（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的usb主机控制器驱动开发.pdf

江苏大学硕士研究生毕业论文 摘要 u s b 技术因其高速传输、即插即用、易于扩展、支持热拔插、占用资源少 的特点而在嵌入式系统中得到了广泛的应用，真正体现了数据交换的可移动性和 便捷性。然而，嵌入式系统通常不具备u s b 主机的功能，嵌入式u s b 设备间的 数据交换要以p c 机为中心，无法实现设备间点对点的数据交换。所以，对嵌入 式u s b 主机系统的研究具有实用的价值和意义。本文主要研究嵌入式u s b 主机 控制器驱动的开发。 本文的研究基于北京亿旗公司的e a x 4 0 0 嵌入式开发平台和嵌入式l i n u x 系统，并以u s b 主机控制器i s p l1 6 1 a 1 为开发对象。 首先，实现了硬件平台的嵌入式l i n u x 软件平台的构建，即实现b o o t l o a d e r 的移植、l i n u x 内核的移植和根文件系统的构建。 然后，在分析u s b 通信原理、o h c i 规范和u s b 子系统的基础上，根据u s b 主机控制器i s p i1 6 1 a 1 的特性和功能，设计并实现u s b 主机控制器驱动程序的 开发，其中主要实现了u s b 协议中的控制传输和同步传输。 最后，通过实现基于u s b 摄像头的视频采集系统，对嵌入式u s b 主机控制 器驱动进行了测试分析。 测试结果表明，所设计的i s p l l 6 1 a 1 主机控制器驱动能够较好的完成u s b 摄像头所采集的视频数据的传输，实现了对u s b 协议中的同步传输和控制传输 的支持，达到了预期的目的。 关键词：u s b ，嵌入式系统，i s p l1 6 1 a 1 ，u s b 主机控制器驱动 江苏大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fu s bi sw i d e l ya p p l i e di ne m b e d e ds y s t e md u et oi t sh i g h s p e e do ft r a n s f e r , e x t e n s i b i l i t y , l o wr e s o u r ec o n s u m p t i o n ，s u p p o r tf o rp l u g - a n d - p l a y a sw e l la sh o tp l u g g i n g ，w h i c ht r u l ye m b o d yt h er e m o v a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c eo fd a t a e x c h a n g e h o w e v e r , e m b e d e ds y s t e m su s u a l l yd o n ts u p p o r tt h ef u n c t i o no fau s b h o s t ，t h u st h ed a t ee x c h a n g eb e t w e e ne m b e d e du s b d e v i c e sn e e dt ob ep cc e n t r e da n d t h ep o i n t t o - p o i n td a t ae x c h a n g eb e t w e e nd e v i c e sc a n tb ea c h i e v e d a tt h i sp o i n t ，t h e r e s e a r c ho ne m b e d e du s bh o s t s y s t e m i so f p r a c t i c a l v a l u ea n dg r e a t s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rw o r k so v e rt h ed e v e l o p m e n to fd r i v e ro fe m b e d e du s b h o s t c o t r o i l e r t h i sp a p e rt a k e su s bh o s tc o n t r o l l e ri s p1161a 1a si t so b j e c to fr e s e a r c h ，w h i c h i sb a s e do nt h ee x a 一4 0 0e m b e d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fb e i j i n ge f l a gc o r p o r a t i o n a n de m b e d d e dl i n u xs y s t e m f i r s t l y , t h e e m b e d d e dl i n u x p l a t f o r m b a s e do nt h eh a r d w a r eh a sb e e n c o n s t r u c t e d ，n a m e l y , t h ep o r t i n go f b o o tl o a d e r , l i n u xk e r n e la n dr o o tf i l es y s t e m a f t e r a n a l y z i n g u s bc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e ，o h c i s p e c i f i c a t i o n a n dl i n u xu s b s u b s y s t e m ，a i m e da ti s o c h r o n o u st r a n s f e ra n dc o n t r o lt r a n s f e ri nt h eu s bp r o t o c o l ，t h e d r i v e rf o re m b e d e du s bh o s tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ， s e c o n d l y , w h i c h i sb a s e do nt h ep e n e t r a t i o no fi s p116 1a 1 ，i n c l u d i n gm a i n l y i n i t i a l i z a t i o nm o d u l ei n t e r u p tm o d u l e ，r o o th u bm o d u l ea n ds oo n f i n a l l y , t h et e s to fu s b h o s td r i v e ri sc o m p l e t e db yt h ei m p l e m e n t a t i o no fv i d e o c a p t u r es y s t e mb a s e do nu s b c a m e r a w i t ht h i sr e s u l to ft h et e s t ，ac o n c l u s i o nc a nb es a f e l ym a d et h a tt h ee x p e c t a n t o b j e c t i v e i sw e l la c h i e v e d ，n a m e l y , t h es u c c e s s f u lr e a l i z a t i o no ft r a n s f e ro fv i d e o c a p t u r e db yu s bc a m e r aw i t ht h eh o s tc o n t r o l l e r d r i v e rf o ri s p 1161a 1a n d i s o c h r o n o u st r a n s f e ra sw e l la sc o n t r o lt r a n s f e ri nt h eu s bp r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：u s b ，e m b e d d e ds y s t e m ，i s p 1161 ，u s bh o s tc o n r o l l e rd r i v e r i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：关蓼 叩年易月l f 日 指导教师签名：三佩 q 年 f。 6 月( f 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或 撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 关勇 日期：二口7 年月1 1 日 江苏大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着计算机技术的飞速发展，以应用为中心，以芯片技术、计算机和总线通 讯技术为基础的嵌入式系统【l 】变的越来越智能化和数字化。嵌入式系统产品正在 不断渗透到各个领域，如：数控机床、工业机器人、移动计算机设备、网络设备、 安全系统等。嵌入式技术已经成为计算机应用领域的一个新的增长点。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关硬件、嵌入式操作系统及应用软件组 成。嵌入式处理器具有低功耗、体积小、集成度高等特点。嵌入式处理器有a r m 、 p o w e r p c 、m 6 8 k 等，其中a r m 处理器已经占据了3 2 位r i s c 芯片【2 1 3 4 的市场 份额，a r m 处理器及技术的应用几乎渗入到包括工业控制、无线通讯、娱乐电 子产品等各个领域，并会在将来取得更加广泛的应用。嵌入式操作系统则有 l i n u x 、w i n c e 3 1 、v x w o r k s l 4 1 等。随着嵌入式系统深入到社会生活的方方面面， 众多的嵌入式设备与外部的连接要求更简洁、更方便、更具有智能化。 传统的外部设备通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、并行接口、i s a 接口、p c i 接口和p s 2 接口等专用接口来实现与计算机的通讯，这些接口存在接口规范不统一、接口体 积庞大、非共享接口、不支持热拔插的缺点，而u s b 技术很好地解决了这些问 题【5 1 。u s b 是一种计算机和外部设备进行通信连接的新型接口，于1 9 9 4 年11 月， 由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 、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 7 家公司共同提出。u s b 出现的目的是取代现有计算机接口，简化计算机与外部 设备的连接过程，使计算机的扩展更加方便。目前，u s b 以接口体积小、支持 热拔插、即插即用、兼容性好、节省系统资源和成本低等优点得到广泛的应用1 6 1 。 目前，各种计算机外部设备都在逐渐改用u s b 接口。u s b 技术的出现是计算机 接口技术的一大飞跃。 由于具有众多优点，u s b 接口在嵌入式设备中得到越来越广泛的应用，u s b 规范要求使用u s b 主机和u s b 设备端来进行u s b 数据传输。u s b 主机在数据 的传输过程中，处于主导地位。大量的嵌入式设备如p d a 、手机等要求具有u s b 主机功能，以便与打印机、键盘等设备进行连接。因此为嵌入式设备提供u s b 江苏大学硕士研究生毕业论文 主机功能，充分体现了数据交互的移动性和便捷性 7 1 。嵌入式l i n u x 系统具有多 任务、高效、稳定、开放源码等特征，在嵌入式领域的应用越来越广泛【8 1 ，因此 研究嵌入式l i n u x 下的u s b 主机驱动程序的设计具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 目前广泛使用的u s b 规范有u s b l 1e 9 1 规范、u s b 2 0 【l o 】规范和u s b 2 0 规范 的补充规范u s bo t g l l 。u s b l 1 规范支持1 5 m b p s 和1 2 m b p s 两种传输速率， u s b 2 0 向下兼容u s b i 1 ，传输速率可达4 8 0 m b p s 。 随着技术的发展，v s i t a 、高清、d x l 0 正在逐渐普及，4 8 0 m b p s 的传输速度 对于现在的应用环境来说已经不足以满足人们的要求，英特尔公司和业界领先的 公司一起携手组建u s b3 0 推广组，并在2 0 0 8 年1 1 月1 7 日的u s b 开发者会议 上，发布了u s b 接口3 0 官方版本。u s b 3 0 标准其速度比目前普遍使用的u s b2 0 快上1 0 倍，每秒高达5 g b 。英特尔发布所谓的e x t e n s i b l eh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ( 扩展主控制器介面，x h c i ) 规格修改草案0 9 ，以支持其u s b3 0 架构。该规格 草案提出一套标准化方法，供u s b3 0 硬件与u s b3 0 专用软件连结。u s b 的各 种协议标准都是由国外提出的，国内目前对u s b 系统的研究主要在实际应用方面。 国内外对嵌入式u s b 主机系统正处于积极研究和发展的阶段，目前国外一 些半导体公司都推出了面向嵌入式系统的u s b 主机控制器芯片，现在比较成熟 的有c y p r e s s 公司的s l 8 1 l h s 和p h i l i p s 公司的i s p l l 6 1 ，符合u s b l 1 规范，支 持u s b 四种传输类型；p h i l i p s 公司2 0 0 4 年推出了i s p l 7 6 0 ，它是业界第一款符 合u s b 2 0 规范、且支持高速传输的u s b 主机控制器。 随着消费类电子产品的迅速发展，移动设备功能的日益强大使得人们对产品 的要求越来越高。如何顺应用户需求，将嵌入式u s b 主机应用于消费类电子产 品成为当今消费类嵌入式产品的一个热点。目前市场上基于u s b 的外设已经囊 括几乎所有的主流数字产品，大多数厂家提供的产品或例程大多是基于嵌入式操 作系统w i n c e 和l i n u x 等，给出的u s b 器件类也不尽完善。在国内嵌入式u s b 主机系统的研究仍然处于起步阶段，仅有很少的u s b 嵌入式主机的产品问世。 1 3 论文的研究内容和章节安排 本论文主要针对嵌入式系统下的u s b 主机控制器驱动程序做相关的研究与 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 设计，具体的工作如下： 1 通过建立交叉编译环境、移植系统启动引导程序b o o t l l o a d e r 、移植和配 置l i n u x 内核、构建根文件系统几个部分，实现硬件平台上的嵌入式l i n u x 软件 平台的构建。 2 在研究u s b 通信原理和o h c i 规范的基础上，对l i n u xu s b 子系统进行 分析，然后根据i s p l1 6 1 a i 的功能和特性，设计并实现u s b 主机控制器驱动程 序。 3 通过实现基于u s b 摄像头的视频采集系统，完成u s b 主机控制器驱动 程序的测试，其中主要完成对u s b 主机控制器初始化、根h u b 枚举、控制传输 功能和同步传输功能的测试。 论文的章节安排如下： 第一章：绪论。阐述课题的背景和意义、发展现状等，并介绍了论文的内容 和组织结构。 第二章：u s b 关键技术。详细介绍了u s b 技术，其中主要包括u s b 通信原 理、o h c i 规范、l i n u x 下的u s b 子系统等内容。 第三章：嵌入式l i n u x 开发平台的构建。简要介绍e a x 4 0 0 嵌入式开发系 统并实现系统软件平台的构建。 第四章：i s p l l 6 1 a 1 主机控制器驱动的开发。本章在研究u s b 协议、o h c i 的基础上和l i n u x 下u s b 子系统的基础上，设计并实现u s b 主机控制器驱动程 序。 第五章：视频采集的实现。研究v 4 l 技术实现视频采集应用程序，并利用 j p e g 静态图像压缩技术实现u s b 摄像头采集的视频图像的压缩。完成u s b 主 机控制器驱动程序的测试。 第六章：总结与展望。 江苏大学硕士研究生毕业论文 第二章u s b 关键技术 本章根据u s b 协议对u s b 关键技术进行了描述，其中主要描述了u s b 通 信原理、o h c i 规范和l i n u xu s b 子系统。 2 。lu s b 拓扑结构 2 1 薹物理拓扑 u s b 的物理拓扑为分层的星型结构，由3 部分组成：u s b 主枫、u s b 集线 器和u s b 设备f 12 1 。如图2 1 所示，u s b 主机是该拓扑结构的起点，u s b 集线器 是其中心，每一层都是集线器和功能设备之间点到点的连接，其层次最多为7 层， 逶过这种分层的星型总线拓害 结构，u s b 系统最多可以支持1 2 7 个u s b 设备的 连接。 2 1 2 逻辑拓扑 图2 1u s b 总线的物理拓扑结构 u s b 逻辑设备是u s b 系统软绺对u s b 设备的抽象，虽然u s b 设备是以分 层的星型总线拓扑结构来连接，但从逻辑上看，u s b 主机可以与分层的u s b 设 备直接通信，好像与设备直接相连样，如图2 2 所示。 4 江苏大学硕士研究生毕业论文 图2 - 2u s b 总线的逻辑拓扑 2 2u s b 系统的分层结构 整个u s b 系统可以分为功能层、u s b 设备层和u s b 总线接口层。图2 3 对 u s b 系统的分层结构进行了描述【1 3 】。 e = = = 司 - _ 一 数据流 图2 3u s b 系统的分层结构 1 功能层 功能层主要负责实现u s b 设备的特定功能，如传输照片、打印文档等。该 层不理解u s b 的串行传输机制，而只是知道应和u s b 设备传输哪些数据，它由 主机方的客户软件和设备方的功能单元组成。功能单元是客户软件对u s b 设各 江苏大学硕士研究生毕业论文 的抽象，且被看做是一个接口的集合。 2 u s b 设备层 u s b 设备层实现了主枫和u s b 设备闽的配置透信，如为u s b 设备分配地址、 读取其描述符等。该层理解u s b 通信机制和功能层所要求的传输特性，它由主 机方的u s b 系统软件和设备方的u s b 逻辑设备组成。u s b 逻辑设备是u s b 系 统软件对u s b 设各的抽象，它被著做是一个端点蛉集合。 3 u s b 总线接朋层 u s b 总线接口层实现了主机和u s b 设备问数据的实际传输，它由主机方的 u s b 主控制器( 包括根集线器) 和设备方的u s b 总线接口两部分组成。u s b 总 线接口使用n r z i 编码( 反向非归零编码) 来传输数据，u s b 主控制器和u s b 集线器对数据进行接受或发送，并自动对其解码或编码。 2 2u s b 通信原理 u s b 通信逻辑上分成三层：信号层、协议层和数据传输层。 1 信号层：用来实现在u s b 设备和主枫斡物理连接之间传输缀信息流的信 息，该层的信息流称为包。 2 协议层：用来实现在u s b 设备和u s b 主机端的协议软件之间传输包字 节流的信息，该层传输的包信息称为事务处理。 3 数据传输层：用来实现在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，该层传输 的信息流称为传输。 2 2 2 传输的基本单元 包( p a c k e t ) 是u s b 系统中信息传输的基本单元。所有数据都是经过打包后在 总线上传输的f 1 4 】【1 5 1 。 1 包的组成 由同步( s v n c ) 字段、包糠识( p i d ) 字段、地址字段( a d d r ) 、端点字段( e n d p ) 、 帧号字段、数据字段、循环冗余校验( c r c ) 字段和包结尾( e o p ) 字段8 个部分组 成。 同步字段( s v n c ) 6 江苏大学硕士研究生毕业论文 所有的包都从同步字段开始的，同步字段提供同步时刻识别的编码序列。在 空闲状态时，同步字段以n r z i 编码的二进制串“k j k j k j k k ”出现在总线上。输 入电路利用同步字段使输入数据与本地时钟同步。同步字段的最后的2 位是同步 字段结束的记号，并标志着包标识符的开始。 包标识符( p i d ) 包标识字段紧跟在同步字段之后，并指明该信息包的类型、格式和所采用的 差错控制机制，它由4 位类型字段和4 位校验字段组成。校验字段是类型字段的 二进制补码，用于保证包标识符的传输可靠性。 包标识符分为令牌、数据、握手和专用四种类型。表2 1 列出了包标识符类 型、编码及其描述。 表2 1 包标识符类型 p i d 类型 p l d 名 p i d 3 ：0 】 描述 输出( o u t ) 0 0 0 l b 从主机剑功能 垃备的数据传输 输a ( i n ) 1 0 0 1 b 从功能部作到主机的数据传输 令牌 ( t o k e n )帧开始( s o f ) 0 1 0 1 b帧开始标记和帧号 建青( s e t u p ) 1 1 0 1 b 从主机到功能设备，表示要进行控制 传输 数据 数据0 ( d a t a 0 ) 0 0 l l b 偶数据包p i d ( d a t a ) 数据i ( d a t a l ) 1 0 1 1 b 奇数据包p l d 确认( a c k ) 0 0 1 0 b 接收器收剑尤错数据包； 握手 不确认( n a k ) 1 0 1 0 b 接收器无法接收数据，或发射器不能 ( h a n d s h a k e ) 发送数据； 停i _ = ( s t a l l ) l l l 0 b 端口挂起，或一个控制管道请求不被 支持。 专用 前同步( p r e ) 1 1 0 0 b 上机发送的前同步字。打开到低速设 ( s p e c i a l ) 备的下行总线通信。 地址字段( a d d r ) 地址字段存放的是设备在主机上的地址，具有唯一性，设备和地址是一一对 应的，并且由主机分配地址。地址字段的长度为7 位，共有1 2 8 个地址值。地址 0 作为缺省地址，不能分配给u s b 设备，因此，只有1 2 7 个可分配的地址值。 端点字段( e n d p ) 7 江苏火学硕士研究生毕业论文 端点字段用于指定u s b 设备中的一个端点，它的长度为4 位。全速高速设 备最多w 含有1 6 个端点，低速设备只能含有3 个端点，其中端点0 是所有u s b 设备必须的。 帧号字段 帧号字段是一个l l 位的字段，主机每过一帧就将其内容加l ，帧号字段达 到最大值7 f f h 时归零。它在每帧的s o f 包中发送。 数据字段 数据字段包含主机和u s b 设备之问需要传输的数据，最大长度为1 0 2 4 字节， 实际的数据字段长度由传输类型和程序的需要决定。 循环冗余校验字段( c r c ) c r c 字段是用来对包中的数据信息进行错误保护的，它是以包中数据字段 的存在而存在的，c r c 字段在数据的位填充之前出发送端产生，同样地在填充 位被去除之后，c r c 在接收端中褥到译码。c r c 字段主要在如下两霉睾情况下使 用： ( 1 ) 令牌包：在令牌包中，一般采用5 位循环冗余校验c r c 。 ( 2 ) 数据包：在数据包中，一般采用1 6 位循环冗余校验c r c 。 包结尾字段( e o p ) 包的发送方在包的结尾发出包结尾信号。u s b 主机和u s b 设备根据e o p 判 断数据包的结束。除蘸导包( 即p i d 为 ； f 同步p r e 时的数据包) 外的其他所有 u s b 数据包都必须具有e o p ，以用来指示数据包的结束。 2 包的类型 根据p i d 类型，u s b 规范支持四种不同类型的包：令牌包、数据包、握手 包和专用包。 令牌包 在u s b 系统中，只有主机才能发出令牌包。令牌雹定义了数据传输的类型， 是事务处理的第一个阶段。u s b 包含四种令牌包：输入令牌包( i n ) 、输出令牌 包( o u t ) 、用于控制传输的设置令牌包( s e t u p ) s 1 起始令牌包( s o f ) 。 数据包 数据包由p i d 字段、包含0 个或多个数据字节的数据字段以及c r c 字段组 8 江苏大学硕士研究生毕业论文 成。数据包有2 种类型的p i d ：d a t a 0 和d a t a l 。数据c r c 仅与包的数据字 段相关。 当u s b 发送数据包的时候，如果一次发送的数据长度大于相应端点容量的 时候，就需要把该数据分成好几个包，分批发送。如果第一个数据包被定为 d a t a 0 ，那么第二个发送的数据包就应该是d a t a l 如此交替下去。而数据 的接收方在接收数据时检查其类型是否是d a t a 0 、d a t a l 交替的，这是保证数 据交换正确的机制之一。 握手包 握手包用于报告数据处理的状态，它仅由一个p i d 字段构成。握手包用于报 告事务处理的状态，以反映数据接收成功与否、指定端点是否被停止、是否能响 应命令等情况。握手包可分为3 中类型：确认包a c k 、无效包n a k 和停止包 s t a l l 。这三种包的具体含义如下： ( 1 ) a c k 包 表示接收的数据包在数据段没有位填充或c r c 错误，数据p i d 也被正确接 收。a c k 握手包只使用于数据传送完成且期待握手信号的事务中，对于i n 事务， a c k 由主机返回，而且对于o u t 或s e t u p 事务则由功能部件返回。 ( 2 ) n a k 包 表示功能设备不能从主机接收数据，或者功能设备没有数据发送到主机。功 能设备只有在i n 处理的数据阶段或者o u t 处理的握手阶段返回n a k 。主机不 会发送n a k 握手。n a k 用于实现流控制，它能指出功能设备暂时不能发送或者 接收数据，但最终可以发送或者接收数据且无需主机干涉。 ( 3 ) s t a l l 包 表示u s b 设备没有能力发送或接收数据，或u s b 设备不支持某个控制请求。 s t a l l 包只能由u s b 设备在i n 事务的数据阶段或在o u t 事务的握手阶段返回。 前导包( 专用包，p r e a m b l e - - p a c k e t ) 主机在开始低速事务之前必须先发送一个前导包，它提醒u s b 集线器系统 要传输的下一个包是一个低速包。 2 2 3 事务处理 u s b 事务处理是u s b 主机和u s b 设备之间数据通信的基础，由一系列的包 9 江苏大学硕士研究生毕业论文 组成，如s e t u p 包、a c k 包等。一个完整的u s b 事务处理包含三个阶段，各 个阶段的功能如下： 令牌阶段：所有的u s b 事务处理必须包含的阶段，表示事务处理的开始， 定义了本次传输的类型。 数据阶段：其中包含了本次传输的数据。其数据大小取决于端点和传输类 型，最大数据量为1 0 2 4 字节。 握手阶段：用于报告事务处理的状态，以表明传输是否成功。 事务处理分为输入( i n ) 事务处理、输出( 0 u t ) 事务处理和设置( s e t u p ) 事务 处理。 1 输入( ) 事务处理 i n 事务处理用于完成u s b 设备到主机的数据传输。传输成功的情况下，玳 事务包括令牌、数据和握手3 个阶段，其实现过程如下： ( 1 ) u s b 主机向指定的u s b 设备发送i n 令牌包。 ( 2 ) u s b 设备正确接收到i n 令牌包，向主机发送数据包。 ( 3 ) u s b 主机正确接收到数据包后，向u s b 设备返回a c k 握手包。 当设备不能成功地响应主机发出的i n 令牌包时，u s b 设备的响应有：当收 到的i n 令牌包己损坏，则u s b 设备不应答；如u s b 设备暂时不能向主机发送 数据，则返回n a k 握手包；当u s b 设备的这个i n 端点被停止了，则向主机返 回s t a l l 握手包。当主机暂不能接收数据或检测到数据包已损坏，则会丢弃数 据包，不做任何响应。 2 输出( o u t ) 事务处理 o u t 事务处理用于完成主机到u s b 设备的数据传输。传输成功的情况下， o u t 事务处理包括令牌、数据和握手3 个阶段，其实现过程如下： ( 1 ) u s b 主机向指定的u s b 设备发送o u t 令牌包。 ( 2 ) u s b 设备正确接收到o u t 令牌包，然后u s b 主机发送数据包。 ( 3 ) u s b 设备正确接受到数据包后，向u s b 主机返回a c k 握手包。 当u s b 设备收到已损坏的o u t 令牌包和数据包，则设备将不做应答。当 u s b 设备的该端点已被停用，它将会向主机返回s t a l l 握手包。当u s b 设备 和该数据包的数据触发位不匹配，则u s b 设备则会丢弃数据，返回a c k 握手包。 1 0 江苏大学硕士研究生毕业论文 3 设置( s e t u p ) 事务处理 s e t u p 事务处理是一种特殊的u s b 事务处理，它只在u s b 控制传输阶段 使用。正确传输的情况下，s e t u p 事务处理包括令牌、数据和握手3 个阶段， 其实现过程如下： ( 1 ) u s b 主机向指定的u s b 设备发送s e t u p 令牌包。 ( 2 ) u s b 设备正确接收到s e t u p 令牌包，然后u s b 主机丌始发送数据包。 ( 3 ) u s b 设备正确接收数据包后，向u s b 主机返回a c k 握手包。 当u s b 设备接收到的s e t u p 令牌包有误，u s b 设备则忽略该信息包，且 不做任何响应。一旦u s b 设备接收了s e t u p 令牌包，则一定要接收后面的数据 包并向主机返回a c k 握手包。 2 2 4 数据传输 针对设备对系统资源需求的不同，u s b 定义了四种不同的数据传输方式： 控制传输、批量传输、中断传输和同步传输。 1 控制传输 控制传输适用于传输少量的、对传输时间和传输速率均无要求、具有数据传 输保证，主要有读取设备配置信息及设备状态、设置设备地址，设置设备属性、 发送控制命令等功能。 控制传输至少有2 个事务阶段：建3 f f _ ( s e t u p ) 阶段与状态( s t a t u s ) 阶段， 建立和状态阶段之间包含一个可选的数据阶段。 在建立阶段里，s e t u p 事务用于将信息发送到功能设备的控制端点。如图 2 - 4 所示，s e t u p 事务的数据阶段使用d a t a 0 。接收s e t u p 的功能设备必须接 收s e t u p 数据并用a c k 响应，如果数据被损坏，则丢弃数据且不返回握手。 控制传输数据阶段( 如果存在) 由一个或多个烈或者o u t 事务组成。数据阶段 里的事务必须有相同的方向。状态阶段是以上一阶段的数据流方向的改变来描 述，并且总是使用d a t a l 。图2 5 所示为控制传输的数据发送顺序。 江苏太学硕士研究生毕业论文 令牌 数据 瘦答 空闲 空闲 圜主机 功能部件 图2 - 4 控制傍输s e t u p 事务处理。 建立阶段 控制写i , s e t u p ( o ) i d a t a 0 控制读匡亟圃 d 焱t a 9 建立阶段 璐譬蒯 制传输错 状态阶段 白a d a 张ld a t a 0d a 张彭ld a 羊a l 口圃 巫口匝圃匝亟妇 d a 零ad a 下a 0 d a t a 彰ld a 羊al 状态阶段 l ( 1 ) l d a t a l 图2 - 5 控制传输的数据发送顺序 当控制端口在控制传输的数据和状态阶段中发送s t a l l 握手的时候，必须 对以后所有对此端瑟访闯返网s t a l l 握手，直到荐次收到s e t u pp i d 为止。端 网收到建立p i d 之后，不应返回s t a l l 握手。 2 同步传输 同步传输适用于传输大量的、速率恒定的、置对服务周期有要求的数据，一 般用于传送与时间相关的信息。露步传输仅适用于全速高速设备。 如图2 - 6 所示，同步传输的事务处理只有令牌时相和数据时相。主机发出输 入或输蕊令牌后，u s b 设备( 输入) 或u s b 主机( 输出) 传送数据的数据时相。 同步传输的事务处理中，设备或主机应该只发送d a t a o 。 1 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 令牌 数据 空闲 空闲 囡主机 功能部件 图2 - 6 同步传输事务处理 3 批量传输 批量传输适用于传输大量的、且对传输时问和传输速率均无要求的数据，采 用差错控制和重传机制来确保传输的正确性。批量传输仅使用于全速高速设备。 批处理事务处理一般包含令牌、数据和握手三个阶段。在某些情况下，数据 阶段被握手阶段替换，从而产生了没有数据传输的两个阶段的批量事务。 当主机准备好接收批处理数据时，它发出一个i n 令牌包。如果u s b 设备在 接收到该令牌包时，发现其已经损坏，则不作任何应答，否则u s b 设备向主机 返回数据包、n a k 或s t a l l 握手包。n a k 表示功能部件暂时不能返回数据， 而s t a l l 表示端口永久地被停止，需要u s b 系统软件干涉。如果主机收到有效 的数据包，则它向u s b 设备返回a c k 握手包。如果主机收到数据包时主机检测 到错误，则会丢弃该数据包，并不做任何应答。 当主机与某个设备进行多次批量传输时，令牌包中的标识符是在d a t a 0 和 d a t a l 之间交替变化的。如图2 7 描述了成批发送和接收传输时令牌包标识符 的变化情况。通过使用d a t a 0 d a t a l 的令牌标志符，达到数据同步的目的。 批量o u t 传输 亟互至口 d a t a 0 批量i n 传输 ! 圃 d a t a 0 臣亟刃 d a t a l 口巫口 d a t a 叵亟回 d a t a 0 l i n ( 0 1 ) l r - - - - - - - - - - - - - - - - - ，一 d a t a 0 1 图2 7 批量传输数据包的发送顺序 4 中断传输 中断传输适用于传输少量或中量的、且对服务周期有要求的数据。中断传输 使用差错控制和重试机制来确保传输的正确性。 江苏大学硕士研究生毕业论文 如图2 8 所示，中断事务处理包括i n 传输和o u t 传输，可具有令牌、数据 和握手三个阶段。当u s b 主机接收中断时，它将向特定u s b 设备发出i n 令牌 包，而u s b 设备将向u s b 主机返回数据包、n a k 或s t a l l 握手包，当u s b 设备接收到的i n 令牌包有误时，它将丢弃数据包，并不作任何相应。当主机接 收中断时，它将向特定u s b 设备发出o u t 令牌包和数据包，而u s b 设备将向 u s b 主机返回数据包、n a k 或s t a l l 握手包，当u s b 设备接收到的o u t 令 牌包或数据包有误时，它将不作任何应答，并丢弃数据包。 令牌 数据 握手 2 3u s b 主机 匿t n 习e o u , ! , i i l l 心i 厩 尸7 a o 单宴娴粜 世 | 匿7 燃习 、篙耄币年申 数据 出错 fl- 士 园主机口功能部件 图2 - 8 中断传榆事务处理 闲 在任何u s b 系统中，只有一个主机。u s b 主机在整个数据传输的过程中占 据主导地位，u s b 系统的数据和命令的传输都由u s b 主机来启动。u s b 主机内 部含有u s b 主机控制器，负责完成主机和u s b 设备之间的物理数据传输。 2 3 1u s b 主机功能 u s b 主机完成的主要功能如下： 1 检测u s b 设备的连接和断开 2 管理主机和u s b 设备间的控制通信流 1 4 江苏大学硕士研究生毕业论文 3 管理主机和u s b 设备问的数据通信流 4 收集总线状态和总线活动信息 5 控制主控制器和u s b 设备间的电气接口 2 3 2u s b 主机端的软件结构 根据u s b 协议，u s b 主机端软件分为3 层，从上向下分别为客户端驱动程 序( c l i e n t d r i v e r ) 、u s b 驱动( u s bd r i v e r ，简称u s b d ) 和主机控制器驱动程序 ( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ，简称h c d ) 三层【1 6 1 。u s b d 和h c d 两部分组成u s b 系 统软件( u s bs y s t e ms o f t w a r e ) 。 1 客户端驱动程序( c l i e n t d r i v e r ) 完成对不同设备类的设备的功能驱动。应用程序通过文件系统提供的接口 函数和客户端驱动程序进行交互。为了和设备j 下常通信，客户端驱动程序通过 i o 请求包( i r p ) 向u s b d 层发出数据接收或发送的请求，i o 请求包的性质与 w i n d o w sn t 中的i r p 相似。此外，u s b 的数据传输机制对客户端驱动程序是透 明的。客户端驱动程序所看到的仅仅是具体的设备类，不管设备采用何种方式传 输数据。另外i r p 是u s b 协议定义的抽象概念，其结构需根据协议的具体设计 而定。 2 u s b d ( u s bd r i v e r ) 主要负责处理客户端驱动程序提供的i o 请求，它通过i r p 知道此设备的属 性和本次数据通信的要求，将此i r p 转换成u s b 所能辨识的一系列事务处理， 交给h c d 层或直接交给主机控制器处理。u s b d 还负责新设备的配置、被拔掉 的设备的资源释放和对客户端驱动程序的维护等操作。 3 h c d ( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ) 主要功能是与主机控制器合作完成u s b 各种事务处理。它根据一定的规则 调度所有将被广播发送到u s b 上的事务处理。调度方法是首先将数据按传输类 型组成不同的链表，每种链表包括来自不同设备驱动程序的同一种类型的数据， 然后定义不同类型传输在一帧中所占带宽的比例，交给主机控制器处理，控制器 根据规则从链表上摘下数据块，根据大小为它创建一个或多个事务处理，完成与 设备的数据传输。当事务处理完成时，h c d 将结果交给u s b d 层，此外，它还 完成对主机控制器和根集线器的配置和驱动等操作。 江苏大学硕士研究生毕业论文 2 4o h c i 规范 o h c i l l 7 1 是一种u s b 主机控制器的设计规范，它从寄存器级对主机控制器进 行描述。本课题研究的u s b 主机控制器i s p l l 6 1 a 1 和o h c i 规范是兼容的。下 面对o h c i 规范进行研究。 o h c i 规范规定了两种主机控制器与主机控制器驱动程序问的通讯接口，即 控制器操作寄存器和控制器通信区h c c a 。o h c i 同时规定驱动程序使用e d 和 t d 的结构实现对控制器传输数据包的访问。其中，e d 描述了相关端点的地址、 数据传输方向以及最大数据包长度等信息，不同传输类型的e d 采用单向链表的 方式连接在一起；t d 对u s b 设备端口传输的数据包进行描述，每个e d 下都连 接了一个与该e d 相关的t d 链。 2 4 1o h c i 中的e d 链表实现机制 o h c i 协议为e d 提供了3 个链表：批量传输链表、控制传输链表和周期性 传输链表，这3 类链表由主机控制器和控制器驱动程序共同维护。批量传输和控 制传输的e d 链表的头指针存储在主机控制器的操作寄存器中，周期性传输链表 的头指针存储在h c c a 中。o h c i 通过h c c a i n t e m p t t a b l e 提供中断链表的入1 ：3 ， 中断传输的链表包含3 2 个入口地址，它提供了反向二叉树结构，其中的每个节 点都可以容纳e d 链表。控制器在一毫秒内处理完成从一个叶子到根节点的所有 e d 的当前t d 的处理过程。下一毫秒处理下一个叶子所指一串节点的e d 链表， 3 2 毫秒为一个周期，o h c i 没有特定的e d 头指针管理同步传输。由于中断传输 的最后一个e d 支持的数据传输速率为1 次毫秒，与同步传输的速率相同，故同 步传输的e d 被简单的连接到最后一个中断传输e d 后面。 2 4 2o h c i 控制器对链表的处理 o h c i 控制器负责对链表上的数据进行处理。 对于中断和同步传输，o h c i 控制器从当前毫秒帧的中断e d 头指针开始， 对所有连接在其上的数据进行处理。 对于控制和批量传输，o h c i