（电路与系统专业论文）基于单片机的USB主从机的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着总线和接口技术的发展，在工业场合如何更加可靠、快速、便捷地进行 数据传输成为该领域通信的研究重点之一。而u s b 技术以其高速、可靠、通用性 强等一系列特点在过去的十多年时间里发展迅猛，而u s bo t g 技术的诞生，使 得两u s b 设备在没有p c 参与的情况下进行数据传输成为可能。 本文通过搭建以1 6 位微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心控制芯片、i s p l 3 6 2 为 u s b 接口芯片的硬件平台，分别实现了u s b 部分主机和从机功能，使之能进行 u s b 数据的存储与交换。本文完成以下工作： 首先，认真研究u s b 协议，深入理解u s b 通信的基本概念和传输方式等内 容。仔细分析u s bm a s ss t o r a g e 类协议，并讨论了采用b u l k - o n l y 传输实现 m a s ss t o r a g e 类协议的方法，并对s c s i 指令集等进行了深入的剖析。 其次，根据要求，设计出由控制、接口、数据存储、过流保护与供电切换电 路等硬件模块组成的系统，在a l t i u m2 0 0 4 软件上完成原理图的设计和p c b 图的布局、布线，并完成硬件调试工作。 再次，在已构建的硬件平台上，针对i s p l 3 6 2u s b 接口芯片的主从机功能， 分别设计了u s b 主机和从机的固件程序。利用i a rw o r k b e n c h 、b u s h o u n d 等软 件进行固件程序的调试，最终u s b 主机可对u 盘进行检测、识别与配置；u s b 设备实现了u s b 设备的基本功能，能够被w i n d o w sx p 操作系统识别，与p c 机 之间实现数据的批量传输。 最后，用d r i v e r w o r k s 软件包的d r i v e rw i z a r d 生成驱动程序框架，并利用 w i n d o w sd d k 和v c + + 等软件进行驱动程序的编译，最终生成基于w i n d o w s 操 作系统的w d m 型u s b 设备驱动程序。 通过对u s b 通信协议的研究，本人成功地构建了以m s p 4 3 0 f 1 4 9 和i s p l 3 6 2 为核心的硬件试验平台，并在此平台上进行u s b 主机、从机通信试验。经测试表 明，p c 机能检测、识别、读写u s b 设备，其读取与写入速度分别为5 6 0 k b s 和 3 1 2 玳。而主机能识别、配置接入的u 盘。 关键词：u s b 主机、u s b 从机、m s i 4 3 0 f 1 4 9 、i s p l 3 6 2 、b u r - o n l y 传输 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb u sa n di n t e r f a c et e c h n o l o g y , h o wt ot r a n s f e rd a t ai na m o r er e l i a b l e ，f a s t e ra n dm o r ec o n v e n i e n tw a yi nt h ei n d u s t r i a le n v i r o n m e n th a s b e c o m eo n eo ft h ek e yr e s e a r c h et o p i c si nt h i sf i e l d t h eu s bt e c h n o l o g y , w i t hi t s o u t s t a n d i n gf e a t u r e ss u c ha sh i g hs p e e d , r e l i a b i l i t ya n du n i v e r s a l i t yh a se n j o y e dar a p i d d w e l o p m c o ti nt h el a s td e c a d e 耶1 eb i r t ho fu s b o t g t e c h n o l o g ym a d ei tp o s s i b l ef o r t w ou s bd e v i c e st oc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rw h e nt h ep ci sn o ta v a i l a b l e i nt h i s d i s s e r t a t i o n , a h a r d w a r e p l a t f o r mc o n s i s t i n g o fa1 6 一b i tm c u m s p 4 3 0 f 1 4 9a st h ec o r ec o n t r o l l i n gc h i p ，a n dau s bi n t e r f a c ec h i po fi s p l 3 6 2h a s b e e nc o n s t r u c t e d o nt h ea b o v ep l a t f o r m t h ep a r tu s bh e s tf u n c t i o na sw e l la st h e d e v i c ef u n c t i o nw a sr e a l i z e d b e s i d e s ，t h es t o r a g ea n de x c h a n g eo fu s bd a t ac o u l db e i m p l e m e n t e d n ef o l l o w i n gw o r kw a sf i n i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ： f i r s t ，t h eu s b p r o t o c o la n d t h eu s bm a s ss t o r a g ed a s sp r o t o c o l sw e r es e r i o u s l y s t u d i e d a st ot h eu s bm a s ss t o r a g ec l a s sp r o t o c o l ，t h er e a l i z a t i o nm e t h o dt h r o u g h b u l k - o n l yt r a n s f c rt y p ew a sd i s c u s s e d , w h i l et h er e f e r r e ds c s ii n s t r u c t i o n sw e r e t h o r o u g h l ya n a l y z e d s e c o n d ，as y s t e mc o n s i s t i n go ft h ec o n t r o li n t e r f a c e ，d a t as t o r a g e ，o v e r c u r r c o t p r o t e c t i o na n dp o w e rs w i t c hm o d u l e sw a sc o n s t r u c t e d a n dt h es y s t e ms c h e m a t i cc h a r t a n dt h el a y o u to fp c bd e s i g nw e r ef i n i s h e di nv i l t u eo fa l t i u m2 0 0 4s o f t w a r e b e s i d e st h eh a r d w a r et e s tw a sa l s of i n i s h e d ， t h i r d , o nt h ep l a t f o r m , t h eh o s tf l r i n w a r ea n dd e v i c e 盘u l w a r ew e i ed e s i g n e d r e s p e c t i v e l y , t a r g e t i n ga tr e a l i z i n gt h eh o s t d e v i c ef u n c t i o n so fi s p l 3 6 2 t h ef o r m e r c o u l dd e t e c t , i d e n t i f ya n da l l o c a t es o m eud i s k s ；w h i l et h el a t t e rc o u l dd e t e c t , i d e n t i f y a n da l l o c a t et h ea t t a c h e dud i s k , w h i l et h el a t t e rr e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o n , s u c ha s b e i n gi d e n t i f i e db yt h ew i n d o w s o sa n dt r a n s f e r r i n gd a t ai nb u l kw a yw i t hp c f i n a l l y , w i t ht h eh e l po fd r i v e r w o r k ss o f t w a r ek i t , t h ed r i v e rp r o g r a mf r a m ew a s c o n s t r u c t e d 1 1 1 ew d m t y p ed r i v e ro nw i n d o w so sw a sf i n a l l yc o n s t r u c t e da f t e r c o m p i l i n g t h ed r i v e r i nt h ev c + + a n d 眦d d ke n v i r o n m e n t o nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nu s bc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lah a r d w a r e p l a t f o r mw i t hc h i p so fm s p 4 3 0 f 1 4 9a n di s p l 3 6 2a st h eg o r e , t h eh o s u d e v i c eu s b c o m m u n i c a t i o nc o u l db ec a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a t , p cc o u l d d e t e c t ，i d e n t i f y , a n dc o m m u n i c a t ew i t ht h eu s bd e v i c e ，w i t had a t a - r e a d i n gr a t eo f 5 6 0 k b sa n dad a t a - w r i t i n gr a t eo f3 1 2 k b sr e s p e c t i v e l y ；a n dt h eh o s tc o u l dd e t e c t , i d e n t i f y , a n da l l o c a t et h ei n s e r t e du d i s k k e yw o r d s ：u s bh o s t ，u s bd e v i c e ，m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，i s p l 3 6 2 , b u l k - o n l yt r a n s f e r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：盗：驾! 盎日期：2 。矿年f 月岛日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：望逃导师签名：埤 日期：仇7 年r 月哆日 第一章引言 1 1u s b 总线概述 第一童引言 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 是一种快速、灵活的总线。具有 以下特点f 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 ：1 1 适用范围广泛，适用于诸如数码相机、高速数据采集等多种 设备；支持热拔插，且此过程由系统自动完成，无需用户干预；3 ) 采用菊花链 式的星型总线结构，支持多达1 2 7 个外设同时连接；4 ) 1 5 m b p s 、1 2 m b p s 和 4 8 0 m b p s 的3 种速度模式，满足了不同外设对速度的要求。 通常一个u s b 系统由【4 】：u s b 的互联， u s b 的设备， u s b 的主机等 三部分组成。 一个u s b 系统只能有1 个主机，主计算机系统的u s b 接口可视为主机控制 器。主机控制器又可是硬件、固件或者软件的组合。主机具有以下功能h i ： 检测u s b 设备的安装和拔除 管理在主机和u s b 设备之间的控制信息； 管理在主机和u s b 设备之闻的数据信息： 收集状态和动作信息： 向已连接的u s b 设备供电。 设备可以是集线器，也可以是功能设备。前者用于向u s b 系统提供额外的连 接点；后者可增加系统的功能。u s b 设备具有以下功能： 支持u s b 协议 响应标准的u s b 操作，例如配置和复位等 有标准的性能描述信息 正是因为u s b 总线的诸多特点，使得u s b 技术在短短1 0 多年的时间里发展 迅猛，应用日益广泛。 1 。2u s bo t g ( o n - t h e g o ) 简介 随着u s b 技术的发展，u s b i f 于2 0 0 1 年底发布了u s b 2 0 的补充规范- u s b o t g ，更多服从该协议的u s b 设备可以在没有p c 的情况下，实现不同设备或者 电子科技大学硕士学位论文 移动设备间的互连和数据交换。 o t g 的最大特点在于，可实现o t g 设备之间点对点的通信 3 1 1 5 1 。进行点对点 通信的双方仍跟一般u s b 通信一样，有一方担任主机的角色，一方担任从机设备 的角色。具有o t g 功能的设备，可以根据接入设备的特性和数据传输的具体情 况而自动切换主机或从机的身份，完成数据的传输。因此，o t g 设备也可称为双 角设备。 图1 - 1 典型u s b 主从设备连接图 以具有o t g 功能的p d a 为例( 见图1 1 ) ，当p d a 被设为主机时，它可将 数据下行至与之相连的其他u s b 设备，完成数据传输；当p d a 被设为设备时， 可将数据上行至与之相连的主机上；当它与其他o t g 设备相连时，两者通过会 话来决定谁当主机，谁当从机，从而进行数据的交换；而主从机的角色不是一成 不变的，两者可根据具体情况在通信过程中转换角色，而进行数据的传输，大大 增加了系统的灵活性阁。 1 3 论文主要研究内容与论文结构 课题的主要研究内容有： 首先，本人深入学习了u s b 通信协议的基本概念和u s bm a s ss t o r a g e 类协 议，尤其是其下的批量传输规范和s c s i 指令集。其次，在学习上述理论的基础 上，设计系统实现方案。利用a l t i u m 2 0 0 4 软件画出系统硬件原理图和p c b 图， 完成硬件设计、调试任务。再次，借助i a rw o r k b e n c h 、b u s h o u n d 等软件进行系 2 第一章引言 统软件调试与验证工作，并利用d r i v e r w o r k s 、v c + + 和w i n d o w sd d k 设计了基 于w i n d o w sx p 操作系统的w d m 型u s b 设备驱动程序。最后，根据测试结果对 课题设计进行分析与总结，并针对不足提出改进方法。 论文结构如下： 第一章，引言。介绍课题背景、发展现状、课题意义、应用前景等。 第二章，简要介绍u s b 协议。主要介绍u s b 通信的基本概念、传输类型、 总线枚举等内容。 第三章，简要介绍u s bm a s ss t o r a g e 类协议。本章着重介绍了批量传输的传 输流程和s c s i 指令集等内容，为系统软件设计打好理论基础。 第四章，根据系统设计要求，提出设计方案。本章首先介绍了系统中所采用 的几款芯片的特点和相应的管脚功能，随后按照系统设计的各个功能模块，逐一 介绍各功能模块的设计与实现方案。 第五章，在已搭建的硬件平台上，设计分别针对主机和从机软件。本章介绍 了主、从机固件的设计流程。此外，鉴于n a n df l a s h 读写操作的特殊性，本 章还专门介绍了对n a n df l a s h 的读写操作。最后，本章还介绍了使用 d r i v e r w o r k s 软件生成w d m 型u s b 驱动程序的设计流程。 第六章，在已经构建的软、硬件平台上，对系统进行系统测试，并针对测试 结果进行调试。 第七章，总结论文工作。对设计的不足之处提出改进方案，并提出下一步的 研究方向。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章u s b 协议简介 本章首先介绍包括u s b 事务处理、u s b 数据传输类型等在内u s b 数据通信 的基本概念，随后介绍了总线枚举实现的过程，以及分别针对主机、设备实现主、 从机会话的设备描述符和设备请求命令。为下文介绍u s b 设备类协议作了铺垫。 2 1u $ b 数据流模型 任何u s b 通信都是架构在主机的缓冲区与接收设备的端点之上的，数据在这 两者之间的管道之间传输，其数据流模型见图2 - 1 。本节将依次介绍端点、管道、 u s b 传输类型等概念。 2 1 1 端点( e n d p o i n t ) 图2 - 1u s b 数据流模型 端点缓冲 通信流 每个逻辑设备都可视为一系列端点的集合，端点标志着主机与设备通信的结 束点1 4 1 。每个端点都有一个序号，序号值的范围在o 到1 4 之间。其中，0 号端点 专用于控制传输，不可为主机配置。其他非零端点需在主机配置后，方可访问。 端点根据数据流动的方向又可分为玳端点和o u t 端点，因此，o 号端点又 分为控制i n 和控制o u t 两类。其他端点的属性，如方向、缓冲大小等的设置则 在相应的寄存器中进行。 4 第二章u s b 协议简介 2 1 2 管道( p i p e ) 主机与设备端点之间的连接即称管道1 7 1 。管道代表了u s b 系统在主机软件与 设备端点之间移动数据的能力旧。u s b 有2 种不同且并不互斥的管道通信格式1 7 1 ： 流管道( s t r e a mp i p e ) 在流管道内传输的数据不具有u s b 定义的数据格 式。消息管道允许双向信息流，但大多数通信流仍然是单向的。 消息管道( m e s s a g ep i p e ) 用于传输具有某种u s b 定义的格式的数据流。 需要指出的是，缺省控制管道是一个消息管道，每个消息管道在一个时间段 内，只能为一个请求服务，多个客户软件可以通过缺省的控制管道发出请求，但 这些请求仍是按照先进先出的顺序发向设备。设备则在数据阶段和状态阶段控制 信息流。 2 1 3 包( p a c k ) “包”是u s b 通信的最基本数据单元。每一个包，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 数据传输种的作用不同，包可以分为3 类：令牌 包、数据包和握手包1 3 1 4 1 。信息包类型不同，其所包含的字段也不同，但第一个 域都是同步域，且它在总线上传输时，总是以s o p 信号开始、以e o p 信号结束， 如表2 - 1 。 表2 1 信息包的组成 i 同步域 l 具有特定格式的域i e o p l 令牌包定义了数据传输的类型，数据包中包含需要传输的数据，握手包则用 于指明了数据接收的状态。 令牌包 在u s b 系统中，只有主机才能发出令牌包。令牌包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7 种令牌包：i n ，o u t ，s e t u p ，s o f ，p i l e ， s p l i t 和p i n g ，其中p r e 、s p l i t 和p i n g 属于专用令牌【3 1 1 4 1 。 数据包 数据包由1 个p i d 域、包含0 个或多个数据字节的数据域、以及1 个c r c 域组成1 3 1 1 4 1 。因p i d 的不同，数据包分为d a t a 0 和d a t a l 两种。数据c r c 只对 包的数据域进行计算，而不需对p i d 域进行校验。 电子科技大学硕士学位论文 低速设备允许的最大数据有效负载是8 字节，即对低速设备而言，其数据包 的最大长度为8 字节。全速设备的最大数据有效负载为1 0 2 3 字节，高速设备的为 1 0 2 4 字节 4 1 。当要传输的数据长度大于相应端点的容量时，待传数据将会被分为 若干个包，分批发送。同时数据包的类型也将在d a t a 0 与d a t a l 之间交替变化。 从接收角度来看，d a t a 0 与d a t a l 的交替也成为数据交换成功与否的检测标准 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 域组成【4 】网。它用于报告 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。 u s b 定义了5 种类型的握手包：a c k 、n a k 、s t a l l 、n y e t 和e r r ，其 中e r r 属于专用握手包1 3 】【4 】。鉴于本设计仅涉及全速设备，故在此只介绍a c k 、 n a k 、s t a ii ，包等。 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 3 1 1 4 。a c k 握手包只在数据已经被发送并等待接收握手的处理操作 中使用。主机可以对跗处理返回a c k 握手，功能设备可对o u t 、s e ，1 1 j p 处理 返回a c k 握手。 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1 3 】【4 1 。功能设备只有在矾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，它能指出功能设备展示 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。 s t a l l 包说明功能设备不能发送或者接收数据，或不支持控制管道的请 求【3 】【4 】。它在功能设备响应玳令牌或者o u t 令牌的数据阶段后返回。 2 1 4 事务( t r a n s a c t i o n ) 事务处理是u s b 总线上数据传输的基本单位，主机与u s b 设备之间的一次通 信可能要用到1 个或者多个事务。事务处理由3 个阶段组成：令牌阶段、数据阶 段和握手阶段。事务又分为i n 事务、o u t 事务、s e t u p 事务、p i n g 事务、s o f 事 务、s p l i t 事务和p r e 事务。针对本课题，选取最为重要的i n 、o u t 、s e t u p 、s o f 等4 个事务来介绍【1 】【3 】【6 】川。 1i n 事务 6 第二章u s b 协议简介 m 事务用于完成u s b 设备到主机的数据传输。其内容可由图2 - 2 表示。正 常情况下，u s b 设备将向主机发出数据包。u s b 设备不能成功地响应主机发出的 玳令牌包时。u s b 设备的响应有：当收到的矾令牌包已损坏，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 的这个端点被停止了，则向主机返回s t a l l 握手包。 图2 2 成功传输的i n 事务处理 对主机而言，正常时应接收来自u s b 设备的数据，并以a c k 握手。但当主 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。 2o u t 事务 o u t 事务用于完成主机到u s b 设备的数据传输。正常情况下，u s b 设备成 功接收来自主机的数据，并以a c k 握手返回。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1 4 】。 3 s e l l p 事务 s e t u p 事务是一种特殊的事务，它用于定义主机到u s b 设备的数据传输。 由于它的数据格式较为特殊，只用于在u s b 控制传输的建立阶段。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，则一定要接受后面的数据包并向主机返回 a c k 包握手。与i n 、o u t 事务不同的是，u s b 设备不能对s e t u p 事务处理返 回n a k 或者s 1 a i j 等握手包【4 】。 4s o f 事务 s o f 事务表示u s b 帧，小帧的开始，它仅包含主机或者集线器事务馥译器发 出的s o f 令牌包，而不需u s b 设备返回任何握手【4 l 。 对低速，全速传输而言，帧的长度为l m s ，即每l m s 产生一次s o f 令牌包。 对高速传输而言，帧长度为1 2 5i ts ，s o f 令牌包每7 个小帧产生一次。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 数据传输类型 u s b 事务处理是主机与u s b 设备数据传输的基本单位，由一系列具有特定 格式的信息包组成。事务处理由3 个阶段组成，分别是：令牌阶段、数据阶段和 握手阶段。不是所有事务都要经历全部3 个阶段，在某些情况下，可只经历其中 的一个阶段或者两个阶段。但所有的事务处理都是以令牌阶段开始。 u s b 定义了4 种传输类型，即控制传输、中断传输、批量传输和同步传输。 表2 - 2 是这4 种数据传输类型在端点类型、传输方向、传输数据的特点等方面的 比较。 表2 - 2u s b 4 种传输类型的比较 传输类型端点类型传输方向所传输数据的特点 控制传输控制端点i n 或o u t少量、无传输时间要求、传输有保证 批量传输批量端点i n 或o u t大量、无传输时间和速率要求 同步传输同步端点或o u t大量、速率恒定、周期性 中断传输中断端点矾或o u t少量或中量、周期性 对f l a s h 等存储介质进行读写操作，一般没有时问和速率的要求，一般都 采用批量传输方式进行传输。 2 2 1 控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 控制传输作为最重要同时也是最为复杂的传输类型，是所有u s b 设备都必须 支持的传输类型。待u s b 设备连接到主机上之后，主机借助控制传输来与设备交 换信息、配置设备、读取设备描述符等。 控制传输由初始设置、可选数据和状态信息三个阶段组成。其中，初始设置 阶段中，主机向指定的u s b 设备发送s e t u p 令牌包。可选数据阶段中，主机则 发送具有u s b 定义格式的数据包。在最后的握手阶段，u s b 设备则接收主机发 送给它的令牌包和数据包，并向主机返回a c k 握手包。一旦s e t u p 令牌包出错， u s b 设备就回忽略该信息包，也不会对返回任何信息。丽当设备接收了来自主机 的s e t u p 包时，就一定要接收后面的数据包，同时必需向主机返回a c k 握手包。 如图2 - 3 所示，并不是所有的控制传输都必须经历这三个阶段的，其中的数 据阶段是可选的。 8 第二章u s b 协议简介 事控 务制 。 与 控 制 芝 事 务 的数 控据 制阶 传段 输 际而硐 i一 d a t a 0 厂型耀豳l 圆圆一一i ：卫 d a t a ld a t a 0d a t a 0 1 回圈- ：圃 图2 - 3 控制传输格式 【1 】初始设置阶段 s e t u p 事务的初始设置阶段知识发送一个s e t u p 令牌包。 s e t u p 的数据阶段只是发送d a t a 0 ，它用于告诉设备来自主机的控制请求， 这些请求包括用以完成u s b 设备配置操作的1 1 种标准u s b 设备请求，以及用以 进行该设备专用操作的设备类或供应商自定义控制请求。 d a t a 0 包的长度是固定的，为8 字节，并有确定的格式。这8 个字节分配给 5 种命令信息，如b m r e q u e s t t y p e 、b r e q u e s t 、w v a l u e 、w l n d e x 和w l e n g t h 。这些 命令有的是要向设备写数据的，如配置设备地址；有的则是需从设备读取数据， 如读取配置信息；有的则不需要经历读写操作。这些数据都是在随后的“可选数 据阶段”中交换的。 当u s b 设备不能完成控制请求时，在控制事务的数据返回阶段或者状态阶段 将返回s t a l l 握手包，即对初始设置阶段后的所有i n o u t 事务处理都返回 s t a l l ，握手包。而该错误状态会在其接收到新的s e t u p 令牌包时自动恢复。但 如果出现某种错误而导致u s b 设备不能使用缺省控制管道与主机进行通信时，该 设备必须通过被复位才能清除错误状态。 9 筝挈 j，_l_l 蕈 电子科技大学硕士学位论文 1 。_ j 胞囱 卜弋 孢占 出错 主机 设备 图2 4s f r u p 事务处理格式 【2 】可选数据阶段 顾名思义，这一步骤是可选的。当有数据传输时，该数据阶段将包括1 个或 者多个i n o u t 事务。这些事务的作用就是传输u s b 定义格式的数据，数据的传 输方向和长度也都在初始设置阶段确定。不同的请求，其数据传输的方向和长度 亦不同。当数据阶段发送或接收的数据量大于建立阶段所规定的数据量，则返回 s t a l l 握手包。在控制事务的数据阶段种返回s t a l l 握手包，则该控制事务将 不经历状态阶段，见图2 5 。 令牌阶段 数据阶段 状态阶段 匿蚕主机 设备 图2 - 5 控制传输的可选数据阶段 1 0 第二章u s b 协议简介 与初始设置阶段不同，由于在i n o u t 事务阶段已经包含了一个d a t a 0 数 据包，因此，在数据阶段，其数据包都是以d a t a l 开始，与d a t a 0 交替触发。 由图2 - 5 可见，矾事务与o u t 事务相比，要更为复杂。对事务而言，当设备 尚未处理完上一个事务时，而主机向设备发送一个m 事务令牌，则设备将会返 回n a k ，总线空闲，而主机将不断重试该事务；当相应的设备端点被禁止，则设 备将返回s t a l l 包，总线空闲；否则设备就会按照总线的要求发送数据【4 】。 在状态阶段，o u t 事务相对于m 事务复杂。对o u t 事务而言，当设备接 收数据无误，但设备正处于“繁忙”时，主机将不断重发，而设备将返回n a k ， 总线空闲；如果设备端点被禁止，则设备返回s t a l l 包；如果发送的数据无误， 且被设备成功接收，设备将返回a c k ，并通知主机可发送新的数据。 此外，如果控制i n o u t 传输的数据量大于控制端点所支持的最大数据包长 度，则u s b 主机将会把该传输分成多个i n o u t 事务。除最后一次传输外，其他 所有i n o u t 事务数据包中数据阶段的长度都等于该控制端点的最大数据包长 度，最后一个i n o u t 事务将剩余的数据传完。当待传数据为端点最大数据包长 度的整数倍时，其最后一个数据包将为一个长度为o 的数据包。这点对于下文编 写控制传输的读写程序至为重要。 【3 1 状态阶段 露。i 勇主机发出厂 设备发出 令牌阶段 数据阶段 状态阶段 图2 - 6 控制传输的状态阶段 状态阶段，主机的读操作则是对应于o u t 事务，而写操作对应于玳事务。 这点与中断传输、批量传输和控制传输的“可选数据阶段”的读写概念不同。此 外，它的数据阶段也都是好为d a t a l 包的o 长度数据。具体见图2 - 6 。 1 1 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 批量传输( b u l kt r a n s f e r ) 批量传输支持在不确定时间进行的大量的数据通信，在移动存储设备中使用 广泛。用于批量传输的端点决定其接收或发送的最大数据净负荷区大小。u s b 规 定最大的批量传输净负荷区的长度为8 、1 6 、3 2 或6 4 字节。所有主机控制器都必 须支持这几种字节长度作为最大长度，而对于超过此范围的数据长度可以不支持。 图2 7 为批量传输格式。 总线空闲 图2 - 7 批量传输格式 以b u l k i n 传输为例，当主机做好准备接收数据时，就会向u s b 设备发送 玳令牌包，并根据u s b 设备返回的数据来握手。当u s b 设备在接收到令牌包后， 发现此包损坏，将不应答。若令牌包有效，则u s b 设备将返回d a t a x 数据包、 n a k 或者s t a l l 握手包。主机接收到有效的d a t a x 数据包，就会向u s b 设备 返回a c k 包；相反，如果接收的数据有误，数据包将被丢弃，主机不做应答， 并重试该矾事务，但最多3 次。 2 2 3 中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 中断传输适用于传输数据量少、但服务周期固定的数据，常用来传输鼠标、 键盘操作的数据。同批量传输类似，中断传输包括m 和o u t 事务，并可分为令 牌、数据和握手三个阶段，但不一定要经历所有3 个阶段。其传输格式见图2 - 8 。 第二章u s b 协议简介 令牌 握手 图2 - 8 中断传输格式 中断传输的数据不具有u s b 定义的格式。因此在总线上进行中断传输时，必 须使用数据触发机制来保证数据包收发同步，从而使数据能被正确接收。 2 2 4 同步传输( s y n c h r o n o u st r a n s f e r ) 对于大量的、速率恒定且对服务周期有要求的数据，适合采用同步传输。通 常，对于音视频设备，如c d 机、m p 3 等都采用同步传输的方式进行数据的传输 【4 】 6 i 7 1 。在同步传输中，数据的及时收发相对其正确性更为重要，因此，同步传输 只包含令牌和数据2 阶段，省去了握手这一步。鉴于u s b 总线传输的误码率很低， 即使偶尔出现错误情况，也都是在可以接受的范围内。同步传输格式见图2 - 9 。 令牌 数据 图2 9 同步传输格式 主机 电子科技大学硕士学位论文 2 3u s b 设备总线枚举 主机要识别u s b 设备之前，需要经历一系列的设备状态，即设备暂态，进而 才能进行u s b 设备的总线枚举。 2 3 1 设备暂态 图2 1 0u s b 设备状态转移图 u s b 设备的暂态有【4 】： 接入态1 i s b 设备接入主机的物理行为。主机通过检测信号线上的电平变 化即可发现有设备接入。 供电态在设备未被配置前，设备的电源仍是默认值。设备进入配置阶段 之后，供电态会暂时停止供电，以实现设备的复位及重新接入。待设备被配置后， 进入正常的供电态，即主机按照设备要求的最大电流值供电。 缺省态一设备在配置前，通过缺省地址0 与主机通信时的状态。 1 4 第二章u s b 协议简介 地址态一设备历经了配置、复位后，按照主机分配的地址通信的状态。 配置态一主机通过各种u s b 请求命令获取设备信息，并改变或设置设备的 某些信息，从而完成对设备的配置此状态即为配置态。 挂起态设备进入挂起状态。 除挂起态外，设备必须历经其他5 个状态，方可被成功配置。而这6 个暂态 之间的关系并非彼此孤立，而是相互关联的。其关系可见图2 1 0 。 2 3 2u s b 设备的总线枚举 u s b 通过使用总线列举操作来管理u s b 设备的连接与断开。总线枚举的过程 有2 部分组成，一方面是主机和u s b 设备所连接的集线器进行通信，然后主机才 开始与这个新连接的u s b 设备进行数据传输。总线枚举的具体过程如下 4 1 1 6 1 1 7 1 1 8 ： 设备连接。u s b 设备接入u s b 总线，即进入接入态。 集线器为设备上电，使之进入供电态。 主机检测到设备后，复位设备。即设备连接到总线后，主机通过检测设备在 总线上的上拉电阻检测到有无设备与之连接，并得知设备的速度，继而发出复位 信号，复位设备。 设备进入缺省态。设备在收到复位信号后，使用缺省地址对其寻址。 地址分配。当主机收至来自设备在缺省地址的响应后，就对该设备分配一个 空闲的地址。此后，该设备就用这个新获得的地址与主机通信。 读取u s b 的设备描述符。主机通过读取u s b 设备的描述符，从而确定u s b 设 备的诸多属性。 配置设备，即主机根据已获的设备描述符对设备进行配置。若主机能满足设 备所需的u s b 资源，主机就发送配置命令给设备，以表示配置结束。 挂起。根据u s b 协议规定，当u s b 总线空闲状态超过3 m s ，设备驱动程序就 进入挂起状态。此时，设备的耗电流不超过5 0 0l la 。而设备的地址及配置等信息 都不会因此而发生改变，而是保存在设备里。 完成以上8 步之后，u s b 设备即可实现即插即用。其中，步骤8 是可选的。 即设备不一定都要进入挂起状态。 2 3 3 标准u s b 描述符 如前文所述，任何u s b 设备都可视为是配置、接口和端点的集合。在实际应 电子科技大学硕士学位论文 用上，主机通过发送g e t d e s e r i p t o r 请求来获取设备描述符，从而了解设备的具体 信息，以便为两者通信做好准备。标准u s b 描述符分几大类，见表2 3 。 表2 - 3 标准u s b 描述符 描述符的类型值描述符的类型值 设备描述符 l 端点描述符 5 配置描述符 2 设备限定描述符 6 字符串描述符 3 其他速率配置描述符 7 接口描述符 4 其中，设备描述符主要向主机提供u s b 设备的一般信息，并指出其所含配置 的个数。配置描述符、接口描述符和端点描述符则根据设备的工作情况，返回设 备的相关信息。只是一个u s b 设备只能有一个设备描述符，但可以同时有多个配 置描述符，接口描述符和端点描述符。 2 4 本章小结 本章主要介绍了u s b 通信的基本概念，以及u s b 设备总线枚举的实现过程， 为下文学习m a s ss t o r a g e 类协议做了准备。 第三章m a s ss t o r a g e 类协议简介 第三章m a s ss t o r a g e 类协议简介 u s b 海量存储设备类协议( m a s ss t o r a g ec l a s ss p e c i f i c a t i o n ) 包括：c b i 传输 ( c o n t r o l b u l k i n t e r r u p t ) 、b u l k - o n l y 传输、u f i 命令规范、可引导性( b o o t a b i l i t y ) 规范和兼容性测试规范等五类吼 其中c b i 和b u l k o n l y 传输定义了在移动存储设备和主机之间数据，命令，状态 在u s b 总线上传输的方法。c b i 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 行数据命令状态的传递。其基本流程为：发送c b i 命令传输标志一发送s c s i 命令一读取0 字节数据一传输数据( 可选) 一获取状态信息。 b u l k o n l y 传输规范仅使用b u l k 端点传输数据命令状态。其基本流程与标 准请求的类似，只是控制命令、数据和状态等信息都采用批量传输的方式传送。 根据b u l ko n l y 协议，控制命令和状态信息都需要经过打包处理，s c s i 命令 打包后即成c b w ( c o m m a n db l o c kw r a p p e r ) ，而状态信息打包后则为 c s w ( c o m m a n ds t a t u sw r a p p e r ) 。那么b u l ko n l y 传输流程就可认为：发送c b w 命令一传输数据( 可选) 一发送c s w 命令。 b o o t a b m i t y 规范和u r 命令规范定义了存储介质的操作命令u f i 命令规范 则主要针对u s b 移动存储设备。 3 _ 1b u l k - o n l y 传输流程 图3 1