（计算机系统结构专业论文）基于usb接口的光盘驱动器技术研究与应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光盘存储技术以其容量大、寿命长、盘片可更换，成本低、复制速度快等优点近 年来已得到了飞速的发展不仅光盘种类繁多，容量越来越太，而且光盘驱动器存取 速度也越来越快目前，光盘驱动器的性能指标已经接近20 世纪9 0 年代中期硬盘的 性能指标但是i d e 接口光盘驱动器在使用时存在着一些不利之处，而且由于盘片质 量参差不齐，使光盘驱动器在读取差盘时性能表现很差通过对这两方面问题的分析 开展了理论和实验研究工作 通用串行总线( u s b ) 的出现，解决了i d e 接口光盘驱动器在使用时存在的一些 不利之处经过协议转换i d e 接口的光盘驱动器也可以具有u s b 接口，特别是u s b 2 0 的出现，使数据传输速度太为增加在对u s b 接口的光盘存储设备体系结构进行研究 和对u s b 大容量存储类进行分析的基础上采用u s b 2 o 控制器实现了光盘驱动器 u s b 2 0 接口为了提高数据传输速率，采用了f i f o ( 先进先出队列) 和g p i f ( 通用 可编程接口) 来提高端点间的数据传输在实际测试中经过转换的光盘驱动器性能基 本不受影响 智能控制技术是光盘驱动器提高读取性能的主要措施之一由于盘片质量差异很 大，读取策略必须根据光盘质量进行调整在基于光盘类型静态调速机制以及根据光 盘信号质量动态调速机制的基础上，通过对重复读取次数来决定主轴旋转速度策略的 改进，提出了邀塑控制簟略，并实际应用于系统中，较好的解决了光盘驱动器在读取 差盘时的性能问题。 关键词：光盘驱窃垂；通旯漏行总线；大杏量存储类；智磊控制 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a l s t o r a g et e c h n o l o g yh a sp r o g r e s s e d v e r y f a s ti nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo fi tsa d v a n r a g e so fl a r g ec a p a c i t y ，l o n g1 i f e ，r e m o v a b l em e d i a ，i o w c o s ta n df as ta c c e ss a tp r e s e n t ，t h e r ear en o to n l ym a n yc a t e g o r i e so fo p t i c a l d is c sw i t hl a s p e e d t h ep e t h a to fh a r d d l s a d v a n t a g e s r g e rc a p a c i t y ，b u t r f o r m a n c eo ft h es d is kd r i v ei n9 0 a i s oo p t i c a ld 【s c t a t e o f a r to p t i c a l so f2 0 “ o p t l c a ld is cd r j v e sw l t h b e c o m ew e ts ew h e no p e x p e r m e a t st u d ya b e u n i v e r s a ls e r i a l d is i d e t r a u s b i n t c e n t u r y i d ei n t e r d r i v e sw i t hf as t era c c e ss d is cd r i v eiss i m i l a rt o b u tt h e r ea r es t i l ls o m e f a c ea n d t i c a ld is cd r i r e sr e a dp o o rq u al n y u tt h e s ep r o b l e m sa r ep r e s e n t e d t h e ir p e r f o r m a n c e d is c s t h e o r ya n d b u s ( u s b ) c a l le l i m i n a t es o m ed is a d v a n t a g e so fo p t c a l cd r iv ew i t hi d ei n t e r r a c e b yp r o t o c o ic o n v e f s i o no p t c a ld i s cd r i v ew i t h i n t er f a c ec a np o s s e s su s bi n t e r f a c e e s p e c i a l t y ，u s b 2 0c a r lm a k ed a t a n s m i ts p e e dm u c hf as t e r t h ea r c h i t e c t u r eo fo p t i c a ls t o r a g ed e v i g ew i t h i n t e r f a c eiss t u d i e da n dt h et l s bm as ss t o r a g ec 1 assisa n a l y z e d t h eu s b 2 0 e r f a c eo fo p t c a ld is cd r i v eis i m p l e m e r l t e db yu s i n gu s b 2 0c o n t r o l l e r b a s e d o nt h e s es t u d i e s t oa c h i e v em g hd a t at r n s m t ts p e e d f i f o ( f i r s ti nf ir g t o u t ) a n dg p i f ( g e n e r a l p r o g r a m m a b l e i n t e r f a c e ) a r e a d o p t e d t of a s t e rd a t a t r a n s m i tb e t w e e n e n d p o i r l t s t h ep e r f o r m a n c eo f c o n v e rs i o nist e s t e da n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h e a f f e c t e da f t e rp r o t o c 0 1c o n v e r si o n o p t i c a l d i s cd r i v ea f t e r p e r f o r m a n c eisn e a r1 yn o t i n t e l li g e a tc o n t r ol t e c h n o l o g y iso n eo ft h em a i nm e a s u r e st o i m p r o v e a c c e ssp e r f or m a n c eo fo p t c a id is cd r i r e b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo fo p t c a l d is cq u a l i t y ，t h ea c c e ss p o l i c ym u s tb ea d j u s t e da c c o r d i n gt od is cq u a l i t y b a s e do ns t a t i ca d j u s tt a c t i c s d e p e n do nd i s cc a t e g o r i e sa n dd y n a m i ca d j u s t i i 华中科技大学硕士学位论文 t a c t i c sd e p e n do nd is cq u a l i t y ，f u z z yc o n t r o lp o l i c yisg i v e nb ya m e i i o r a t e a d j u s tp o li c yo fs p i n d l er o t a t i o ns p e e da c c o r d i n gt o r e p e a ta c c e s st i m e s i t c a nb ea p p li e dt oo p t i c a ld i s cd r i v ea n ds o l v et h ep e r f o r m a n c ep r o b l e mb e t t e r w h e na c c e s sp o o rq u a l i t yd is c i e y w o r d s ：o p t i c a ld i s cd r i r e ；u n i v e r s a ls e r i a lb u s ；m a s ss t o r a g ec l ass i a t e l l i g e n tc e n t r e l i l l 华中科技大学硕士学位论文 i i 课题研究背景、目的及意义 i 绪论 光盘存储技术，是利用精细聚焦的激光束从模压雨成的盘片上读取信息或进一步 利用光对记录介质的物理或化学效应去改变介质的某些光学性能，如对光的反射、吸 收或相移等，从而实现二值化数据的写入、读取与擦除“以光盘为代表的光学数字 式存储技术已成为当代信息社会中不可缺少的信息载体和渗透性极强的自成体系的 新技术产品“1 但由于光盘技术自身的特点，光盘驱动器的体积一般较大，而且一 般采用i d e 或s c s i 内置式接口，使用起来存在着一些缺陷，并且在读取光盘时的误 码率和控制系统的复杂度都要比其它外存储设备高，从而导致光盘驱动器寿命短，故 障率高”“”，因此国内外许多计算机外设制造商也都正在进行着将内置式接口转化为 外置式接口以及改进和提高高倍速光盘驱动器读取性能和容错这些方面的研究叫”“” 本课题正是在与武汉龙安集团进行合作开发高性能c d r w d v d r o m 光盘驱动器的基础 上，来对上述两方面进行研究将i d e 接口的光盘驱动器转化为u s b 2 0 外置式接口， 并对高倍速光盘驱动器采用智能控制技术来改进和提高其读取性能，使之在光盘质量 较差的情况下仍能保持较高的数据传输速度 1 2 课题研究现状 外存储设备作为计算机中最重要的核心设备之一，其技术换代与发展速度近来突 飞猛进在过去2 0 几年中，i d e 接口不断变化以适应市场的需要，从一种默默无闻的 接口变为一仑风靡全球的标准。i d e 总线功能不断完善，加入诸如c r c 校验、l b a 访 问模式等元素，i d e 也由原来的3 m b s 迅速增加到目前的i3 3 m b s 。虽然现行的i d e 接口沿用了近2 0 年的老技术，但访问模式的改变( 由p i o 到d 再到u 1 t r ad m a ) 使 其仍然能跟得上p c 发展的步伐”1 对多媒体数据的需求日益增加，带来了人们对大容 1 华中科技大学硕士学位论文 一= = = ；= = = ；目= = = ；= = = ；目= = = = = ；= j = ；= = ； 量存储设备的大量需求。外存储设备的容量特别是硬盘动辄以几十g b 增长，价格并 没有明显的增加，但是i d e 接口的外存储设备比如硬盘、c d - r o m r w 和d v d - r o m r w 等在添加或移出时不仅不支持热插拔，而且安装和卸载时都要打开机箱进行操作，另 外对存储设备的数目也有限制这些限制使人们对方便易用的外存储设备的需求越来 越迫切，特别是外置式存储设备。 存储设备的外置化已成为一种潮流，将i d e 、e d e 这种内置式接口的外存储设备 使用接口转换装置，就能够很方便的将内置式存储设备转变为外置式存储设备，且不 增加原存储设备的成本目前市场上常见的外置式存储设备按外置接口来分有三种类 型：并行接口、u s b 接口和i e e e l3 9 4 接口，它们的内置接口大都为i d e 接口，是配合 i d e 接口的外存储设备使用。 计算机中的并行接口使用8 位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度 大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出 错e p p 口( 增强并行口) 由i n t e l 等公司开发，允许8 位双向数据传送，可以连接 各种非打印机设备“”并行接口的硬盘盒就是通过电脑的e p p 口与电脑连接的，它是 最早出现的硬盘盒，其特点是传输速度与串行口相比比较快、价格便宜，缺点是安装 使用不方便随着硬盘容量的增加和存取速度的提升，并行口最大为8 m b p s 的传输速 率已远不能满足需求，目前已经很少采用e p p 这种方式的外置式接口来作为外置式存 储设备 i e e e l 3 9 4 是a p p l e 开发的一个名为f ir e w ir e 的高速、实时串行标准作为支 持传输速率高达4 0 0m b p s ( 5 0m b s ) 的一种高速串行标准，i e e e i3 9 4 早已成为数 字视频和音频世界里不可或缺的部分“1 由于w i n d o w sx p 、w i n d o w s2 0 d o 、 w i n d o w sm e 和w i n d o w 9 8 s e 操作系统的支持，这项技术同时在其它领域也得到迅速普 及目前i e e e13 9 4 已经成为数码影像设备的传输标准，并盈被广泛地用来连接包括 硬盘、扫描仪以及数码相机等在内的计算机外设 i e e e i3 9 4 在将要提出的 i e e e l3 9 4 b 中将变得更快，它的速率将是3 2 g b p s “i e e b i3 9 4 比起u s b 要快许多， 而且占用的系统开销很少，但它的实现费用较高。 华中科技大学硕士学位论文 一= = = # ；目= = = = ；= = = ；= ；= = = = ；= = = ；= 目 2 0 0 0 年4 月，c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、h e w l e t t - p a c k a r d 等公司联合推出通 用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 新规范u s b 2 0 ，这种新规范最引人注目的是数 据传输速率的增加。由于新规范的速率是原有速度的4 0 倍，因而大大扩大了u s b 的应 用范围“”“3 “3 。当u s b 规范诞生之后，具有u s b 接口的i d e 外存储设备也就应运而生。 虽然u s 81 1 技术提供了比原先更大的带宽和更方便的安装方式，1 2 m b p s 折合1 5 m b s 的传输速率瓶颈仍然严重制约了设备的实用意义。随着全新的u s b2 0 规范诞生，u s b 设备的传输速率已经高达4 8 0 m b p s ，折合约6 0 m b s 的峰值传输速率。用对速度需求最 大的存储设备硬盘来进行比较，由图1 1 “”所示，使用u s 8 2 0 接口，性能损失很小， 基本上能满足硬盘的高速率传输。由此可见，这个速度已经足够应付绝大多数应用。 图1 1u s b 和i d e 接口存储性能比较幽 图1 2 t l “i 是u s 8 2 0 设备市场占有率曲线图，由图可以看出计算机外设采用u s b 接口将是未来的主要趋势。光盘驱动器由于其自身的特点，更适合于采用u s 8 接口。 台计算机在使用过程中一般只有在安装系统和软件时才会使用光盘驱动器，而大部 分时间实际上是闲置不用。内置式光盘驱动器的体积一般都较大，在机箱中占居较大 的空间，这不便于机箱的小型化。如果采用u s b 接口，不仅可以在使用时进行热插拔， 便于资源共享，也可以省去在机箱中占据的较大的空间。同时更可避免在同一机箱中 安装不同类型的光盘驱动器。 华中科技大学硕士学位论文 一= = # = _ # # ；= = = 口；= = ；= = 自= ；= 1 饕 _ 瞳秘 瓴n 柚 o t l l l l l l , 0 l l 棚k 1 0 1 ) l l nc l 霸- 憎硼暂们籼麓莳椭掷 图i 2u s b 2 ，0 设备市场占有率曲线圈 现阶段的光盘驱动器技术主要是针对光驱的读盘能力、振动，噪音和发热量发展 起来的从早先s o n y 研制的第一代产品到现在，倍速在不断的提高，这些问题也就 明显的凸现在各个光驱生产厂家的面前。许多先进的技术不断地被应用，使光盘驱动 器的纠错能力与可靠性也得到很大提高。这些新技术如下所示“”： 1 数字伺服系统这是在光驱出厂前不需要手动调整激光发射的增益衰减值丽在使 用的过程中光驱会自动调整的伺服机构，这将使得光驱读取数据的准确性得以提高 2 双动态抗震悬吊系统( d o u b l ed y n a m i cs u s p e n s o r ys y st e m ，d d s s ) 该系统为了 有效地吸收主轴电机高速旋转时产生的震动而使用2 个抗震动装置与动态阻尼器，可 以有效地减少光驱在高倍速转动时的震动。 3 a b s ( a u t ob a l a n c es y s t e m ) 自动平衡系统它在光驱托盘下配置一具钢珠轴承， 当光盘出现振动时，钢珠在离心力的作用下会跑到质量较轻的部分起到平衡作用，从 而始终保持光盘的水平转动，使光驱的读盘能力得到提高。a b s 自动平衡系统对于那 些盘片不平整的光盘( 光盘平放于桌面上与桌面的倾角高于规定值) 和密度不均匀( 光 盘的质量分配不均，某一部分较重或某一部分较轻) 的光盘有比较好的读盘效果 4 人工智能纠错( a r t i f i c i a ti n t e i g e n c ee rr o rc o r r e c t i o n ，a i e c ) 它是被记 录在驱动器的程序芯片( f i r m w a r e ) 中的信息，类似于模糊控制的信息一样，是预先 对很多数量的有各种制造缺陷的盘片进行研究、处理和计算，记录下偏心、密度不均、 划痕、反射层薄、沟槽不整等缺陷状况，研究开发出相应的应付方法存储在f i r m w a r e 4 华中科技大学硕士学位论文 一= = ；= = ；= = = = ；= ；= ；= ；= # = _ = ；= # 中在遇到某些读盘不好的具体情况时，就用事先制订好的方案进行纠错工作，大大 地提高光盘读取正确数据的能力。 5 智慧型学习式搜寻系统( l e ar n i n gs y s t e m ) 拥有这个系统的光驱在读取一些划痕 比较严重、低反射的盘片时，会在第一次读取该盘片的时候，将它的特性记录在光驱 的c a c h e 中，当再次读取数据时，光驱将按照优化的方式进行读取这样不仅能大大 提高对整张光盘的识别，使识别光盘时的可靠性得到增强，而且还能够减少读盘肘阃。 光盘驱动器由于介质可换，所使用光盘的质量差异很大，针对这些不同质量的光 盘需要采取灵活的读取策略来提高读取性能从上面使用的些技术可以看出采用一 些智能控制技术能较好的解决这一问题，使光盘驱动器能根据光盘质量的好坏来调整 读取策略 i 3 课题主要研究内容 本课题研究的内容主要包插两个方面的内容，一方面是将光盘驱动器的i o e 接口 转换为u s b 2 0 接口，解决光盘驱动器在方便易用方面存在的问题。另一方面是针对 武汉龙安集团的光盘驱动器在读取质量较差的盘片时性能较差的问题，采用智能控制 技术来使其在读取较差质量盘片时，仍能保持较高的数据传输速度。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 在分析u s b 设备架构的基础上，给出u s b 接口的光盘存储设备体系结构。并 对u s b 太容量存储设备类进行研究，详细分析主机与存储设备间进行传输的交互过程， 为第三章的具体实现提供理沦基础。 ( 2 ) 在上章的基础上，从硬件和软件两个方面设计如何使用c y p r e s s 公司的f x 2 芯片来实现光盘驱动器的u s b 接口。在硬件上通过g p i f 和f i f o 的结合来完成与a t a p i 接 口的无缝连接，在软件上使用轮询过程来完成u s b - a t a p i 协议的转换，并采用中断机 制完成u s b 控制传输处理过程。 ( 3 ) 在分析光盘驱动器读盘能力与主轴伺服速度之间的关系和自适应匹配技术和 模糊控制的基础上，针对武汉龙安集团生产的光盘驱动器在读取质量较差盘片时存在 的问题，研究一种能随光盘质量智能地改变主轴伺服转速的主轴转速匹配模式， 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 最后对在这两方面的研究工作进行性能测试和分析。 6 华中科技大学硕士学位论文 = # = = = ；= j = i = ；= 目；= ；= # # = # = 目= = 自；= # = 2 基于u s b 接口的光盘存储设备体系结构 2 1 u s b 设备构架 u s b 设备框架提供了三个逻辑层，它描述了主机硬件和软件之间的关系以及每个 u s b 设备相应的视图，图2 1 所示的就是这些层以及主机和给定的u s b 设备之间的关系 【i l l ” 。_ l - _ - - 婀信旅 = 2 。2 。2 = = 逻辑通信毓 功能层 u s b 设备爱 u s b 总理接口层 图2 i 设备框架硬件的软件视图 一台主机与一个u s b 设备间的连接是由许多层上的连接组成u s b 总线接口层 提供了在主机和设备之间的物理连接、发送连接、数据包连接。这一层代表了通过 u s b 数据线进行的实际数据传输，这种传输在主机系统和u s b 设备之间进行主机 一方由u s b 主控制器和根集线器组成，而u s b 方则由设备中的u s b 接口组成 u s b 设备屡对u s b 系统软件是可见的，它理解实际的u s b 通信机制和u s b 功 能设备所要求的传输特性系统软件基于它所见的设备层来完成对设备的一般的u s b 7 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = ；= = ；= = ；= = ；= = = = ；= = = 目= = = = ； 操作，它是由以下部分组成的： u s b 驱动程序( u s b d ) ，为客户软件驱动程序提供接口和服务，分配总线带宽，并 管理配置过程。 u s b 主控制器驱动程序，控制对主控制器的操作，安排事务处理，并监视事务处理的 完成状态。 功能层代表客户软件和一个给定的设备功能接口之间的关系，每个接口都由一类 特定的设备组成，每一类设备都有相应的设备驱动程序来操纵它，u s b 客户驱动程序 把它们的u s b 设备看作是由一个给定的接口组成，它知道如 碍操纵它们，u s b 系统 软件必须向u s b 客户程序报告接口的类型和其他设备描述符。功能层可以通过与之 相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。u s b 设备层和功能层的通信是逻辑上 的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由u s b 总线接口层来完成。 图2 2 主机与存储设备数据通信 根据上面对u s b 系统三个逻辑层的抽象，存储设备的数据传送可由图2 2 所示。 存储设备通过b u l k i n 管道从b u l k i n 端点将数据传送到主机的内存缓冲区，主机通 过b u k o u t 管道将数据从内存缓冲区传送到b u l k - o u t 端点。u s b 设备构架提供的三 个逻辑层明确了每一层主机软件和设备之间的关系，以及它们在u s b 系统中的职责， 这为开发大容量存储设备简化了许多工作。我们只需关注客户端软件与设备接口集合 之间的逻辑连接，使主要工作集中在如何实现存储设备数据传送的功能上，也就是主 8 华中科技大学硕士学位论文 要在功能层上来进行开发，对数据传输的具俸过程进行实现 2 2 基于u s b 接口的光盘存储设备体系结构 目前光盘存储设备的接口主要是i d e 接口或s c s i 接口，i d e 接口由于性优价廉 得到了广泛的应用我们所实现的基于u s b 接口的光盘存储设备就是在i d e 接口的 基础上进行的，这样可以很方便的将内置式存储设备转化为外置式存储设备，且不增 加原存储设备的成本 2 2 1 i i ) e 接口的光盘存储设备体系绪构 光盘驱动器作为一种标准外设，是通过a t a i d e 接口或s c s i 总线实现与主机的 物理连接的，a t a i d e 接口扩展标准目前主要支持硬盘驱动器和光盘驱动器图2 3 是主机与d e 标准外设之间的连接协议过程【l ” 圉2 1 3 主机与i d e 接口光盘驱动器的连接协议过程 a t a p 接口是s c s i 和i d e 总线( a t a 标准) 的个结合产物，在这种接口中使用 i d e 接口和协议来进行a t a 和s c s i 总线命令的传输事实上，a t a p i 主要使用了s c s i c d - r o m 命令。a t a p i 使用了与a t a - 2 相同的信号和对序，但是在a t a p i 中支持一 种不同的命令设置，还添加了一些新的命令，也删除了不少a t a 命令新添加的命 令中最重要的就是a t a p a c k e t 命令，该命令用来传输类似s c s i 的命令包，其中这 些新命令中包括命令包、命令参数、命令响应和状态信息a t a p i 接口中使用了许多 9 华中科技大学硕士学位论文 s c s i 命令和s c s ic d - r o m 的设备模型和参数样式，在a t a p i 中的命令大多数是1 2 个字节的命令，这与s c s i 中相应的命令长度仅仅有6 个字节或l o 个字节不同的m 1 b “ 2 2 2u s b 接口的光盘驱动器体系结构 为了实现具有u s b 接口的光盘驱动器，必须在上图所示的连接协议过程加入 u s b - a t a p i 转换协议，使主机将光盘驱动器作为u s b 设备使用，其连接协议过程如 图2 , 4 所示： ( j 亘二) j 匝豆习匝互习臣互 层l l l：! ! ：兰兰兰竺l 转换层f 叵三日臣e 三j 命令譬 j 互亘 叵三圈协议层j i 匝互三固叵物理层l q 亘矽 图2 4 主机与u s b 接口光盘驱动嚣的连接协议过程 光盘驱动器作为u s b 设备，必须支持列举过程，使主机知遵设备的特性，并为 设备分配一个地址，还要支待u s b 标准请求以及大容量存储设备类的请求在访问 光盘驱动器时，主机发出的请求传送给设备时需要将大容量存储设备类请求转化为 a t a p i 命令，返回的结果和状态信息再通过u s b 传送给主讥。因此需要在传统i d e 接口的光盘驱动器上增加两层：协议转换层和u s b 层，具体的设备连接方式如图2 5 所示： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图2 ，5 主机与u s b 存储设备连接示意图 我们所要做的主要工作就是实现图中所示的中间部分，在现有光盘驱动器的i d e 接口上加入u s b 2 0 控制嚣，在f s b 协议和a t a p i 协议阃进行转换u s b 使用着论坛定 义了大容量存储类，使协议闻的转换符合规范，能更好的得到操作系统的支持，u s b 协议和a t a pi 协议闽的转换也是在此基础上进行的，下一节我们对u s b 大容量存储设 备进行详细的分析，这也是下一章具体实现的理论基础 2 3 u s b 大容量存储设备实现方式 当一组设备有相似的属性时，或者很多设备提供或请求相似的服务时，可以定义 一系列所有都能用的请求，u s b 使用者论坛通过发布类规范达到了这一目的 类的一个优点是编程容易，因为开发通信协议有许多工作要做，规定类以后有助 于把组常用的设备归类，这样就可以使用个通用的驱动程序，并且允许设备向主 机和u s b 设备类驱动程序描述它的能力类代码为u s b 主机软件提供了一种机制 用来标识相应的设备驱动程序，它被设计为操纵一个给定的u s b 设备的功能单元接 口。这些专门的类规范说明描述了在这个类中的设备所支持的挣定的特征和属性，并 且定义了u s b 类设备驱动程序使用的控制机制，用于存取和操纵它的功能单元m 】f 2 ” 这样主机的操作系统可能包括类的驱动，设备供应商就不一定必须提供设备驱动，裁 们开发的这类设备就可以使用系统自带的设备驱动 u s 8 使用者论坛定义了几种主要的设备类型，它们可以支持u s b 上的大多数常用 的功能设备，本文主要使用的大容量存储设备类就是其中的类大容量存储设备类 华中科技大学硕士学位论文 和大多数的设备类不同，因为它们在系统启动的时候就会被使用，这就需要系统的 b i o s 必, 须能够初始化和存取u s b 的存储设备大容量存储的定义必须同时得到设备驱 动程序和系统b i o s 的支持脚1 。限于本文的主要研究内容，对系统b i o s 的支持不做深 入研究u s b 组织定义了大容量存储设备的类规范，这个类规范包括四个独立的子类 规范，即： 1 u s bm a s s s t o r a g ec l a s sc o n t r o l b u l k i n t e r r u p t ( c b dt r a n s p o r t 2 u s bm a s ss t o r a g ec l a s sb u l k o n l y t r a n s p o r t 3 u s bm a s ss t o r a g ec l a s sa t ac o m m a n db l o c k 4 u s bm a s ss t o r a g ec l a s su f ic o m m a n d s 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 k i n t e r r u p t 三种类型的端点进行数据命令状态传送瞄【2 6 】后两个子规范则定义了存储介质的操 作命令u f i 命令规范是针对u s b 移动存储而制定的，实际上u f i 命令格式是基于 s f f 8 0 7 0 i 和s c s i 2 规范，总共定义了1 9 个1 2 字节长度的操作命令1 2 7 1 在u s b 大 容量存储实现方式上，存储设备可以选择支持两种传输规范( c b i 或b u l k o n l y ) 或者只 支持其中的一种。实际上，b u l k o n l y 传输规范是一种更常用的方法大多数u s b 存 储设备都是基于b u l k o n l y 传输规范和u f i 命令规范设计的 2 3 1 u s b 大容量存储类c b i 传输子类 已指定类的设备还可以分为子类，这样分类能使软件在总线上寻找并选择它能控 制的所有设备每个设备可以有一个或多个配置来定义设备的功能，设备的功能可以 用不同的方式来实现，对每一种功能都有一个配置接口规定了设备中哪个硬件和 u s b 交互，每一个硬件部件被称为端点u s b 设备类规范定义了在给定的类或子类下 设备支持的缺省的配置，接口，可选设置和端点，描述符描述了关于设备，配置或端 点的一般信息。大容量存储设备通过这些描述符就可以向主机软件描述它使用的是哪 一类以及所使用的传输方式。 u s b 通过通道在主机缓冲区与设备端点间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 定 一。 1 2 华中科技大学项士学位论文 义了4 种传送类型： 控制传送( c o n t r o lt r a n s f e r ) ：可靠的、非周期性的、由主机软件发起的请求 或者回应的传送，通常用于命令事务和状态事务。 同步传送( is o c h r o n o u st r a n s f e r ) ：在主机与设备之间的周期性的、连续的通 信，一般用于传送与时间相关的信息。这种类型保留了将时间概念包含于数据中的能 力但这并不意味着，传送这样数据的时间总是很重要的，即传送并不一定很紧急 中断传送( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) ：小规模数据的低速的、固定延迟的传送 块传送( b u l kt r a n s f e r ) ：非周期性的，大包的可靠的传送典型地用于传送那 些可以利用任何带宽的数据，而且这些数据当没有可用带宽时，可以容忍等待 在c o n t r o i b u l k i n t e r r u p t 体系结构中使用c o n t r o l ，b u l ki n o u t 和i n t e r r u p t 端点用 于在主机和设备间进行通信控制端点通过类规定的请求来传送命令块和标准u s b 请 求到设备，b u l ki n 和b u l ko u t 端点用来在主机和设备间传送数据，而中断端点用于 标识命令结束在这种体系结构中，主机和大容量存储设备通过u s b 进行通信使用的 协议是基于命令数据状态通信方式，也就是主机传送命令块到设备，在主机和设备 间传送数据，设备传送命令块的“状态”到主机并允许主机重启设备。大容量存储设 备应当接受两种类型的重启协议和三种类型的命令块协议 两种类型的重启协议是： 1 端1 2 1 重启协议( p o r tr e s e tp r o t o c 0 1 ) ，若大容量存储设备不响应规范中某些请求，主 机就会给设备发出端日重启命令 2 命令块重启协议( c o m m a n db l o c kr e s e tp r o t o c 0 1 ) ，在采用端1 2 1 重启之前，主机会首 先尝试命令块重启，发出命令块重启时，主机会使用n o n d a t ac o m m a n dp r o t o c o l 来 传送命令块 三种类型的命令块协议是： 1 非数据命令协i 炭( n o r t d a t ac o m m a n d p r o t o c 0 1 ) ，主枧使用此协议来传送命令块和它 的状态信息，但不传送数据信息。 2 数据传人命令协议( d a t ai nc o m m a n d p r o t o c 0 1 ) ，主机使用此协议来传送命令块，并 从设备读人数据和传送命令块状态 华中科技大学硕士学位论文 3 数据传出命令协议( d a t ao u tc o m m a n dp r o t o c 0 1 ) 主机使用此协议来传送命令块，并 向设备写出数据和传送命令块状态 在这种俸系结构中，由于使用三种传输方式来传输不同类型的需求，而控制传输 和中断传输数据传输开销较大，不利于存储设备这种块设备的高速传输，特别是在 u s b 2 0 中更不能满足存储设备对速度的需求目前基本上不使用这种实现方式，主要 使用的是b u l k o n l y 传输方式”“ 2 3 2u s b 大容量存储b u l k - 0 n l y 传输子类 b u l k o n l y 传输在传输命令、数据、状态只使用b u l k 端点，它使用缺省通道清除 b u l l 端点s 1 a l l 状态和发出类规范的请求。b u l k - o n l y 传输支持逻辑部件共享同一设备 特性，也就是多个大容量存储设备可以共用同一个u s b 接口描述符，这样同一个u s b 接口上可以同时使用多个大容量存储设备b u l k o n l y 传输协议的传输过程是首先主机 发出c b w ( c o m m a n d b l o c kw r a p p e r ) 至1 设备尝试数据传输( i n ，o u t 或n o n e ) 设备接受 到c b w 后，检查其正确性和有效性并进行解释，试图满足主机的请求，通过c s w ( c o m m a n ds t a t u sw r a p p e r ) 来返回其状态。图2 6 显示了b u l k - o n l y 传输协议中命令 数据状态的传输过程 图2 6 命令数据状态传输流程图 c b w ( c o m m a n db l o c kw r a p p e 0 传输时起始于包的边界，是一个具有3l 字节的短 包，随后的所有数据和c s w 都将起始于新包的边界处，c b w 在传输时先传送低字节 表2 1 是c b w 的数据格式： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 一= ；= = = = 目= ；# ；= = ；j = = ；= = ；= = = = ； 表2 1c o m m a n db 1 0 c kw r a p p e r 数据格式 d c b w s i g n a t u r e ：c b w 包标识，内容为4 3 4 253 55 h ，用来表明这是一个c b w 包 d c b w t a g ：由主机发送的命令块标记，设备应该在c s w 的d c g w t a g 字段中对此内容给主 机作出相应的固应 d c b w d a t a t r a n m e r l e n g t h ：主机试图在这条命令执行过程中向b u l k i n 或b u l k - o u t 端点 传送的字节数若值为零，设备和主机在c 聃和相应的c 洲间不传送数据，设备也将忽 略b m c b w f l a g s 字段中方向位的值。 b m c b w f l a g s ：每位的定义如下所示： b n7 方向位一若d c b w o a t a t r a n s f e r l e a g t h 字段值为零刚忽略该位，否则： 0 = d a t a o u t ，数据从主机传给设备 1 = d a t a - l n ，数据从设备传给主机 b i t 6 已废弃，主机应该将该位设置为零 b it5 o 保留，主机应该将这些位设置为零 b c b w l u n ：指示出命令块将送往设备的哪一个逻辑单元号( l u n ) ，若设备可支持多个 l u n ，主机将l u n 置于此字段，否则将此字段置为零 b c b w c b l a n g t h ：c b w c b 有效长度( 以字节数计) ，指示出命令块的有效长度，合法值 为卜i 6 c b w c b ：设备娶执行的命令块，设备根据在b i n t e r f a c e s u b c l ass 中标明的命令集将 b c b w l e n g t h 第一个字节作为命令块进行解释。若命令集支持设备使用少于i6 字节的命 华中科技大学硕士学位论文 = = = 一= j = 2 ；= = = = ；= = = = ；= = = = ；= = = ；= ；= = 令块，高位字节首先被传送，也就是开始于c b w 包第15 字节处。设备：悔忽略 15 * b c b w c b l e n g t h - 1 字节以后此字段的内容 c s 详( c o r e n a a ds t a t u sw r a p p e r ) 传输起始于包的边界处，是一个具有i3 字节的短包 在传输时所有的c s w 包先传送低位字节，表2 2 是c s w 的数据格式： 表2 ，2c o m m a n ds t a t u sw r a p p e r 数据格式 撤 卜弘黪4 ，j 剥。浏0j z _ 刊。 b 、_ l e d c s 艟s 斜m # o h” ：釉寨 d c s i s t o s 叠骜l l 奠： t l f s w 蕊耻、油| o 溯畦缚 5 涵淤 托瑚f v 1 a l t t 、 d c s w s i g n a t u r e ：c s w 包标识，内容为53 42 5 3 5 5 h 标明这是一个c s w 包 d c s w t a g ；设备将此字段设置为在与c s w 对应的c b w 中收到的d c b w t a g 的值 d c s w d a t a r e s i d u e ：对于d a t a - o u t 设备在d c s w d a t a r e s i d u e 字段报告 d c b w d a t a t r a n s f e r l e n ge h 中期望传送的数据长度和设备实际处理数据长度的差异，而 对于d a t a i n 设备在d c s e d a t a r e s i d u e 字段报告d c b w d a t a t r a n f e r l e n g t h 中期望传送的 数据长度和设备实际发送的数据长度的差异，d c s w d a t a r e s i d u e 的值不应超过 d c b w d at a t r a n s f e r l e n g t h 的值 b c s s t a t u s ：指示出命令执行成功或失败，若命令执行成功将此字节置为零，非零值 指示出命令在执行过程中失败，具体意义见表2 3 ： 表2 3 命令状态值 值 意义 0 0 h 命令执行成功 d 1 h 命令执行失败 0 2 h 相错误 0 3 h ，0 4 h 保留( 已废弃) 0 5 h f f h 保留 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3b u l k - o n l y 传输协议交互过程分析