（物理电子学专业论文）基于usb20接口的数字图像通信模块设计.pdf

硕士论文基于u s b 2 0 接口的数字图像通信模块设计 摘要 现代数据采集技术发展迅速，各种基于i s a 、p c i 总线的数据采集系统已经相当成 熟，但这些采集系统很多都存在安装麻烦、可扩展性差等缺陷。u s b 总线是由i n t e r 、 c o m p a q 、m i c r o s o f t 等七家公司于1 9 9 4 年为解决传统总线的不足而推出的一种新型串行 通信标准。为了适应高速传输的需求，2 0 0 4 年4 月，这些公司在原来u s b l 1 协议的基 础上制定了u s b 2 0 传输协议，其最大传输速度达到了4 8 0 m b s 。u s b 总线具有传输快、 连接灵活、易扩展等优点，已在p c 机的多种外设上得到广泛应用，并逐渐成为现代数 据采集传输的发展趋势。 ， 本文在介绍u s b 2 0 系统及协议的基础上，论述了使用u s b 2 0 接口采集红外目标 探测控制系统和图像处理系统间实时通信的数字图像。系统的硬件设计部分，首先设计 实现了d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的外围电路包括j a t g 下载电路、时钟震荡电路、外部 存储器接口和s p i 接口电路；接着完成了f p g ac y c l o n ee p l c 6 p q 2 4 0 芯片的配置电路 包括j a t g 下载电路和e 2 p r o m 外围电路的设计；最后是确定了u s b 芯片和d s p 微控 制器间的并行接口连接方式并进行了电路设计。在硬件设计完善的基础上制作了系统 p c b 板。 系统的软件设计部分，首先在f p g a 内部通过编程实现一个s p i 内核，与d s p 中 的s p i 内核连接通信形成s p i 主从模式；然后是u s b 固件程序的设计，完成设备的管 理和数据的交换，主要包括微控制器、u s b 设备和外围电路的初始化和u s b 中断服务 程序的编写。 系统设计完成后进行了软硬件的调试并成功地实现了数据图像的采集和传输。 关键词：u s b ，d s p ，f p g a ，数据采集 a b s t t a c t硕士论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e md a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi sv e r yq u i c k m a n yd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m sw h i c ha d o p ti s ao rp c it e c h n i q u ea r eq u i t em a t u r e ，b u tt h e yh a v es o m e d e f e c t ss u c ha sc o m p l e x ，u n e x p a n d e de t c u s bb u si san e wk i n do fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n s t a n d a r dw h i c hi sp r o v i d e db yi n t e r 、c o m p a q 、m i c r o s o f ta n do t h e rc o m p a n i e st os o l v et h e d e f e c to ft r a d i t i o n a lb u si n19 9 4 i no r d e rt oa d a p tt h eh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n ，t h e s e c o m p a n i e se s t a b l i s ht h eu s b 2 0t r a n s m i s s i o np r o t o c o li na p r i l2 0 0 4 ，w h i c hi sb a s e do nt h e u s b1 ll ，i t sm a x i m u ms p e e dr e a c h s4 8 0 m b s u s bb u sh a ss o m ev i r t u e ss u c ha sh i g h t r a n s m i s s i o ns p e e d ，f a c i l i t yi nc o n n e c t i o na n de a s i l ye x p a n d e da n ds oo n ，s oi th a sb e e n w i d e l yu s e di np c sp e r i p h e r a le q u i p m e n t sa n db e c o m ead e v e l o p i n gt r e n do fm o d e md a t a a c q u i s i t i o nt r a n s m i s s i o ng r a d u a l l y i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so ft h eu s b 2 0s y s t e ma n dp r o t o c o li n t r o d u c e d ，t h ed i g i t a l i m a g eo fr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n f r a r e dt a r g e td e t e c ta n dc o n t r o ls y s t e ma n d i m a g e p r o c e s ss y s t e ma c q u i r e dt h r o u g ht h eu s b2 0i n t e r f a c ei sd i s c u s s e d t h eh a r d w a r e d e s i g no ft h es y s t e mi s s h o w na sf o l l o w i n gs t e p s ：f i r s t l yt h ee x t e r n a lc i r c u i t sc fd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c h i pa r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gj a t gd o w n l o a dc i r c u i t ，t h ec l o c ko s c i l l a t i o n c i r c u i t ，t h ee x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c ea n ds p ii n t e r f a c ec i r c u i t ；t h e nt h ec o n f i g u r a t i o nc i r c u i t o ff p g ac y c l o n ee p1c 6 p q 2 4 0c h i pi n c l u d i n gt h ed o w n l o a dc i r c u i to fj a t ga n de ：p r o m e x t e r n a lc i r c u i ta r ei m p l e m e n t e d ；f i n a l l yt h ew a yo fi n t e r f a c ec o n n e c t sb e t w e e nt h eu s b c h i p a n dt h ed s pc h i pi sd e t e r m i n e da st h em e t h o do f p a r a l l e li n t e r f a c ec o n n e c ta n dt h ec i r c u i ti s d e s i g n e d t h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r di sp r o d u c e do nt h eb a s i so fw e l l d e s i g n e dh a r d w a r e 1 n h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi ss h o w na sf o l l o w i n gs t e p s ：f i r s t l yt h em a i nm o d eo f s p ii sf o r m e db yt h ec o m m u n i c a t i o nl i n kb e t w e e nt h es p ic o r eo fd s pa n dt h ei m p l e m e n to f as p ic o r ei nt h ei n t e r n a lf p g a t h e nu s bf i r m w a r ei sd e s i g n e dt oc o m p l e t ee q u i p m e n t m a n a g e m e n ta n dd a t ae x c h a n g e ，i n c l u d i n gt h ei n i t i a l i z a t i o no fm i c r o c o n t r o l l e r s ，u s bd e v i c e s a n de x t e r n a lc i r c u i ta n dt h ed e s i g no fu s b i n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a m u p o nt h ec o m p l e t i o no fs y s t e md e s i g n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e b u g g e d ，f i n a l l y t h ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o no fi m a g ei ss u c c e e d e d k e yw o r d ：u s b ，d s p , f p g a ，d a t aa c q u i s i t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 z o o s 年6 月5 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕士论文基于u s b 2 0 接口的数字图像通信模块设计 1 绪论 1 1 研究背景及选题意义 数据采集是获取信息的重要手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，是 以传感器、信号测量与处理和微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。它 主要研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作用，具有很强的实用性。现今，数据 采集技术已在工业生产和科学技术研究等众多领域中得到了广泛应用并取得了良好效 果。 现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，如a d 卡或4 2 2 、4 8 5 等总线板卡，它 们一般多是通过i s a 或是p c i 等内置式接口实现p c 机与外围系统之间的通信。内置式 插卡容易受到p c 机箱内高频信号的干扰影响，从而降低系统的采样精度和稳定性。此 外，计算机主板上的插槽个数是有限的，加上仪器电路插卡的安装很不方便。更有甚者， 在p c 机箱内插入的专用插卡必须进行资源重配置，以避免资源冲突，而此项工作专业 性很强，往往令人头疼。这些弱点使得它们的应用受得了很大的局限。现在的u a r t 串 行口虽然支持外插，但因其速度太慢，远不能适用现今高速设备的发展需求。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 是一种应用在计算机领域的新型接口技 术，最早由c o m p a q 、i n t e r 、m i c r o s o f t 等多家公司于1 9 9 4 年1 1 月为了解决日益增加的 p c 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准。_ 1 9 9 6 年 u s b l 0 协议公布，但直到1 9 9 7 年m i c r o s o f t 公司推出w i n 9 5 9 7 之后，u s b 才开始进入 实用阶段，而且这个版本对u s b 的支持属于外挂式模块。直到w i n d o w s 9 8 推出之后， u s b 接口的支持模块才真正日趋成熟，u s b 技术进入了高速发展时期。1 9 9 8 年c o m p a q 、 i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 四公司联合发布u s b 协议1 1 版本【2 】，规定了两种传输速度( 低 速1 5 m b s 和高速1 2 m b s ) 以满足不同需要。很多厂商推出了1 1 协议芯片，促进了u s b 的发展。2 0 0 0 年4 月，c o m p a q 、h e w l e t t p a c k a r d 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 、p h i l i p s 联合发布u s b 2 0 版 3 1 ，将速度提高到了4 8 0 m b s 。带宽( 数据的吞吐速度) 增大后，各种 外设的功能扩展便显得异常容易。u s b 2 0 协议激发了新一轮u s b 高潮，扩展了u s b 的应用范围。现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 、n t 以及 m a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等流行操作系统都增加了对u s b 的支持。u s b 总线的主要特 点如下 8 1 ： ( 1 ) 高速是u s b 技术的突出特点之一。u s b l 1 接口提供的传输速度有低速( 1 5 m b p s ) 和全速( 1 2 m b p s ) 两种，而最近推出了u s b 2 0 标准，速度可达4 8 0 m b p s ，比串1 3 速率快 4 0 0 0 倍，比并口速率快4 0 0 倍。u s b 端口的传输速率比目前p c 平台上的任何其他类型 端口的传输速率都快。 l 1 绪论 硕士论文 ( 2 ) 连接简单快捷。所有的u s b 外设利用通用的连接器可简单方便地连入计算机中， 安装过程高度自动化，既不必打开机箱插入插卡，也不必考虑资源分配，更不用关掉计 算机电源，即可实现热插拔。 ( 3 ) 无须外接电源。一些采用普通串口或并口设备比如打印机、扫描仪等都需要相 应的外接电源系统，而u s b 电源能向低压设备提供5 v 的电源，因此新的设备就不需要 专门的交流电源，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。 ( 4 ) 有不同的带宽和连接距离。u s b 提供低速、全速与高速三种数据传送速度规格。 全速传送时，结点间连接距离为5 m ，连接使用4 芯电缆( 电源线2 条，信号线2 条) 。 该速率与标准的串行端口相比，大约快1 0 0 倍，与标准的并行端口相比，也快近1 0 倍。 因此，u s b 能支持高速接口( 例如i s d n 、p r i 、t 1 等) ，使用户拥有足够的带宽供新的 数字外设使用。 ( 5 ) 支持多设备连接。利用菊花链的形式对端口加以扩展，u s b 的端口具有很灵活 的扩展性。一个u s b 端口串接上一个u s bh u b 就可以扩展为多个u s b 端口，避免了 p c 机上插槽数量对扩充外设的限制，减少p c 机i o 接口数量。 ( 6 ) 良好的兼容性。u s b 接口标准有良好的向下兼容性，以u s b2 0 和1 1 版本为 例，2 0 版本就能很好地兼容以前的u s b1 1 的产品。系统在自动侦测到l 。1 版本的接口 类型时，会自动按照以前的1 2 m b p s 的速度进行传输，而其他的采用2 0 版本的设备， 并不会因为接入了一个1 1 标准的设备而减慢它们的速度，它们还是能以2 0 标准所规 定的速度进行传输。 u s b 接口的这些特点，很好地解决了之前一些数据采集方面的冲突，使得低成本、 高可靠性、多点的数据采集很容易能够得到实现。 在红外目标探测系统中数字图像的采集非常关键。红外图像采集常常需要使用高精 度的数字图像( 如1 4 位的数字图像) ，而市场上常见的采集卡很难完成这一任务。从红 外系统的便携化出发，基于u s b 的众多优点，利用u s b 进行数字图像数据的采集，也 是红外探测技术的一个重要发展方向。因此开发基于u s b 的数字图像通信采集系统， 具有重要意义。 1 2 国内外研究与应用现状 基于u s b 的产品品种很多，从低速的鼠标、键盘到m p 3 、p d a 、数码相机、高速 的数据采集卡等，u s b 技术己经在信息家电网络产业运用成熟。在工业控制领域，u s b 的应用也得到快速发展，许多实时数据采集系统、图像传输系统、数控系统、测控仪、 多道分析器等都采用了u s b 技术。u s b 以其易用性、兼容性以及可扩展性得到了越来 越广泛的应用。由于u s b 接口数据传输距离不大于5 米，现在主要应用于计算机周边 外部设备。 2 硕士论文基于u s b 2 0 接口的数字图像通信模块设计 目前u s b 数据采集技术在国外已处于高速发展阶段。尤其是在高速数据传输速度、 高实时性、高同步性等方面有雄厚的技术实力。国外企业己经推出了很多能适应不同条 件，不同精度要求等情况的u s b 数据采集系列产品，如d a t x 公司的d t 9 8 3 4 系列产 品，美国o c e a n o p t i c s 公司的a d c l 0 0 0u s b ，n i 公司的u s bd a q 卡系列。典型的是 美国国家仪器有限公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 研制的一系列u s b 数据采集卡，n i 公 司于2 0 0 6 年6 月份推出了两款最新u s b 2 0 总线的m 系列数据采集设备，实现了高达 1 2 5 m s s 的采样率。这些新设备不但为现有u s b 兼容的数据采集设备提供最高速率的 数据采集功能，同时也以功能强大的测量服务软件简化了系统设置和程序设计的工作。 新推出的u s b 2 0 高速设备包含免费的交互式数据记录软件，以供分析之用。可以实现 数据记录，并将输出结果导入诸如m i c r o s o f te x c e l 的电子数据表程序。凭借总线驱动、 即插即用的连接功能。但是n i 公司的u s b 数据采集卡系列产品的价格都在2 0 0 美元以 上。 近几年来，u s b 数据采集开发在国内已经开始起步，并迅速发展，水平不断提高。 市场上国内的主要产品有北京优采公司的u a 3 0 0 系列、四川拓普公司的u d a q 、u b o x 、 u c a r d 等系列，还有北京中泰研创科技有限公司，成都中科动态仪器有限公司等也都 相继推出了u s b 数据采集卡。但这些产品多是基于u s b l 1 协议规范，其数据传输速度 远低于基于u s b 2 0 协议规范的数据采集卡，存在数据采集频率低、精度和分辨率低、 数据处理能力差、存储容量小等缺点，因此也制约了这些产品的采集速度。 目前国内对u s b 接口开发应用的广度和深度还远远不如传统的串行口、并行口以 及各种总线插卡，其应用主要是局限于开发一些标准的微机外围设备，如u 盘、鼠标、 键盘等。这主要是由于作为一个新技术和新标准，u s b 规范较为复杂，应用开发人员还 不是很了解，相应的技术支持和参考设计资源比较少，要把u s b 接口作为微机的一个 通用i o 接口使用具有一定的软硬件开发难度。目前，国内外有一些厂商为u s b 设备的 研发提供软硬件支持，这在很大程度上降低了开发难度，减少了开发时间，提高了开发 质量和效率。u s b 2 0 接口凭借低成本、高性能、可靠稳定、方便灵活的特点，将逐步 成为微型计算机的主要输入输出方式。总的来说，目前国内对u s b 数据采集设备的研 制已经取得了可喜的发展，但是与国外的情况相比，在开发和应用的深度和广度而言， 还有一段距离，现场数据采集要求比较高的场合多是采用的国外产品。因此，随着计算 机对u s b 接口的普及和实际应用中对数据采集卡要求的提高，利用u s b 2 0 协议规范开 发出符合多种场合要求的数据采集系统，以及此领域内先进产品的国产化等都成了亟待 解决的现实问题。 国内外出现的u s b 数据采集产品及其u s b 的应用实例，都为本课题把u s b 2 0 总 线技术应用于数据图像采集通信系统提供了很好的参考和借鉴。 1 绪论硕士论文 1 3 本文的主要研究内容和工作 本文在介绍u s b 系统及其通信协议的基础上，主要实现了使用u s b 2 0 接口采集红 外数字图像的通信模块。系统主要分为前端通信模块和u s b 接口模块，前端通信模块 在已完成的基于c a n 总线的数据在d s p 中的解析封装和传输的基础上，通过对d s p 和f p g a 逻辑模块设计实现了d s p 和f p g a 间单元内部的s p i 串行通信；u s b 接口模 块使用f p g a 来完成数字图像的判别、分类和传输，以d s p 为微控制器控制u s b 芯片 传输数据图像至上位机。主要做了如下几个方面的工作： ( 1 ) 硬件部分 在之前已经完成了的接收红外探测和控制器系统传来的基于c a n 总线的数据 基础上，设计了采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的d s p 的外围电路，主要是确定其s p i 内核 在系统中的功能应用，并对j a t g 下载电路、时钟震荡电路、外部存储器接口和s p i 接 口电路进行了设计。 ， 对f p g ac y c l o n ee p lc 6 p q 2 4 0 芯片配置电路和外围电路进行设计，主要包括 j a t g 下载电路和e 2 p r o m 电路设计 对u s b 接口芯片c h 3 7 4 的外围电路设计，主要是确定u s b 芯片和d s p 微控制 器的接口连接方式，选择了并行接口方式并进行了电路设计。 ( 2 ) 软件部分 在f p g a 内部通过编程实现一个s p i 内核，专门负责与d s p 中s p i 连接通讯形 成s p i 主从模式，d s p 启动s p i 中断程序进行主从机的数据通信。 设计了u s b 固件程序完成设备的管理和数据的交换，主要包括微控制器、u s b 设备和外围电路的初始化和u s b 中断服务程序的编写。 ( 3 ) 制作了系统p c b 板并对系统进行了调试，成功实现了数据图像的采集传输。 4 硕士论文基于u s b 2 0 接口的数字图像通信模块设计 2u s b 2 0 系统与协议概述 2 1u s b 系统概述 在终端用户看来，u s b 系统就是外设通过一根u s b 电缆和p c 机连接起来。u s b 在外设和p c 机之间提供通信服务，通常把外设称为u s b 设备，把其所连接的p c 机称 为u s b 主机。 2 1 1u s b 系统的结构 对开发人员来说，u s b 设备到主机的连接可被分为三个逻辑层：功能层、u s b 设 备层和u s b 总线接口层，且每一层都由主机和u s b 设备的不同功能模块组成，如图 2 1 1 1 所示【。这种分层结构简化了u s b 通信机制，有利于理解主机的软硬件和u s b 设备之间的通信关系。 客户软件 j t h 台b 甬； l别日e早兀功能层 i 。 i i i 1r u s b 系统软件一 i - l u s b 逻辑设备u s b 设备 ； k 。_ 。- 一： r u s b 总线接口 ，l u s b 总线接口u s b 总线j口层 + 一实际通信流- + 逻辑通信流 图2 1 1 1u s b 系统的分层 1 u s b 主机 在u s b 系统中只允许有一个主机，从开发人员的角度看，它可被分为三个不同的 功能模块：客户软件、u s b 系统软件和u s b 总线接口。 客户软件负责和u s b 设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。它一般由开 发人员自行研发，但有些芯片的开发工具包中提供了范例程序代码，开发人员只需在其 基础上稍加修改即可使用。客户软件不能直接访问u s b 设备，其与功能单元间的通信 必须经过u s b 系统软件和u s b 总线接口模块才能够实现。它一般包括u s b 设备驱动 5 2u s b 2 0 系统与协议概述 硕士论文 程序和界面应用程序两部分。 u s b 系统软件负责和u s b 逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数据传 输。它一般包括u s b 总线驱动程序、u s b 主控制器驱动程序和非u s b 主机软件三部分， 这些软件通常由操作系统提供。 u s b 总线接口包括主控制器和根集线器两部分。根集线器为u s b 系统提供连接起 点，主控制器负责完成主机和u s b 设备间数据的实际传输。该模块与u s b 系统软件的 接口依赖于主控制器的硬件实现。 2 u s b 设备 在终端用户看来，u s b 设备为主机提供了多种多样的附加功能，如扩展u s b 端口、 传输文件等，但对u s b 主机来说，它与所有u s b 设备的接口都是一致的。一个u s b 设备由三个功能模块组成：u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功能单元。u s b 总线接口 是u s b 设备中的串行接口引擎( s i e ) ；u s b 逻辑设备被u s b 系统软件看作是一个端点 的集合；功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。其中，s i e 、端点和接口都是u s b 设备的组成单元。 ( 1 ) 设备构架 为了正确描述u s b 设备的特性，u s b 提出了设备构架的概念。设备构架认为u s b 设备是由些配置、接口和端点组成的，即一个u s b 设备可以含有一个或多个配置， 在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个端点。其中，配置和 接口是对u s b 设备功能的抽象，实际的数据是由端点来完成。注意，在使用u s b 设备 前，必须指明其采用哪个配置和接口。 u s b 设备使用各种描述符来说明其设备构架，包括设备描述符、配置描述符、接口 描述符、端点描述符和字符串描述符，它们通常被保存在u s b 接口芯片的固件中。 ( 2 ) 管道 在u s b 系统的分层结构中，可以认为数据传输是在主机软件和u s b 设备的各个端 点之间直接进行的，它们之间的连接被称为管道。管道用于客户软件和u s b 设备的功 能单元之间进行通信，它们是在u s b 设备的配置过程中建立的，在配置完成后，客户 软件就可以使用它们了。管道是对主机和u s b 设备间通信流的抽象，它表示主机的数 据缓冲区和u s b 设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由u s b 总 线接口层来完成的。 管道和u s b 设备中的端点是一一对应的。端点的类型决定了管道中数据的传输类 型，在各个管道中进行的数据传输都是相互独立的。由0 号端点构成的管道称为缺省管 道，它是双向的，既支持i n 传输也支持o u t 传输。在u s b 设备连接、上电或复位后， u s b 系统软件就可以使用该管道来和u s b 逻辑设备进行配置通信了。在u s b 设备被正 确配置后，客户软件也会拥有对该管道的“使用权”，但其“所有权”仍属于u s b 系统 6 硕士论文 基于u s b 2 0 接口的数字图像通信模块设计 文件，并由它来协调客户软件对该管道的访问。其他非o 号端点所对应的管道都只有在 u s b 设备被正确配置后才可使用。按管道中所传输数据结构的不同，可将其分为流管道 和消息管道。 2 1 2u s b 系统的分层 从逻辑上看，客户软件通过一组管道与u s b 设备的功能单元进行通信；u s b 系统 软件和u s b 逻辑设备间的通信是通过缺省控制管道o 实现的；所有实际的u s b 数据传 输都是由主机和u s b 设备的s i e 来完成的。 。1 功能层 功能层负责实现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 设备传输那些数据，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 设备的抽象，且被看作是一个接 口的集合。 2 u s b 设备层 u s b 设备层实现了主机和u s b 设备间的配置通信，如为u s b 设备分配地址、读取 其配置描述符等。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 设备的抽象，它被看作是一个端点的集合。 虽然u s b 设备是以层次星型的总线拓扑结构来连接的，但在主机看来，其与每一 个u s b 逻辑设备的通信就像是它们直接连接在根集线器上一样。它们之间的通信不需 要功能层的干预，但实际的数据传输仍是由u s b 总线接口层完成。 3 u s b 总线接口层 u s b 总线接口层实现了主机和u s b 设备间数据的实际传输，它由主机方的u s b 主 控器和设备方的u s b 总线接口两部分组成。 2 1 3u s b 通信流 在u s b 总线上，所有与u s b 设备功能单元的数据传输都是由客户软件启动的，而 且必须经过主机的u s b 系统软件和u s b 总线接口模块才能将数据发送到u s b 设备。 其传输过程涉及四个软硬件实体：客户软件、u s b 总线驱动程序、u s b 主控制器驱动 程序和u s b 主控制器。 图2 1 3 1 中的向下箭头表示了客户软件向u s b 设备发送数据的情况，其传输步骤 如下： ( 1 ) 客户软件把要传输的数据放入数据缓冲区，并向u s b 总线驱动程序发出i r p ( i o 请求包) ，以请求数据传输。 ( 2 ) u s b 总线驱动程序响应客户软件发出的i r p ，并将其中的数据转化为一个个具 7 2u s b 2 0 系统与协议概述 硕士论文 有u s b 格式的事务处理，然后将其向下传递。 ( 3 ) u s b 主控制器驱动程序负责为这些事务处理建立一系列以帧小帧为单位的事 务处理列表，并保证其不会超过u s b 的带宽。 ( 4 ) u s b 主控制器负责读取事务处理列表，并将其中的事务处理以信息包为单位发 送到u s b 总线上，且传输速率可以是低速、全速或高速。 ( 5 ) u s b 设备接收到这些信息包后，s i e 自动将其解包并将数据放入指定端点的接 收缓冲区内，有芯片固件对其进行处理。 圈 o 口 厂 l 信息包l 1一 软件腰件 接口 图2 1 3 1u s b 传输管理 同样，客户软件在接受u s b 设备发出的数据时也必须经过上述四个软件实体，其 传输过程如图2 1 3 1 中的向上箭头所示。 8 硕士论文基于u s b 2 ，0 接口的数字图像通信模块设计 2 2u s b 数据通信协议 2 2 1 信息包 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。u s b 包由五部分组成，即同步字段( s v n c ) 、包标识符字段( p i d ) 、数据字 段、循环冗余校验字段( c r c ) 和包结尾字段( e o p ) ，包的基本格式如表2 2 1 1 所示： 表2 2 i 1 包格式 1 b b s y n c 字段由8 位组成，作为每个数据封包的前导，用来产生同步作用，使 u s b 设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为0 0 0 0 0 0 0 1 。 2 p i d 字段用来表示数据封包的类型。p 1 d 字段如表2 2 1 2 所示： 表2 2 1 2p i d 格式 i ! ! 旦壁l! ! 里!i! ! 里! i ! ! 望!i里! 望ql ! ! 里! i 呈! 望三i里! 望三i 包标志符( p i d ) i 扫4 位的包类型字段和后4 位的校验字段构成。包标志符表明了包的 类型，并隐含地指出了包的格式和该包所用错误检测的类型。相应的校验字段是包类型 字段的二进制反码，用作校验，以保证包标识符传输可靠性。包标识符分为令牌( t o k e n ) 、 数据( d a t a ) 、握手( h a n d s h a k e ) 、特殊( s p e c i a l ) 四种类型。包的p i d 类型如表2 2 1 3 所示。 表2 2 i 3p i d 类型 p i d 类型p i d 名 p i d 3 ：0 】 描述 输出( o u t ) 0 0 0 1 b 主机到功能部件的事务，带有地址+ 端口号 输入( r n ) 1 0 0 1 b 功能部件到主机的事务，带有地址+ 端口号 令牌 帧开始( s o f ) 0 1 0 1 b 帧起始标记，并带有帧号 ( t 0 k e l l ) 主机到功能部件建立一个控制传送的事务，并带有 建立( s e t u p ) 1 1 0 l b 地址+ 端口号 数据 数据0 ( d a t a 0 ) 0 0 1 1 b 表明该数据包发送的切换次序，作握手控制用 ( d a t a )数据1 ( d a t a l ) 1 0 l l b 表明该数据包发送的切换次序，作握手控制用 确认( a c k ) 0 0 1 0 b收方收到无错数据包后，返回的应答信号 收方忙，或因其他原因不能接收数据时，返回的应 握手 不确认( n a k ) l o l o b 答信号：发送方不能发送数据，发出的握手信号 ( h a n d s h a k e ) 端口挂起，或不支持收到的控制请求，发出的握手 停止( s t a l l ) 1 1 1 0 b 信号 专用主机发出前同步字，以开通主机到低速设备的下行 前同步( p r e ) 1 1 0 0 b ( s p e c i a l ) 总线 3 数据字段是用来携带主机与设备之间要传递的信息，其内容和长度根据包标识 9 2u s b 2 0 系统与协议概述硕士论文 符、传输类型的不同而各不相同。并非所有的u s b 包都必须有数据字段，例如握手包、 专用包和s o f 令牌包就没有数据字段。在u s b 包中，数据字段可以包含设备地址、端 点号、帧序列号以及数据等内容。在总线传输中，总是首先传输字节的最低位，最后传 输字节的最高位。 4 c r c 字段由不同数目的位所组成。其中重要的数据封包采用c r c l 6 的数据域( 1 6 位) ，而其余的封包类型则采用c r c 5 的数据域( 5 位) 。 5 包结尾字段即发送方在包的结尾发出包结尾信号。它表现为差分线路的两根数 据线保持2 比特低位时间和1 比特空闲位时间。u s b 主机根据e o p 判断数据包的结束。 2 2 2 信息包的格式 根据信息包所实现的功能，其可分为3 种类型：令牌包、数据包和握手包。其中， 令牌包定义了数据传输的类型，数据包中含有需要传输的数据，握手包指名了数据接收 是否成功。信息包类型不同其所包含的字段也不同，但第一个字段都是同步字段，且它 们在u s b 总线上传输，都以s o p 开始、以e o p 信号结束。 1 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。它是 事务处理的第一个阶段。u s b 中包含7 种令牌包：i n 、o u t 、s e t u p 、s o f 、p r 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。 ( 1 ) i n 、o u t 、s e t u p 和p i n g 令牌包 i n 、o u t 、s e t u p 和p i n g 令牌包具有相同的格式，1 口图2 2 2 1 所示。这几个令 牌包都以p i d 字段开始，且都包含a d d r 字段和e d n p 字段，并以5 位的c r c 字段结 束。另外c r c 字段仅对a d d r 字段和e d n p 字段进行循环冗余检验，而p i d 本身就已 含有检验宁段，所以不需对其进行c r c 保护。 ( l s b )( m s b ) 图2 2 2 1i n 、o u t 、s e t u p 和p i n g 令牌包的格式 i n 令牌包的p i d 定义了u s b 设备到主机的数据传输，其a d d r 字段和e n d p 字 段指明了惟一要发送数据的端点。o u t 和s e t u p 令牌包的p i d 定义了主机到u s b 设 备的数据传输，其a d d r 字段和e d n p 字段指明惟一要接收数据的端点，p i n d 令牌包 的p i d 定义了从u s b 设备到主机握手信号的传输，其a d d r 字段和e d n p 字段指明惟 一要发送握手包的端点。这几个令牌包的长度都是3 字节，如果它们没有在3 字节之后 硕士论文 基于u s b 2 0 接口的数字图像通信模块设计 以e o p 信号终止，则接收方会认为该边无效，并将忽略该包。 ( 2 ) s o f 令牌包 s o f 令牌包由p i d 字段、帧号字段和5 位c r c 字段组成，其长度为3 字节如图 2 2 2 2 所示。其c r c 字段仅对1 1 位的帧号字段进行循环冗余检验；而p i d 本身就己含 有检验字段，所以不需对其进行c r c 保护。 (lsb)(msb) 图2 2 2 2s o f 令牌包的格式 主机以每1 0 0 m s 0 0 0 0 5 m s 和1 2 5 s + 0 0 6 2 5 s ( 高速) 的额定时间间隔发出s o f 令牌包，以表示帧4 , 帧的开始，它不需要接收方做出任何响应。 ( 3 ) s p l i t 令牌包 s p l i t 令牌包仅用于主机和高速集线器( 且其下行端口上连接有低速全速u s b 设备) 间的通信它使得主机可以在高速事务中开始一个低速全速事务，而且不必等待这些低 速全速传输结束就可以继续处理其他高速事务。即s p l i t 事务能把低速全速传输从高 速传输中分离出来。它定义了两个令牌包： s s p l i t ( 开始s p l i t ) 令牌包用于主机启动一个s p l i t 事务处理； c s p l i t ( 结束s p l i t ) 令牌包用于主机结束一个s p l i t 事务处理，它们的长度都 是4 字节。 ( 4 ) p r e 令牌包 通过s p l i t 事务，集线器能把低速全速传输从高速传输中分离出来。在低速和全 速传输环境下，集线器通过禁止其低速端口的方法阻止全速事务在低速设备上运行主机 在开始低速事务之前必须先发送一个p r e 令牌包( 也称前导包) ，它表示在其之后将以低 速传输一个信息包。这时相应的集线器会激活其低速端口并准备低速传输，而其他的 u s b 设备会忽略该前导包。p r e 令牌包的格式比较简单，它只包含8 位的p i d 字段， 且无需c r c 检验。 2 数据包 数据包内p i d 字段、数据字段和1 6 位c r c 字段组成，如图2 2 2 3 所示。其中， 数据字段的长度可以为0 个或多个字节，但对于低速u s b 设备，其最大长度为8 字节； 对于全速设备，其最大长度为1 0 2 3 字节；对于高速设备，其最大长度为1 0 2 4 字节。c r c 字段负责对这些数据字段进行1 6 位的循环冗余检验，而p i d 本身就已含有检验字段， 所以不需对其进行c r c 保护。 2u s b 2 0 系统与协议概述 硕士论文 ( l s b ) 图2 2 2 - 3 数据包的格式 根据p i d 的不同，数据包可分为4 种类型：d a t a 0 、d a t a l 、d a t a 2 和m d a t a 。 其中，只有d a t a 0 和d a t a l 支持数据触发机制；s p l i t 事务处理需要使用d a t a 0 、 d a t a l 和m d a t a ：而高速同步传输需要使用全部4 种类型的数据包。 3 握手包 握手包仅包含8 位的p i d 字段，之后就是e o p 信号，它无需使用c r c 检验。握手 包用于报告事务处理的状态，以表明数据接收成功、指定的端点被停止、不能响应命令 等情况。只有支持流量控制功能的事务处理才需使用握手包，且它一般在握手阶段被返 回，但有时也可能在数据阶段代替数据被返回。如果握手包在p 1d 之后没有以e o p 信 号终止，则接收方会认为该包无效，并将其忽略。 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。它们所实现的功能如下： ( 1 ) a c k ：该握手包表示主机或u s b 设备接收到的数据包没有位填充和c r c 检验 错误，且其p i d 字段也被正确译码。它通常发生在接收方和发送方的数据触发