（测试计量技术及仪器专业论文）基于单片机的嵌入式usb主机研究与实现.pdf

摘要 摘要 u s b 是现今在p c 领域被广泛采用的总线接口技术，在一些嵌入式系统中， 人们也希望有u s b 设备的出现，丽在u s b 的拓扑结构中，居于核心地位的p c 机， u s b 设备无法脱离p c 机而存在。本文针对u s b 设备的应用局限，对u s b 协议架 构及其通信流程做了深入的分析，确定嵌入式u s b 主机必须具备的软硬件条件， 给出设计思路，并在此基础上，以应用最为广泛的u 盘为u s b 设备，借助c y p r e s s 公司的主机控制芯片s l 8 1 1 h s ，在单片机系统中实现了u 盘主机系统，使得u 盘 可以脱离p c 机为单片机系统使用。本文重点进行了如下的工作。 1 分析u s b 协议，确定嵌入式主机的设计方法。 2 介绍u s b 设备类协议以及设计中所涉及的f a t 文件系统，分析了设计 中难点和重点。 3 介绍了主控芯片s l 8 l l h s 的结构及工作原理，并完成了嵌入式u s b 主 机的硬件设计。 4 针对u s b 主机的软件需求，在单片机系统中实现了u s b 协议、u s b 海 量存储类协议以及在p c 领域应用广泛的f a t 文件系统，整个软体从 底层数据传输到高层的应用共分为6 大模块，针对各个模块软件设计 结合流程图做了详细的阐述，并给出了相应的实验验证。 5 使用m i c r o s o f t 公司的n e t 平台语言c # 设计了u 盘的数据管理系 统，对单片机系统中以文件形式存储于u 盘上的数据进行数据库管 理。 实验系统运行证明本系统代码精简，具有很好的可移植性，可以很方便的 移植到其它的单片机系统和d s p 等系统中。 关键词：u s b 主机主控芯片单片机c 语言 ：至三兰銮：三：罂圭耋竺鎏兰 a b s t r a c t u s bh a sb e e ne x t e n s i v e i ya d o p t e da sab u si n t e r f a c et e c h n o l o g yi np c s t o d a y p e o p l eh o p et ou s eu s b d e v i c e si ns o m ee m b e d d e ds y s t e m s ，b u tt h ek e r n e lo fu s b t o p o l o g yi sp ca n du s bd e v i c e sc a n n o tu s ew i t h o u tp c i no r d e rt oo v e r c o m et h e l i m i t a t i o n ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h es t r u c t u r eo fu s bp r o t o c o la n di t sc o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ；d e c i d e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o n d i t i o n st h a ta ne m b e d d e du s b h o s t m u s tp o s s e s s ；a n dg a v et h ed e s i g no u t l i n e a tl a s t ，d e s i g n e da ne m b e d d e dud i s k e o n t f o l s y s t e mb ym e a n so fs l 8 1 lh st h a t p r o d u c e db yc y p r e s sc o r p o r a t i o ni n s i n g l e c h i pc o m p u t e rs y s t c m t h em a i n w o r ko ft h i sp a p e ri sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 a n a l y z e d t h eu s b p r o t o c o la n d d e c i d e st h ed e s i g nm e t h o d s 2 i n t r o d u c e dt h eu s bm a s ss t o r a g ep r o t o c o la n dt h ef a ta n dp o i n t so u tt h e e n l p h a s e sa n dt h ed i f f i c u l t i e si nt h i sd e s i g n 3 m a i n l yi n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p i eo fs l 8 1l h s ，a n dc o m p l e t e d t h eh a r d w a r ed e s i g no fu s bh o s ts y s t e mb a s e do n s i n 9 1 e - c h i pc o m p u t e f 4 a c c o r d i n gt ot h en e e d0 fu s b h o s tt os o r w a r e ，r e a l i z e dt h eu s b p r o t o c o l ， u s bm a s ss t o r a g ep r o t o c o la n dt h ef a tt h a ti se x t e n s i v e l yu s e di np c t o d a y t h es o f t w a r ei sd i v i d e di n l os i xm o d u l e sf r o mt h et r a n s m i s s i o no ft h el o w e r l a y e rt o t h e a p p l i c a t i o no fh i g h e rl a y e r ，a n d t h i s p a p e rd e s c r i b e de v e r y m o d u l eb yt h ef l o w c h a r ta n dg a v et h ee x p e r i m e n t 5 d e s i g n e d au d i s kd a t am a a g e m e n ts y s t e mw i t hc s h a r p t h i ss y s t e mc a n m a n a g et h ed a t aw h i c hs t o r e si nu d i s ki nf i l e s t h ee x p e r i m e n t s y s t e mp r o v e d t h a tt h i se m b e d d e dh o s tc o n t r o l s y s t e m i s r e l i a b l e ，e x t e n d a b l ea n dc a nb et r a n s p l a n t e dt oo t h e rs i n g l e - c h i pc o m p u t e rs y s t e mo r d s p s y s t e m k e y w o r d s ：u s bh o s t ；h o s tc o n t r o l l e rc h i p ；s i n g l ec h i pc o m p u t e r ；cl a n g u a g e l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 u s b 技术的起源和发展州3 1 随着电脑应用的拓展与应用，计算机的外围设备越来越多，出现了各种各样 的外设接口：并行口、串行口、键盘接口、鼠标口、游戏手柄接口、音频输入输 出口、视频输出口、网络接口等。由于各种外围设备的不断增加，计算机所提供 的可用于连接外设的资源日渐捉襟见肘，常常由于不能提供更多的接口，而导致 各种i o 的冲突，加之各种中低速外设缺少一个双向、低价、即插即用的统一的 总线，限制了外围设备的研制与开发。因此，如何简化外设扩充方法使之方便易 行，便成为各个计算机厂家面临的重大研究课题。u s b 的规范是i b m ，c o m p a q ， i n t e l ，m i c r o s o f t ，n e c 等多家公司联合制定的。u s b 总线规范草案最早提出于 1 9 9 4 年底，几经修改，推出了版本号为0 7 的正式版本，于1 9 9 6 年又推出u s b l 1 。 在u s b l 1 版本中定义了两种速度的u s b 传输模式，低速( l o ws p e e d ) 模式的数据 传输速度为1 5 帖s ；全速( f u l ls p e e d ) 模式使得u s b 的传输速度峰值达到了 1 2 m b s 。2 0 0 0 年底，u s b 组织又推出了新版本的规范一u s b 2 o ，这个版本将u s b 总线的传输速度提高到了4 8 0 s 的水平。 由于u s b 具有高速度、低成本、低功耗、即插即用以及使用与维护都很方 便等优点，u s b 端口己成为了微机主板的标准端口；几乎所有的微机外设，包括 键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏手柄等等，都通过u s b 与主机相连。可以分为几大类：存储类，如移动存储，移动硬盘，c d d v d ，读卡 器等；有线连接类，如u s b 网卡、d s l 路由器、共享器等；蓝牙及无线类，如蓝 牙转换器、无线网卡等；人机界面类，如键盘、鼠标等；影音图像类，如m p 3 ，u s b 音像等；还有如p d a ，m o d e m 、电话等。目前，u s b 在存储类设备和影音图像类设 备中应用尤为广泛，特别是优盘和s m a r tc a r d 读卡器，价格适中，使用方便， 已逐渐成为替代软驱的新一代移动存储工具，在工业、商务、办公事务上应用越 来越广泛。在工业场合u s b 也受到足够的重视，并己应用于很多数据传输场合， 比如数据采集，视频采集，大型喷印系统等。 1 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 课题的研究意义 可以说，从u s b 问世，到协议规范2 o 版本，u s b 在不断自我完善，并走向 成熟。从普通计算机用户，计算机工程师，到硬件芯片生产厂商，都已经完全认 可了u s b 。厂商对于u s b 的硬件和软件支持的也越来越完备，现在开发一个u s b 外 设产品，所需要投入的成本和时间大大降低了，几年前是没有办法做到这一点的。 但是，随着u s b 应用领域的逐渐扩大，人们对于u s b 的期望也越来越高，希望u s b 能应用在各种计算机领域中，尤其是在移动数据领域中，希望能通过p d a 等移动 设备直接和u s b 外设通信，使得u s b 能应用在没有p c 的领域中，但这正是u s b 的一 个致命的弱点，u s b 的拓扑结构中居于核心地位的是h o s t ( 也称为主机) ，任何一 次u s b 的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的u s b 外设都只能和主机建立 连接，任何两个外设之间或是两个主机之间无法直接通信”1 。而目前，大量的扮 演主机角色的是p c 。因此，我们目前所买到和使用的u s b 移动设备，都是u s b 的外 设( d e v ic e ) ，比如u s b 的移动硬盘、u s b 接口的数码相机等等。所有这些设备都 只能与p c 进行文件和数据交换。没有了p c ，这些设备就“失灵”了。因此，“如 何将u s b 应用到嵌入式领域? 如何实现u s b 点对点的通信( 如图l 一1 所示) “”? ” 等问题，形成了新的需求，嵌入式的u s b 主机成了新的研究的兴奋点。 图1 1嵌入式u s b 主控的应用前景 f i g 1 - lt h ep r o s p e c to fe m b e d d e du s bh o s t 本设计所要实现的嵌入式u s b 主机，目的就是要使嵌入式系统和移动存储设 备能够在脱离p c 的情况下进行数据交换。 1 3 国内外研究现状5 m 1 目前在嵌入式的u s b 主机方面所做的研究和设计大都是采用m c u f m p u ) + u s b 主控接口芯片的模式，而且已经有产品问世。 作为u s b 的延伸，u s b 主控接口芯片只有少数的公司提供，现在比较成熟 的有c y p r e s s 公司的s l 8 1 1 h s 和p h i l i p s 公司的i s p “6 l 。s l 8 1 1 h s 是c y p r e s s 公司2 0 0 2 年的新产品，支持u s b l 1 协议，由于其技术比较成熟，市场的供给充 足，因而目前应用较为广泛；i s p l l 6 1 是p h i l i p 公司推出的世界上第一块集主 从控制器于一体的1 6 位芯片，一般用于d s p 及一些嵌入式系统中，它的应用方 向是一些手持数码设备。基于这两个主控芯片，国内外的嵌入式产品厂家展开了 广泛的研究，希望能够在嵌入式产品的世界中有u s b 产品的参与。 在嵌入式的u s b 主控技术诞生之初，工程师所做的工作是如何将u s b 产品应 用到嵌入式系统中，对数据的速度并没有做过多的要求，而且在中央控制芯片的 选择上大都采用资源丰富的芯片来充当中央控制芯片，随着技术的发展，工程师 们开始专注于系统的性能方面的研究，而且一直以来倍受宠爱的m c s 一5 l 系列单 片机也开始在u s b 主控技术中出现。目前，在嵌入式系统中u s b 的数据传输速度 已经达到了几百k b s ，但是这仍然没有完全发挥u s b 在传输速度上的优势，所以 在技术上，尤其是软件的编制上还有待改进。 现有的u s b 主控厂家和u s b 论坛所提供的d e m o 大都依靠嵌入式操作系统 w i n c e 和l i n u x 等，鉴于单片机所占有的广阔的市场空间，基于单片机嵌入式u s b 主机控制器的研究具有一定的领先性和前瞻性。现在一些大学和公司已经开始了 有关这方面的研究，从事这方面研究工作的有清华大学、浙江大学等等，还有一 些便携式设备的生产厂家。在一些单片机的系统中，例如在数据采集领域中，某 些场合例如温度、压力过高或者测试地点需要移动等情况下，不适合p c 机存在， 而大量的采集的数据需要存储，利用u s b 移动类存储设备就可以很方便的解决这 个问题。典型的产品有飞机黑匣子、汽车黑匣子( 数据记录仪) 、测厚仪、探伤 仪、手持式数据采集器等等。 嵌入式u s b 主机控制器技术还未成熟，还有待主控生产厂家继续开发出更好 的主机控制芯片，嵌入式工程师开发出更优秀、更有效率的软体。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 。4 课题研究的难点 在单片机系统中开发u s b ，不同于p c 系统，其难点分析如下： u s b 技术一开始是基于p c 机发展起来的，p c 机中都内嵌了u s b 主机控制器， 而且主机控制器的驱动不需要设备开发的技术人员关心，他们只关心自己所做的 设备的相关驱动。而在嵌入式计算机中开发u s b ，首先需要实现u s b 主机控制器 的硬件设计及其驱动。 在p c 上实现u s b 时p c 具有丰富的可用资源，其中包括高达5 1 2 m b 字节的存 储器2 0 6 0 g b 的硬盘以及2 g h z 或速度更快的微处理器。此外，五年多来 w i n d o w s m a co s 以及u n i x 等操作系统一直支持u s b ，世界上有成千上万的工程师 在设计基于p c 的u s b 应用程序和设备驱动程序。而在嵌入式计算机中开发u s b ， 由于其资源有限，通常只具有不超过6 4 k 的存储器，所以要求软件系统必须精简 有效率，这也是难点所在。 在单片机系统中的u s b 主机控制器( 主控芯片为c y p r e s s 公司的s l 8 l l h s ) 开 发难度比开发一个u s b 设备要大得多，工作量也要大得多。另外，它需要开发者 很熟悉操作系统下的驱动管理机制和u s b 协议中关于主机控制器驱动的部分。这 也是许多嵌入式计算机中开发u s b 的难点所在。 由于在嵌入式中开发u s b 相对是一项较新的技术，只有为数不多的工程师具 有这方面的工作经验，可以参考的资料也相对有限，这样开发工作只能慢慢摸索， 不断的改进才能真正发挥u s b 产品的高速的数据传输的优点。 1 5 课题的主要工作 本次课题主要是针对在单片机系统中无法应用u s b 产品的缺陷而做的相关的 研究与设计，主要的工作如下： ( 1 ) 析u s b 协议以及u s b 海量存储类协议和f a t 文件系统，确定在嵌入式系统 中实现u s b 主机所需要的软硬件条件。 ( 2 ) 用m c s 一5 l 系列单片机作为中央处理芯片，c y p r e s s 公司的s l 8 l l h s 作为主 机控制芯片，完成u s b 主视控制器的软硬传的设计工作。在本设计中主要 针对u s b 移动类存储设备( u 盘) ，实现与p c 机类似的u s b 主控功能，包 4 第一章绪论 括建立文件和目录，写入文件、删除文件等功能。 ( 3 ) 利用高级编程语言c # 编制控制软件，使得u s b 移动存储设备在单片机系统 中所获得的数据能够转移到计算机进行统一管理。 第二章u s b 协议的介绍 u s b 的出现是计算机接口技术发展的必然，u s b 技术最早是应用在p c 中的， 本设计的目的就是希望单片机系统可以取代p c 机完成对u s b 设备的控制。本章 在详细介绍u s b 协议的主机协议部分的基础上，阐述在单片机系统中实现u s b 主机控制功能的关键技术。 2 1 u s b 系统结构模型”们 u s b 以u s b 主机为核心，以外围的u s b 设备为功能，组成了系统模型，也就 是说，u s b 提供的是主机和设备中间的一种数据通信业务，系统的模型如下： 图2 一l 简单的u s b 系统结构模型 f i g 2 - ls i m p l es t r u c t u r em o d e lo f u s b s y s t e m 2 2 u s 8 系统的软硬件组成及其分析 u s b 由基本硬件和基本软件元素构成，其中基本硬件包括：u s b 主机控制器根集 线器；u s b 集线器和u s b 设备。基本软件包括：用户软件、u s b 设备驱动程序、u s b 核心驱动程序( u s b d ) 和u s b 主机控制器驱动程序。图2 2 所示的就是包含在u s b 系 统中的硬件和软件元素以及他们之间的联系。由图可知，u s b 系统的软硬件资源可以 分为3 个层次，即功能层、设备层、和接口层。接口层涉及的是具体的物理层，其主 要实现物理信号和数据包的交互；设备层主要是提供u s b 基本的协议栈，执行通用 的u s b 的各种操作和请求命令；功能层提供每个u s b 设备所需的特定功能，主机端 的这个功能由用户软件和设备类驱动程序提供。 下面分别说明u s b 系统的基本的硬件元素和软件元素： 第二章u s b 协议的介绍 主机系统u s b 设备 用户软件和u s b 设备驱动程序 功能单元 l j s b 功能层 tt u 系统软件 ( u s b 核心和丰u s b 逻辑设备 u s b 设备层 控制器驱动程 序) u s b 主控制器根 h u b u 鹞总线接口 u s b 接【 层 - 实际数据流_逻辑数据流 图2 2u s b 系统组成 f i g 2 - 2t h ec o m p o s i t i o no fu s bs y s t e m 2 2 1 硬件组成元素及其分析 ( 1 ) u s b 主机控制器u s b 的所有通信都是在主机端产生的，具体是由软件控 制来实现。主机硬件组成了u s b 的主机控制器，它初始化u s b 系统上的事务处理， 根集线器为u s b 设备提供了连接点( 或端口) 。目前已经开发出了两个u s b 主机控 制器方案：开放主机控制器( o h o ) 和通用主机控制器( u h c ) 。0 h c 是由康柏、微软 和国家半导体公司联合制定的，而u h c 是由i n t e l 公司定义的。这两种主机控制 器执行同样的基本工作，只是在具体实现方式上有轻微的差异。u s b 主机控制器 由控制器和根集线器两部分组成，下面将分别给予介绍： 主机控制器主机控制器负责产生事务处理，这些事务处理已经由主机软件安排 好。主机控制器驱动程序( h c d ) 软件在内存中建立一个数据结构的连接列表。这 些数据结构定义了那些安排好的将要被执行的基本事务处理。这些数据结构被称 为传输描述符，它包含了主机控制器产生事务处理所需要的全部信息，这些信息 包括：u s b 的设备地址、传输类型、传输方向和设备驱动程序的内存缓冲区地址。 主机控制器对一个目标设备执行操作，它从一个内存缓冲区( 由u s b 设备驱动程 广东工业大学工学硕士学位论文 序提供) 读取数据，并把数据发送到目标设备。主机控制器对数据执行一个并行 到串行的转换，建立u s b 的事务处理。 如果要求一个读传输，主机控制器就建立一个读事务处理，并把它发送到根 集线器，根集线器在u s b 上发送读事务处理。目标设备认出地址，并且确定是所 要求的数据，设备就把数据发给根集线器，根集线器再把数据传递到主机控制器。 主机控制器对数据进行串行到并行的转换，并把数据放到设备驱动程序的内存缓 冲区。需要注意的是：u s b 根集线器和目标设备在一个事务处理过程中会进行错 误检查，检测到的错误由根集线器识别出来，并送到主机控制器，主机控制器对 错误进行记录。并向主机软件报告。 根集线器事务处理由控制器产生，它先被送到根集线器，然后发送到u s b 上， 每一个u s b 事务处理在根集线器处产生。根集线器为u s b 设备提供连接点，并执 行一些关键操作：控制它的u s b 端口的电源；激活和禁止端口；认出和每一个端 口相连的设备：设置和报告与每一个端口相连的状态事件( 当主机软件进行查询 的时候) 。根集线器由一个集线器控制器和中继器组成。集线器控制器对集线器 自身的存取做出反应。例如，主机软件提出的请求，加上或断开某个端口上的电 源，中继器把事务处理传输到u s b 和主机控制器或者从主机控制器和u s b 传到中 继器。 ( 2 ) u s b 集线器除了根集线器之外，u s b 系统还支持附加的集线器，它允许对 u s b 系统进行扩展，附加继电器提供了一个或多个u s b 端口用于连接其他的总线 设备。u s b 集线器可以被集成到一个设备内部，如键盘和显示器( 称为复合设备) ， 或者作为一个单独的设备实现。此外，集线器可能是由总线供电，就是说：从它 自己处获得电源，并为和u s b 相连的所有设备供电。总线供电的集线器由于受到 总结提供功率的限制，所以最多只能支持四个u s b 端口。集线器包含两个主要的 功能单元：集线控制器和中继器。 ( 3 ) u s b 设备u s b 设备包含一些设备描述符，它们指出了一个给定设备的属性 和特征。这些设备描述符向主机软件提供了一系列u s b 设备的特征和能力，用于 配置设备和定位u s b 客户软件的驱动程序。u s b 设备驱动程序也可以用设备描述 符来确定需要的附加信息，这些信息用于保证以正确的形式对设备进行访问。这 项机制被称为设备构架，软件必须理解这个机制，因为软件用它来正确地配置和 访问设备。u s b 设备分为高速设备和低速设备。高速设备可以看到u s b 七广播的 8 第二章u s b 协议的介绍 所有事务处理。这些设备接收并发送串行数据，最高传输速率为1 2 m b p s 。低速 设备不仅在吞吐量上有限制( 1 5 m b p s ) ，而且在功能支持上也有相应的限制。在 全速事务处理的过程中，低速集线器端口保持非活动状态，它可以防止全速总线 的通信通过低速数据线传送。前导包指出接下来的事务处理将以低速广播。集线 器在检测到一个前导包后，将激活低速端口，允许低速设备看到低速总线活动。 2 2 2 软件组成元素及其分析 ( 1 ) u s b 系统软件u s b 系统软件主要是指p c 上操作系统提供的一系列软件和驱 动程序，主要包括u s b 核心驱动程序和u s b 主控制器驱动程序。u s b 核心驱动程 序负责解释u s b 设备类驱动程序发来的命令并将其划分为一系列的u s b 事务，然 后发给u s b 主控制器驱动程序。u s b 主控制器驱动程序负责底层的驱动任务，控 制和管理硬件底层，负责将u s b 事务发送给u s b 主控制芯片，并最终将串行数据 发送到电缆上。 ( 2 ) 用户软件和u s b 设备类驱动程序u s b 设备类驱动程序，也叫u s b 用户驱动 程序，它把用户要求的u s b 命令发送给u s b 主控制器硬件，同时初始化内存缓冲 区，用于存储所有u s b 通信中的数据。用户软件主要指用户与u s b 系统之间的一 种界面，它主要完成用户对于u s b 的控制，以及实时的进行数据交换。对于u s b 系统来说，用户软件并不是必须的。 2 3 u s b 系统的通信协议分析”们 在本设计中，整个的软件编制是以数据在主机和设备之间的传输为基础，下 面将介绍u s b 协议中最为复杂的底层数据通信结构的内容。 2 3 1 数据传输的基本单元 “包”，是u s b 最基本的数据单元，每个包，基本上包含了一个完整的u s b 信 息。按照包在整个u s b 数据传输中的作用不| 司，包可以分为3 类：令牌包、数据 包和握手包，分别介绍如下： 9 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 令牌包：根据标识域p i d 的不同，令牌包( t o k e np a c k e t ) 又可细分为输入 包i n 、输出包o u t 、设备包s e t u p 和帧起始包s o f 。而i n 、o u t 和s e t u p 这3 种 包的结构是一样的，如图2 3 所示： 8 位8 位7 位4 位5 位 图2 3i n 、o u t 和s e t u p 的数据格式 f j g 2 3d a t as e q u e n c eo fi n 、0 u t a n ds e t u p p a c k e t 输入包i n 、输出包0 u t 和设置包s e t u p 都包含同步域s y n c 、标识域p i d 、地址 域a d d r 、端点域e n d p 和校验域c r c 5 。 ( 2 ) 数据包：根据p i d 的不同，数据包分为d a t a o 和d a t a l 两种包。两种数据包 的数据格式都是一样的，用法也相同。当u s b 发送数据的时候，如果一次发送数 据长度大于相应的端点的容量时候，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确定为d a t a 0 时，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。这两种数据包的结构 如图2 4 所示： 8 位8 位o 1 0 2 3 字节1 6 位 图2 4 数据包d a t a 0 、d a t a l 数据格式 f i g 。2 4d a t as e q u e n c e0 f d a t a o 、d a t a lp a c k e t 由上图可知，数据包都由同步域s y n c 、标识域p i d 、数据域d a t a 和校验 域c r c l 6 组成。数据域o 1 0 2 3 字节的长度，内容就是u s b 上发送的有效数据： 循环冗余校验采用了1 6 位的c r c l 6 。 ( 3 ) 握手包：握手包是结构最为简单的包，其数据格式如图2 5 所示： 8 位8 位 i! 二竺i! ! !i 图2 5 握手包数据格式 f i g 2 - 5d a t as e q u e n c eo fh a n d s h a k i n gp a c k e t 由图可知，握手包由同步域s y n c 和标识域p i d 两个域组成，用于报告数据 的传输状态。根据p i d 的不同，握手包可分为3 种类型，即确认包a c k 、无效包 第二章u s b 协议的介绍 n a k 和停止包s t a l l 。 确认包a c k ：用于表示数据包被成功接收； 无效包n a k ：在接到主机发来的o u t 命令后，设备无法接收数据；或者接到 主机的i n 命令，但是设备没有数据发送给主机： 错误包s t 从l ：设备无法发送数据或者设备无法接收数据。 2 3 2u s b 的数据传输类型 以包为基础，u s b 定义了4 种数据的传输类型：控制传输、中断传输、批量 传输和同步传输。在本设计中主要用到批量传输和控制传输两种传输类型。 同步传输：占用大量u s b 带宽，有严格的时间间隔，又被称为实时流传输， 用于音频流等需要恒定传输速率的数据传输中，同步传输中没有握手包，总 线只优先保证其占用带宽，而不对发送的错误的数据进行重试。 中断传输：用于少量的、分散的、不可预知的数据传输，例如数据控制指令、 设备状态查询和确认命令，可用于键盘、鼠标等h i d 设备的数据传输中，由 i n 事务或o u t 事务组成。 批量传输：用于大数据量传送和接收精确度较高的数据，且没有对带宽和时 间间隔的要求，比如硬盘驱动器接口、光盘刻录机接口及数码相机等。 控制传输：主要用于把主机把命令传给设备以及把状态返回给主机。任何一 个u s b 设备都必须支持一个与控制类型相对应的端点o 。控制传输的核心是 s e t u p 事务，u s b 定义了较为复杂的控制传输结构，将其分为3 个步骤：初 始设置步骤、可选数据步骤、状态信息步骤。在本设计中，首要的任务便是 利用控制传输实现设备的枚举过程，提供设备信息。 2 4u s b 的枚举过程3 6 1 要主机识别一个u s b 设备必须经过枚举的过程，主机使用总线枚举来识别 和管理必要的设备状态变化。总线的枚举过程如下： 1 ) 设备连接。u s b 设备接入u s b 总线。 2 1 设备上电。u s b 设备可以使用u s b 总线供电，也可以使用外部电源供电。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 ) 主机检测到设备，发出复位。设备连接到总线后，主机通过检测设备在 总线上的上拉电阻检测到有新设备连接，并确定该设备是全速设备还是 低速设备，然后向该端口发送一个复位信号。 4 ) 设备默认状态。设备要从总线上接收到一个复位信号后，才可以对总线 的处理操作做出响应。设备接收到复位信号后，就使用默认地址( 0 0 h ) 对其进行寻址。 5 ) 地址分配。当主机接收到有设备对默认地址( 0 0 h ) 相对应的时候，就对 设备分配一个空闲的地址，以后设备就只对该地址进行响应。 6 ) 读取u s b 设备描述符。主机读取u s b 设备描述符，确认u s b 设备的属 性。 7 ) 设备配置。主枫依照读取的u s b 设备描述符来进行配置，如果设备所需 的u s b 资源得以满足，就发送配置命令给u s b 设备，表示配置完毕。 8 1 挂起。为了节省电源，当总线保持空闲状态超过3 m s 以后，设备驱动程 序就会进入挂起状态。在挂起状态时，设备的消耗电流不超过5 0 0 a 。 当被挂起时，u s b 设备保留了包括其地址和配置信息在内的所有内部状 态。 完成以上8 个步骤后，u s b 设备即可使用。在枚举的过程中，设备不一定 要求进入挂起状态。 2 5u s b 主机协议分析 传统意义的u s b 开发，仅仅是对u s b 外设的开发，u s b 核心驱动程序和u s b 主机控制器的驱动程序都由w i n d o w s 等操作系统提供，有关这些驱动程序的细节 相对用户来说都是透明的。而实现u s b 主机功能，就必须设计这两部分驱动程序。 u s b 主机协议描述了u s b 系统软件( 核心驱动程序和主控制器驱动程序) 的设计 规范。 2 5 1u s b 主机系统的功能 按照u s b 的规定以及u s b 系统的组成的需要，u s b 主机完成的主要功能包括 第二章u s b 协议的介绍 以下几个方面： 检测u s b 外设的接入和移出； 管理h o s t 和外设之间进行的u s b 标准流量控制 枚举外设； 管理h o s t 和外设之间的数据流； 搜集系统状态和性能的统计信息； h o s t 与外设之间的电气接口，包括供电。 2 5 2u s b 主机系统的结构 u s b 主机结构如图所示，可以分层3 个层次： u s b 总线接口层； u s b 系统层 u s b 用户层。 u s b 总线接口层( u s bb u si n t e r f a c e ) 主要是指以主机控制器为核心的硬件 部分，包括串行口引擎( s e r i a l i n t e r f a c ee n g i n e ) 及其之间的电气连接。而 这个主机控制器中也集成了u s b 根h u b ，以此提供了u s b 设备的连接点。 u s b 系统层( u s bs y s t e m ) 是由操作系统提供的u s b 软件，用于控制主机控制 器来管理主机和设备之间的数据传输。系统层包括了3 部分的软件，即u s b 主控制 器驱动程序、u s b 核心驱动程序和主机软件。 u s b 用户层( u s bu s e r ) 也是基于软件层次的u s b 主机的组成部分，包括u s b 设备启动程序( 实现设备类协议) 和用户软件。 图2 6u s b 主机系统结构 f j g 2 - 6t h e s t r u c t u r eo fu s bh o s ts y s t e m 2 5 3 u s 8 核心驱动程序 u s b 核心驱动程序( u s bd r iv e r 即u s b d ) 是整个u s b 主机的中心所在。u s b d 具有一系列的机制来检测和管理u s b 系统的所有活动，并向上接收l j 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 ，并 最终与设备进行通信。图2 7 的虚线框内就是u s b 核心驱动程序。 第二章u s b 协议的介绍 图2 7u s b 核心驱动程序的结构 f i g ，2 - 7t h es t r u c t u r eo fu s bk e r n e ld r i v e r 2 5 4 主控制器驱动程序 u s b 主控制器驱动程序( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ，简写为h c d ) 是u s b 软件协 议栈最底层一部分。h c d 实质上是对u s b 主机控制器硬件和数据传输的一种抽象。 h c d 向上仅对u s b 核心驱动程序服务，h c d 提供了一个软件接口，即h c d i ( h c d i n t e r f a c e ) ，使得各种u s b 主机控制器的硬件特性被软件化，并受核心驱动程序 的调用和管理。h c d 向下则直接管理和检测主控制器硬件的各种行为。下面从软 件的角度来说明h c d i 应该满足的要求： 通过软件抽象主机控制器硬件的特性； 通过软件抽象主机控制器上的数据传输过程： 通过软件抽象主机控制器资源的分配和管理； 通过h u b 的类协议来抽象根h u b 的功能和行为。 2 5 5u s b 主机协议框架 简单来说，u s b 系统包括两部分：u s b 主机和u s b 外设。u s b 系统的通信是由 广东工业大学工学礤士学位论文 u s b 主机来控制的。u s b 主机不单纯指硬件，而是嵌入式或p c 系统的软件和硬件的 集合。这与以太网中的主机概念有所不同。以太网中的主机是一台负责控制网络 通信，为网络终端提供服务的计算机。因此，u s b 主机是一个全新的概念。简蕈 的u s b 主机的软件流程图如下图2 8 所示。 图2 8u s b 主机的软件流程图 f i g 2 - 8t h es o f t w a r ef 1 0 w c h a no fu s bh o s t 2 6 总结 在本章中主要介绍了u s b 协议中所涉及的软硬件的规范，并针对设计中所涉 及的主机部分的协议做了重点的介绍，为嵌入式u s b 主机的软硬件设计提供r 理 论依据。 ， 第三章u s b 海量存储协议与文件系统 第三章u s b 海量存储类协议与文件系统 u s b 组织定义了海量存储设备类( m a s ss t o r a g e c l a s s ) 的规范，这个类规范包 括四个独立的子类规范，即：u s bm a s ss t o r a g ec l a s sc o n t r o l b u l “i n t e r r u p t ( c b i ) t r a n s p o r t ；u s bm a s ss t o r a g ec l a s sb u l k o n l yt r 孤s p o r t ；u s bm a s ss t o r a g ec l a s s a t ac o m m a n db l o c k ；u s bm a s ss t o r a g ec l a s su f ic o m m a n ds p e c i f i c a t i o n 。前 两个子规范定义了数据命令状态在u s b 上的传输方法。b u l k o n l y 传输规范仅 仅使用b u l k 端点传送数据命令状态，c b i 传输规范则使用 c o n t r o l b u l l 【i n t e f m p t 三种类型的端点进行数据，命令状态传送。后两个子规范 则定义了存储介质的操作命令。a t a 命令规范用于硬盘，u f i 命令规范是针对 u s b 移动存储。u s b 移动存储结构如图3 一l 所示。 主机u s b h o s t 大容量存储设备u s b p e r i l ) h e r a l 图3 1u s b 移动存储结构 f i g 3 一lt h es t r u c t u r eo fu s b m o v a b i e s t o r a g e m i c r o s o f tw i n d o w s 中提供对m a s ss t o r a g e 协议的支持，因此u s b 移动设备 只需要遵循m a s ss t o r a g e 协议来组织数据和处理命令，即可实现与p c 机交换数 据。而f l a s h 的存储单元组织形式采用f a t l 6 文件系统，这样，就可以直接在 w i n d o w s 的浏览器中通过可移动磁盘来交换数据了，w i n d o w s 负责对f a t l 6 文 件系统的管理，u s b 设备不需要干预f a t l 6 文件系统操作的具体细节。 在本设计中，需要以嵌入式的u s b 主机取代p c 机的主机功能，因而在对 广东工业大学工学硕士学位论文 u s b 海量存储设备进行访问的时候就必须遵循u s b 海量存储协议和n 玎1 6 ( 在 本设计中采用f a l t l 6 文件系统) 。 下面分别对两种协议进行阐述。 3 1u s bm a s ss t o r a g e 协议分析1 2 1 u s b 设备被分成以下几类：显示器、通讯设备、音频设备、人机输入、海量 存储。特定类( c 肠s s ) 的设备又可划分成子类( s “6 c ，口舳) ，划分子类后，软件就可 以搜索总线并选择所有它可以支持的设备。每个设备可以有一个或多个配置，配 置用于定义设备的功能。如果某个设备有几种不同的功能，则每个功能都需要一 个配置。配置( c o 形谴“r 口打d 甩) 是接口( f 拧押，归c p ) 的集合。接口指定了设备中的哪 些硬件与u s b 交换数据。每一个与u s b 交换数据的硬件就叫做一个端点 ( p 九如o f h f ) 。因此，接口是端点的集合。u s b 的设备类别定义( 潞暑d p v f c ec f 口s s d e ， h f r f o ”s ) 定义特定类或子类中的设备需要提供的缺省配置、接口和端点。描 述符( 幽j c r f p f d ，) 描述设备、配置、接口或端点的一般信息，下图3 2 为u s b 描 述符的层次结构。 图3 2u s b 描述狩的层次结构 f i g 3 2h i e r a r c h ys t r u c t u r eo fu s bd e s c r i p t o r s u s bh o s t 通过描述符获取设备的有关信息，根据这些信息，建立起通信， 在这些描述符中，规定了设备所使用的协议、端点情况等。因此，正确地提供描 述符，是u s b 设备正常工作的先决条件。 u s b 海量存储设备包括g e n e r a lm a s ss t o r a g es u b c l a s s 、c d r o m 、t a p e 、 第三章u s b 海量存储协议与文件系统 s o l i ds t a t e 。m a s ss t o r a g ec l a s s 只需要支持一个接口，即数据接口，选择缺省配 置时此接口即被激活。数据接口允许与设备之间进行数据传输，它提供三个端点： b u l ki n p u t 端点、b u l ko u t p u t 端点和中断端点。 通用海量存储设备是随机