 系统中每一个端点都有唯一的地址，由设备地址和端点号给出。因 此，每一个u s 8 没各对于主机而言就是一系列端点的集合。主机通过端点与 设备进行通信。 端点0 是默认的用作控制传输端点，其它端点必须在设备被主机配置后 才能使用。 端点是一个u s b 设备中的唯一可寻址部分，是主机与设备之间通信流的 起点和终点。是一个储存多个字节的缓冲区。每一个端点都有自己所支持 的传输类型。 系统软件通过读取相应端点的端点描述符可以得到端点的传输类型。 设备上的每个端点都有一个唯一的端点号，除了控制传输端点( 端点o ) ， 其余每个端点只能是单向的( 即输入或输出) 。 ( 2 ) 管道 主机与设备端点之间的连接称为管道，表示主机的数据缓冲区与设备 端点之间交换数据的能力。设备被主机配置后端点即可使用，管道也就存 在了。管道的概念主要用于p c 机上驱动程序和用户程序的编写。 从逻辑上讲，u s b 数据的传输是通过管道进行的。0 s b 系统软件通过缺 省管道( 与端点o 相对应) 管理设备，设备驱动程序通过其它的管道来管理 设备的功能接口。 北京交通大学硕l 论文第2 章u s b 通信ju s b 协议 一个u s b 管道不是一个物理对象，它只是设各上的端点和主机软件之间 的联系。 u s b 的数据传输在主机软件和一个u s b 设备的指定端口之间进行。通信 协议首先要提出系统的通信模型，用以确定传输的数据、软硬件的实体及 特殊功能。其次提供数据的传输方法，包括最底层的数据单元格式、硬件 上的数据发送方式、整体的数据传输类型。再就是提供给用户的软件构架， 如何在p c 或嵌入式系统上通过软件编程来控制和使用这种通信协议。 实际的数据传输过程为：设备驱动程序通过对u s b d 接口( u s bd r i v e r i n t e r f a c e ) 的调用发出输入输出请求包i r p ；u s b 驱动程序接到请求后，调 用主机控制器驱动程序接口h c d i ( h o s tc o n t r 0 1 l e r d r i v e rin l e r f a c e ) ， 将i r p 转化为u s b 的传输。个i r p 可以包含一个或多个【j s b 传输；其后，h c d 将u s b 传输分解为总线操作，主机控制器以包的形式发送给发备。 2 包和帧 ( 1 ) 包 根据u s b 规范，u s 8 总线上的数据总是以u s b 包的结构在总线上进行传 输，而每个u s b 包都是由不同的“域”组成。为了满足不同类型的数据通信 要求，u s b 总线支持不同类型的数据包结构。 “域”分为同步序列域、包标识域、地址域、端点域、帧号域、数据 域和c r c 校验域七类。 u s b l 1 支持的包类型包括：令牌包、数据包、握手包和特殊包。每一 个包基本上包含了一个完整的信息。 令牌包：在u s b 系统中所有的事务处理都始于令牌包，它是由u s b 主机 唯地发送到总线上的。根据包标识域的不同，令牌包又分为起始令牌包 ( s o f ) 、输入令牌包( i n ) 、输出令牌包( o u t ) 和用于控制传输的设置令 牌包( s e t u l l ) 。 数据包：数据包中的包标识域类型为数据类型，数掘包中装有主机和 1 6 北亲变通人学硕 一论文 第2 章l _ s b 通信o u s b 协泌 审美 中固 i 皇墨l 事务 圈 冈 圈24 从客户软件到总线的u s b 信息转换 过编程描述一个u s b 的所有属性，并存储在u s b 设备中。主机要通过一些标 准的请求命令来询问设备，设备才能把这些描述符发给主机。u s b 设备的属 性包括很多内容，u s b 协议将这些信息做了分类，定义了很多描述符，些 标准的描述符，包括： 卜设备描述符 2 一配置描述符 3 一字符串描述符 4 一接口描述符 5 一端点描述符 北京交通人学硕j 论文 第2 节u s b 通信。，u s b 协泌 设各描述符 配置描述符 f 竺口竺篡! f 端点苎鉴笙 配置描述符 接口描述符1端点描述篁 l 接口描述符。端点描述符 配置描述符 图2 2 标准u s b 描述符结构图 这些描述符之间具有一定的关系，如图2 2 所示。设备描述符的级 别最高，端点描述符的级别最低。 2 u s b 标准命令 控制传输是最重要也是最复杂的种传输类型。控制传输的“初始设 置步骤”中，在数据包阶段，包含了d a t a 0 的数据包。这个数据包是一个 8 字节的标准请求命令，是主机用来发送控制阶段的请求命令的，这些请 求命令是主机配罱设备的关键。 所有的u s b 设备请求命令都是主机通过缺省的控制管道利用控制传输 来发送的。这些命令具有标准的格式，共1 1 个，如表2 一l 所示。 表211 1 个标准命令的编码 请求命令名称编号( b r e q u e s t 的值) 获取状态请求g e ts t a t u s o 清除特性请求c l e a r f e a t u r e 1 设置特性请求s e t f e a t u r e 3 设置地址请求s e f a d d r e s s 北京交通大学硕士论文第2 章u s b 通信j ：1 ：ju s bm 议 种作用： 其一：没各的接口与主机之间的通信方式。包括数据的发送机制和 控制方式。 其_ 二：接口提供的功能。即规定了完整的或部分的接口所提供的功 能u s b 以设备类协议的形式对每种类进行定义。 到目前为止，u s b 定义的各种标准设备类，有基于设备定义类的，有 基于接口定义类的，也有既基于设备也基于接口的。诸如： 语音设备类：针对麦克风、音箱等语音音频设各 通信设备控制类：针对电话、调制解调器等设备 影像设备：针对扫描仪、数码相机等设备 人机交互设备类：针对键盘、鼠标、游戏杆等设备 存储设备类：针对c d r o m 、磁带、软盘机等设备 电源设备类：针对电源控制等设备 打印机设备类：针对打印机设备 监视器设备类：针对显示器等设备 具体的每一种类协议都有各自的说明。 2 2 3m a s ss t o r a g e 类概述 1 a s ss t o r a g e 类( 即海量存储类) 主要用于为软磁盘接口、a t a 接口 及f l a s h 存储器等设备建立的u s b 接口，这一类的特点是数据交换量大， 有可能直接涉及文件的各种操作，并且支持不同的数据存储载体接口本身 的一些操作命令。不同的数据存储载体接口就构成了m a s ss t o r a g e 类的予 类。 各种子类都有一套自己的协议，并通过命令的形式实现各种功能。这 些命令都是各子类特有的，而与u s b 没有任何关系。在u s b 进行数据传输 的时候，这些命令都被打包成一系列的命令包进行传输。而真正与m a s s 北京交通大学硕十论文 s t o r a g e 的传输方式相关的是其传输协议。有关m a s ss t 。r a g e 类的标准描 述符等电将在其传输协议中实现。 北京交通大学硕士论文第3 章嵌入式u s b 主机系统结构及硬件设计 第3 ：章嵌入式u s b 主机系统结构及硬件设计 3 1 嵌入式u s b 主机系统结构 嵌入式u s b 主机硬件系统的核心在于u s b 主机接口模块和主控制模 块。其中，= = i 三控制模块是系统的核心控制部分，由以s p c f ! 0 6 l a 为主的嵌 入式系统组成。根据本系统的设计要求设计的系统原理框图如图3 1 所示。 系统分为4 个主要部分：其中，主机部分由主控制模块、主机接口模 块和电源模块组成。为了系统调试方便扩展了液晶显示模块。还有1 个用 p r o b f 模块实现的在线调试模块，通过在线调试器与p c 机通信，另外还有 状态指示、按键和扬声器。 p c 机 l c 。 l 状态指示| 其它接l j 并秆口 n l 机线调试器 1 f 主控制模块 88 u s e 主机接u 模块 h 电源模块 0 嵌交式u s ：主机 u s bf l a s h 设备 图3 1 基于s p c e 0 6 l a 的嵌入式u s b 主机系统框幽 北京交通大学坝i 一论文第3 章嵌入式u s b 土机系统结构搜耻件i 5 2 计 3 2 主控制模块 主控翩模块是系统的核心控制部分用s p c e 1 a 实现。作为整个0 s b 沩、议框架是非常复杂的。所使用的m c u 或m p u 应具有足够的r a m 用以处理 大量的数据缓冲区、大量的变量、数据存储等。同时，系统要有大量的程 序存储区，来满足u s b 定义的很多类的u s b 外设。对于我们要实现的m a s s s t 。r a g e 类就需要1 0 k 的f 1 a s h 空间。若要实现播放优盘内存储的信息， 就考虑到s p c e 0 6 1 a 强大的语音功能，所以选用s p c e 0 6 l a 作为本系统的控 制器。 s p c e 0 6 1 a 是一款由台湾凌阳公司推出的1 6 b i t 的“7n s p 微处理器。 是比较新的一款单片机。它在语音处理方面非常有特色。已经在语音识别、 非特定人语音命令识别、特定人语音命令识别、带语音播报的测量仪器， 以及其他领域都有设计和应用。本文研究并实现了基于s p 艘0 6 1 a 的嵌入 式u s b 主机的功能。为大专院校的教学、电子竞赛、应用系统的设计与丌 发提供了新的应用领域。本文所设计的嵌入式u s b 主机利用了s p c e 0 6 l a 独特的语音处理功能，能够与u s b 设备进行数据交换，通过s p c e 0 6 l a 本 身来播放优盘中的语音文件。同时，设计时考虑呵移植性，采用分层设计 以适用于不同的m c u 。 s p c e 0 6 1 a 是为适应控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域的发 展而设计的。其结构如图3 2 所示。其c p u 内核采用凌阳最新的u 7 n s ( m 1 c r o c o n t r o l l e ra n ds i g n a lp r o c e s s o r ) 1 6 位微处理器芯片。采用 的是模块式集成结构，以“7n s p ”内核为中心集成不同规模的r o m 、r a m 和各种功能丰富的外设接口部件。 s p c e 0 6 1 a 在2 6 v 一3 6 v 工作电压范围内的工作速度范围为 o 3 2 m h z 一4 9 1 5 2 m h z 。 内置2 k 字s r a m 和3 2 k 字f l a s h 仅占一页存储空间。 北京交通大学硕l 论，t 第3 章嵌八式l s b 牛机系统绐构披础什垃汁 指令系统提供具有较高运算速度的1 6 位1 6 位的乘法运算指令和内 积运算指令，为其应用增添了d s p 功能。 较高的处理速度使s p c e 0 6 1 a 能够非常容易地、快速地处理复杂的数 字信号。开发数字声音和语音识别产品，选择s p c e 0 6 1 a 是一种最经济的 选择。 本文所设计的嵌入式u s b 主机，它主要是实现s p c e 0 6 1 a 与优盘之间 的数据交换。系统具有三个功能：1 检测u s b 外设是否连接成功；2 对优 盘进行存取文件的操作：3 播放存储在优盘中的语音文件。 3 。3u s b 主机接口模块 u s b 主机接口模块实现u s 8 主机的接口，配置下行u s b 设备，管理0 s b 总线电源。 3 3 1s l 8 1 1 h s 芯片 s l 8 1 1 h s 的功能模块框图如图3 3 所示。s l 8 1 1 h s 是c y p r e s s 公司引 对嵌入式系统u s b 应用而设计的接口器件。支持u s b l 1 的全速和低速设 备。提供u s b 主机的硬件接口及总线管理的物理机制。主机控制器实现了 标准的u s b 主机串行接口引挚( s i e ) 、根集线器功能，通过数据地址总 线与s p c e 0 6 l a 相连。因此，满足了嵌入式u s b 主机系统所需要的功能。 即由主机接口芯片来完成总线底层物理数据包的发送、接收，并能检测总 线状态，发出中断请求。实现了u s b 总线接口层的功能。其主从控制器 正是嵌入式u s b 主机结构中的嵌入式u s b 主机控制器部分。并且s l 8 1 1 h s 还可以作为u s b 设备的控制器。 s i e 用来实现数据并、串转换。 处理器接口提供了数据、地址和控制线，使得s 【8 1 l h s 能够和控制器 北京交通大学硕卜论殳 第3 章嵌入式u s b 主机系统结构及碰件设计 收发器。 5 ) 3 3 v 工作电压，接口兼容5 v 电平。 6 ) 硬件自动产生s o f 帧起始包、自动生成令牌包、数据包中所需 的c r c 5 1 6 校验数据。 7 ) 内部2 5 6 b y t e 的r a m ，支持乒乓数据传输功能。 s l 8 ll s 仅通过一根管脚来区分地址和数掘传输，并支持地址自增 模式。u s b 主机接口电路连接如图34 所示。 1 0 a ld o d 7 i o b2i n t r 0 i o b3 r s t s p c e 0 6 i a 1 0 b4c ss l 8 i i h s 1 0 b5 a 0 i o b6w r i o b7 r d 图3 4s p c e 0 6 1 a 与s l 8 儿f s 的接u 这些总线信号包括数据信号线、读写控制信号线和片选信号线、 s l 8 1 l h s 的中断请求信号线。s p c e 0 6 1 a 的通信引脚分配如表3 1 所示。 表3ls p c e 0 6 l a 的通信 l 脚分配 信号说明s p c e 0 6 1 a 的输入输出s l 8 l l h s 对应输入输出 信号引脚的引脚 数据信号 i o a lo 7 输入输出 d 7 d f 】 输入输出 读信号i o b l7输山 n r d 输入 写信号 i o b l 6 输出 n w r输入 北京交通大学硼f 论文第3 章嵌入式l 1 s b 土机系统结构及硬件设训 片选信号1 0 b l4输出 n c s输入 s l 8 1 1 h s 复位 1 0 b l 3 输出 n r s t输入 信号 地址数据选i o b l 5输出a 0输入 择信号 s l 8 1 l h s 中断t o b l2 输入 i n t r o输出 请求信号 由于系统实现u s b 主机的功能，所以将s l 8 1 1 h s 的m 7 s 管脚( 主机或 设备工作方式) 直接接地，让u s b 接口工作在主机方式。s p c f 0 6 l a 的i o b l5 与s l 8 1 l h s 的a o ( 模拟输出) 相连，表明系统以1 0 b l 的第6 位来区分访问此 u s b 接口，其中s l 8 l l h s 的a o 功能较为灵活，它为低电平表示数据线上的数 据是s l 8 l l f s 的r a m 空间的地址指针：而置位a o 实现读写指定地址的r a m 数据，从而实现数据的传输。而且它支持地址自增模式，即可将连续地址单 元中的内容读出传输，而不用再次写入地址指针。从而大大提升数据传输 的有效率。系统采用查询的方式来识别u s b 设备是否插l ，当有设备捅到 接口上时，进入u s b 设备驱动。 3 3 2s l 8 1 1 h s 外围电路设计 本系统采用2 8 引脚p l c c 封装形式的s l 8 l l h s 芯片。 1 芯片供电 s l 8 h s 采用3 3 v 电源供电，其i o 端口驱动电压也是3 3 v ，但 是可以兼容5 v 逻辑，所以芯片3 个v 。都接+ 3 3 v 。 2 时钟电路 本系统中为了提高电路的稳定性，s l 8 1 1 h s 不采用1 2 m h z 晶振，时 北京交通大学硕：l 论文 第3 章嵌入式u s b t 机系统结构及硬件设计 钟模式引脚接地，直接采用4 8 m h z 的有源晶振作为时钟源。 3 u s b 下行端口设计 本嵌入式u s b 主机系统要实现读取优盘数据的功能，主机系统连接 的外设仅为耗电量极低的u s b 闪存盘。设备采用总线供电。0 s b 接口由电 源线( v 。) ，地线( g n d ) ，差分数据线( d + ，d 一) 共四根线组成。所以给u s b j 行端口的v 。接十5 v 电压。在主机方u s b 接口的数据线d + 、d 一上接有1 5 k 的下拉电阻，当u s b 设备未连接到主机的端口时，由于下拉电阻的作用使 数据线接地。在设备方u s b 接口的数据线上按有1 5 k 的上拉电阻。u s b l 1 协议规定低速设备在d 一连接上拉电阻，全速设备在d + 连接上拉电阻。当 一个设备连接到主机，设备端数据线上的1 5 k 上拉电阻与主机端1 5 k 的 下拉电阻就会形成一个分压器。因此，其中一条数据信号线( d + 或d 一) 的 电位将被提升到电源电压的9 0 左右。此时，主机通过检测哪根数据线发 生了变化即可检测出是低速还是高速设备设备已经连接上。 4 复位电路： c m 坚 m s w r s c o 一0 6 3 sc l k ，) 【1r d 27 k n s l r s t 1 n t r o + 33 v 卜亡3r s t a o c s s l 8 1 1 h s u s b “a ” d + d _ t a 十 d 0 一d 7 i d d ，蛆_ a ll 一 1 5 k1 5 k 图3 5s l 8 1 1 h s 外用电路 北京交通大学硕 j 论文 第3 市嵌入t 【l s b 土机系统结构及耻件世汁 采用如图3 5 所示s l 8 1 1 h s 外围电路中的复位电路部分，系统在上 电时就能复位也可以通过s p c e 0 6 1 a 来控制，实现软件复位。 3 。4 显示模块 显示模块用于显示u s b 主机系统的信息。 3 4 1 液晶r t l 2 8 6 4 电路 本系统采用的液晶显示模块是r t l 2 8 6 4 汉字图形型液品显示模块，可 显示汉字及图形，内置8 1 9 2 个中文汉字( 1 6 1 6 点阵) 、1 2 8 个字符( 8 x 1 6 点阵) 及6 4 2 5 6 点阵显示r a m ，g d r a m 可与c p u 直接接口，提供两种界面来 连接微处理器，8 一位并行及串行两种连接方式，具有多功能光标显示，画 面移动，睡眠模式等。显示汉字时最多可以显示4 行，每行8 个汉字，每个 汉字对应液晶上一个地址，当显示字符时，每个地址对应位置可以显示两 个字符，其地址对应关系如表3 2 所示。液晶r t l 2 8 6 4 引脚定义如表3 3 所示。 表3 2 液晶r 丁1 2 8 6 4 冠示宁符与地址的对应关系 l l n e l8 0 h8 l h8 2 h8 3 h8 4 h8 5 8 6 h8 7 1 1 l i n e 29 0 h9 1 h9 2 h 9 3 h9 4 h 9 5 h9 6 h9 7 h l i n e 38 8 h8 9 h8 a h8 b h8 c h8 d8 e h8 f i i l i n e 49 8 h9 9 hg a hg b h9 c h9 d h9 e h9 f h 表3 3 液晶r t l 2 8 6 4 引脚定义 引脚号引脚名称功能说明 1v s s 模块的电源地 2v d d 模块的电源正端 北京交通大学硕士论文第3 章嵌入式u s b 主机系统结构及硬件设计 3v 0 l c d 驱动电压输入端( 恳窄) 并行的指令数据选择信号o ：指令：1 ：数据，串行的片 4r s ( c s ) 选信号 r w ( s i d ) 并行的读写选择信号0 ：写；l ：读，串行的数据口 6 e ( s c l k )并行的使能信号( 读写时用) ，串行的同步时钟 7d b 0数据0 8d b l数据l 9d b 2数据2 1 0d b 3 数据3 l l d b 4 数据4 1 2 d b 5数据5 1 3d b 6 数据6 1 4d b 7 数据7 1 5p s b 并串行接口选择：h 一并行；l 一串行 1 6n c 空脚 1 7 r e t 复位信号，低电平有效 1 8n c 空脚 1 9l e d a 背光源正极【，e d + 5 v 2 0 l e d k背光源负极l e do v 3 4 2 液晶r t l 2 8 6 4 与s p c e 0 6 1 a 的接口设计 根据液晶r t l 2 8 6 4 引脚定义，设计如图3 6 所示的液晶r t l 2 8