（电力电子与电力传动专业论文）现代化电子教学平台设计与实现.pdf

现代化电子教学平台设计与实现 a b s t r a c t t h e s u b j e c td e v e l o p s ak i n do f m o d e me l e c t r o n i ct e a c h i n gp l a t f o r mb a s e do n 、析d et o u c hs c r e e n , a n dt h ep l a l f o r ms y s t e mi sm a i n l yf o rt e a c h i n g 1 nt h e s y s t e md e s i g n , f u l ls p e e d u s bi n t e r f a c ei su s e dt oc o n n e c t t e a c h i n gp l a t f o r m a n d c o m p u t e r , w h i c he r l s u r e sr e a l - t i m ea n da c c u r a t ed a t at r a n s m i s s i o n , a n da l s or e a l i z et h ep f l pf u n c t i o no ft h e p l a t f o r m t h et e c h n i q u eo f t h e 、v i d et o u c hs c r e e n , w h i c hc o u l dr e a l i z ee l e c t r o n i c a l t e a c h i n g c a i l e n a b l et h et e a c h i n gp l a t f o r mt oi e p l a c et h ec o n v e n t i o n a lb l a c k b o a r d t h ed r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o n s o t t w a r e d e v e l o p e dw i t hm i c r o s o f td d k , v c + + a n d v b r e s p e c t i v e l y , m a k et h es y s t e mp o s s e s s e s g o o d p e r f o r m a n c e ，w h i c h i s a l s o i n f a v o r o f t h es o a r e u p g r a d i n g t h ew h o l es y s t e md e s i g ns c h e m ei sg i v e ni nt h e 徉驴鼠a n dt h ed e t a i l e dd e s i g no ft h es y s t e m h a r d w a r e ，t h ef i r m w a r e , t h ed r i v e r , a sw e l la st h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ea l t o g e l h e ra r ed i s c u s s e d f i n a l l x t h es y s t e m i s d e b u g g e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a t t h e s y s t e m d e s i g n i s v a l i d k e y w o r d s ：e l e c t r o n i c a lt e a c l 恤gp l a t f o r m t o u c hs c r e e nu s bb u sf i r m w a r e d r i v e r 塑室堕窒堕垄查堂堡主望篁笙茎 第一章绪论 在崭新的二十一世纪里，计算机技术在各个领域中自q 运用，尤其是多媒体技术、人工智 能技术和互联网络技术的迅猛发展，标志着信息技术的一次新的革命性飞跃，给人类带来了 深刻的影响。现代信息技术的飞速发展极大的推动了 目代化教育革新的步伐，促进了新型教 学手段和教学设备的涌现。以计算机技术为基础，结合网络多媒f 奉技术、通讯技术全方位多 角度集成的各种信息载体的先进交互式教育手段与传统的教学方法相比，能够提供相对丰富 的教学内容、灵活多变的教学方式、快速的教学途径等。1 1 9 删 二十世纪是高度现代化的社会，也是高度竞争的社会，社会对教育提出了相当高的要 求。为此，国家提出了教育要面向现代化的口号，实施了二十世纪振兴教育的计划与行动。 而现f 弋化的教育不仅需要先进的教育理念，更需要先进的教学工具和手段，只有运用先进的 教育手段和方法才能培养出高素质的人才。i 1 9 2 0 目前比较常见的课堂教学设备都存在一定的缺点，如黑板和视频展示台。黑板是教师书 写板书的传统教学设备，但它无法觌电子化教学，同时粉笔灰尘不仅污染环境，还有害于 教师和学生的健康。视频展示台是将教师收在展示板匕的游义、图片、甚至小实物投影到大 屏幕上，便于学生观察，因为它是利用光学原理实珊投影的，因此图像清晰度不理想，不利 于在大教室中使用，它也受实物条件的限制，同时其交互性不理想。鉴于以匕教学设备的缺 点和当前教学上的迫切需要，需要研制种大屏幕手写笔输入的现代化电子教学平台系统。 自从1 9 9 8 年u s b 协议1 1 版本发布以来，尤其是全面支持u s b 技术的、g r m d o w s 9 8 操 作系统的问世，使得u s b 技术正在飞速发展和普及眠本课题研制的现代化电子教学平台系 统采用了u s b 接口。u s b 接口使该电子教学平台系统实现了热插拔，便于用户使用；同时 u s b 传输的带宽足以保证多媒体蝴j 的需要；而且开发费用较低，有良好a q 稳定性，便于将 来升级。 在研制的现代化电子教学平台系统中，教9 噼佣手写笔代曾传统自魄a 笔，直接在触摸屏 上书写授课内容，结合多媒体投影仪，可以实现“电子化”课堂教学。由于该教学平台系统 的应用软件集成了课堂教学所需的大部分功能，如电子白板、电子笔、橡皮、几何图形绘制、 插入文本和图像等，因此使用该电子教学平台系统可以直观方便的进行教学。另外，授课内 容可以存储在计算机匕，便于教师备课以及进行教学系统分析，更利于学生将来的复习。 正在研制的现代化电子教学平台系统利用电阻分压式触摸屏，既降低了设计成本，又缩 短了设计周期。另外，本电子教学平台系统采用了大屏幕手写笔输 技术，具有图像清晰、 书写简单、信息量大等优点；同时由于该平台是以计算机为基础的，因此具有钓基的数据处 望垡垡皇兰塾堂兰鱼堡生兰塞堡 一 一 理能力、巨大的数据存储空间、高速的数据传输能力以及屏幕图像显示功能，很适合于教学。 考虑到用户的实际隋况，在保证质量的前提下，刚氐设计成本，减小体积以便于安装，提高 可靠陆和可维护性，很适合于推广，因此有着广阔的前景。 现代化电子教学平台系统的研制与开发，将为课堂教学提供个很好的教学平台。这将 有利于提高教学效率，让教师和学生从传统的教学摸式中解放出来，减轻了教师的负担，提 高了学生的主动性，对实现课堂教学与管理的现代化有着重要的意义，对培养出高素质的人 才起着积极的推动作用。 1 2 研究内容和主要工作 本课题研制的现代化电子教学平台系统在功能上主要由硬件触摸屏设备和应用软件组 成。硬件触摸屏设备构成该系统的硬件平台，主要实现触摸屏的m 点坐标数据采样并将采样 数据i 畿鲕桴# 老兀进行煳显示。应用软f 牛构成该系统的软f 抨台，主要瓣写嬲的 处理、显示和管理。应用软件分为t o u c h p a n e l 程序、单机版软件和网络版软件。t o u c h p a n e l 程序主要用来实现触摸屏功能。结合硬件触摸屏设备以及t o u c h l 程序，启用单机版软件 可构成独立的电子教学平台；启用网络版软件并借助于计算机网络可构成交互式网络教学系 统。 硬件触摸屏设备主要是将触摸屏的触点坐标数据进行采样并通过u s b 接口送往计算机。 触摸屏采用大屏幕的四线电阻黼女搅屏，这倒南繇统要求的基础e 降低了设计成本。触点 坐标数据采样芯片选用b b ( 已被t i 收购) 公司的a d s 7 8 4 3 ，这款芯片体积小，功能强，在 保证功能的基础上简化了开发步骤，缩短了开发周期，减小了设备体积。u s b 接口芯片选用 c y p r e s s 公司的e z - u s b 芯片a n 2 1 3 1 q c ，这是一款s i e + m c u 的u s b 接口芯片，c y p r e s s 公司提供了良好的硬件设计平台和软件开发包，以及流的找j 设持，有效的缩短了开发周 期。 利用u s b 接口和p c 胡j 蓖讯需要开发驱动程序。本课题开发的驱动程序是在v c + + 6 0 集成环境下编写，并在 n d 0 1 2 0 0 0d d k 下编译成功的，具体编程采用c 语言，它适用于 w i n d o w s9 8 、w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 系统。 应用软件由t o u c h p a n e l 程序、单机版软件和网络版软件组成。t o m h p m 把l 程序采用v c + + 编程，主要实现触摸屏功能。单机版软件在v c + + 环境下编程实现，主要完成电子白板和几 何图形的绘制功能。网络版赣斜：是在研媲下编程实现，主要实现电子自板、几舸图形绘 制、插入文本和插 图像等基本教学功能以及网络数据传输、监控学生状态、显示并传送学 生提问的问题阵网络教学功能。 在进行额和搜集国内外相关教学系统资料的基础上，结合实际教学需要，进行了电子 教学平台系统的总体设计，完成了系统硬件、f i r m w a r e 、驱动程序和应用软件的具体设计与 开发，并进行了调试。 南京航空航天大学硕士学位论文 系统硬件电路设计工作包括u s b 接口通用电路设计和触摸屏触点坐标数据采样电路设 计。u s b 接口通用电路是在完全掌握c y p r e s s 公司的e z - u s b 接口芯片a n 2 1 3 1 q c 的基础上 完成的，它适合所有以a n 2 1 3 1 q c 作为u s b 接口芯片的u s b 设备。触摸屏触点坐标数据采 样电路是以a d s 7 8 4 3 为基础的，它是一款触摸屏专用的a i d 采样芯片。系统软件设计工作 包括f i r m w a r e 开发、u s b 总线接口驱动程序开发、t o u c h p a n e l 程序开发和应用软件( 分为 单机版软件和网络版软件) 的开发。 现代化电子教学平台没计与实现 2 1 系统的功能与特点 第二章系统总体设计 现代化电子教学平台系统主要具有以下功能： 1 大屏幕触摸屏：硬件平台、驱动程序和t o u c h p a n e l 程序构成了u s b 接口触摸屏， 适用于般用户对触摸屏的需要，也满足课堂教学的需要。 2 电子白板：相当于黑板的作用，并目有较大的书写空间。电子白板的版面可以随着 授课量的增大而增加，在授课过程中各版面间可随意切换，在工具栏中有当前版面序号。 3 电子笔和橡皮：电子笔可实现在“电子白板”上的随意书写的功能，如同用粉笔在 黑板上书写一样。电子笔的颜色和粗细可以随意调节。橡皮可擦除错误内容。 4 几何图形绘制：实现三种基本几何图形( 直残、矩彤、圆) 的绘制以配晗教学，图 形完成后，可以拾取和移动。 5 插入文本和图像：可在“电子白板”上插入文本和图像，便于进行丰富多彩的教学。 6 显示日期和时间：工具栏中能实时显示当前的日期和时间，便于老师掌握好授课时 间，做到有计划的授课。 7 文件操作功能：电子格式的教学内容作为文件进行操作，该系统具有完善的文件操 作功能，如新建、打开、保存等。 现代化电子教学平台系统在传统教学模式的基础上，运用触摸屏、多媒体、投影仪等先 进手段，使“教”和“学”的各个环节变得畅通无阻，具有“书写简单”、“图像清晰”、“信 息量大”、“保存容易”、“反馈及时”、“实时交互”等优点，克服了传统教学中的许多缺点。 2 2 系统的结构与组成 该电子教学平台系统主要由硬件触摸屏设备、f i r m w a r e 、驱动程序和应用软件组成。触 摸屏设备由四线电阻式触摸屏、触点坐标数据采样电路和u s b 总线接口通信电路组成。 f i r m w a r e 是运行在硬件上的底层软件。应用软件分为t o u c h p a m l 程序、单机版软件和网络版 软件。t o u c h p a n e l 程序是用来实现触摸屏功能的。单柳版软件可构成独立的教学平台。网络 版软件由s e r v e r 软件和c l i e n t 软件组成，它们分别运行于教师使用的p c 机和学生使用的p c 机上。其结构和功能如图2 1 所示。 如果选用手写笔触摸屏设备和单机版软件，再辅助以投影仪，就构成了电子教学平台。 上课时，教师可以直接在触漠屏上书写授课内容，通过投影仪投影到大屏幕上，可以代替传 统的黑板。 4 南京航空航天犬学硕十学位论文 ，：ji 单机版软件 + 1 投影仪| | l。1。一 j硬件平台 图2 1 系统结构及功能图 如果选用手写笔触摸屏设备和网绍版软件，就构成了整个电子教学平台系统。网络版软 件由s e r v e r 蒯牛和c l i e i i t ，s e r v e r 珊隧行在教9 币用蝴臣务暑黼，c l 硫软件运彳诳 学生用的客户端。上课时，教9 币可以直接在触摸屏上书写授课内容，通过局域网将授课内容 实时的传i 差到客户端，学生就可以更为直观的学习了。学生还可以通过c l i e l l t 软件随时问老 师问题，真正做到了实时交互。 2 3 系统方案论证 该系统自诵附主要由四线电阻式角虫摸屏、触姗专用的a d 采佯芯片a d $ 7 m 3 、u s b 接口芯片a n 2 1 3 1 q c 、芯片t p s 7 3 3 3 和审行e 2 p r o m 芯片2 4 l c o o 觌。a d s 7 8 4 3 奥燃坐标数据的采样。a n 2 1 3 l q c 主要实现u s b 接口通讯荆空制a d s 7 8 4 3 进f 词酎羊。 t p s 7 3 3 3 将u s b 总线提供的5 v 电源转换为3 3 v 电源，为a n 2 1 3 l q c 供电。2 4 l c 0 0 用来 完成u s b 设备的枚举。 该系统的软件由f i l l l l w a r e 、驱动程事和应用软件组成。f 汹w a r e 是用汇编语言编写的， 编写环境是k - e i lc 。驱动程序是在v c + + 6 0 集成环境下编写，并在w m ( b 、v s 2 0 0 0d d k 下编 译成功的，具体编程是使用c 语言。t o u c l l p a n e i 程序和单机版软件由v c 十+ 编程实现，分别 实现触摸屏功能和电子白板功能。网络版软件由v b 编程实现。 现代化电子教学平台设计与实现 一。 在该电子教学平台的方案设计中，几个关键技术点的论证如下： 1 选用大屏幕高分辨率的触摸屏 该电子教学平台系统可以代替黑板进行授课，为满足这需要，必须使用高分辨率的触 摸屏，同时手写输入的范围要比较大，这样才能在一个版面内书写内容较为丰富的板书。因 此选用大屏幕高分辨率的触摸屏。 2 以a d s 7 8 4 3 作为触点坐标数据采样芯片 在课堂教学中，手写笔输入的灵敏度要满足一定要求，即a d 采样的速度要比较高。 a d s 7 8 4 3 的转换频率可达1 2 5 k h z ，足以满足系统需要。另外，a d s 7 8 4 3 是电阻式触摸屏专 用采样芯片，有良好的数据接口，利于编程控制，这即简化了硬件电路设计，又简化了程序 设计。因此选用a d s 7 8 4 3 作为触点坐标数据采样芯片。 3 采用u s b 总线接口而非串口等其它接口作为教学平台硬件与计算机的接口 全速u s b 接口的传输速率可达1 2 m b p s ，数据传输不仅快速，而目准确，这是串1 ：3 等其 它接口很难达到的。另外，u s b 接口具有热插拔的优点，使得教学平台硬件的连接既方便又 快捷，而且操作系统全面支持u s b 接口。因此采用u s b 总线接口作为教学平台硬件与计算 机之间的接口。 4 在w i n d o w s2 0 0 0d d k 平台下编写驱动程序 w i n d o w sd d k 是微软公司发布的用于开发驱动程序的平台，在该平台下开发的驱动程 序与w i n d o w s 系统有良好的兼容性，具有很好的可移植性，同时其执行效率比较高。因此以 w i n d o w s 2 0 0 0 d d k 平台作为开发驱动程序的平台。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1u s b 总线协议 3 1 1u s b 概冽i 第三章硬件设计 一、u s b 的起源和发展历史 u s b 即通用串行总线，是由i n t e l 、c o m p a q 、d i g 眦、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o n h e m t e l e c o m 七家世界著名的计算机和通信公司共同推出的新型总线接口标准，是为了解决p c 机外围设 备的拥挤和提高设备的传输速度而提出的。 随着w i n d o w s 9 8 的问世，u s b 的系统支持问题得到了解决，各种u s b 设备不断涌现， 带来了u s b 技术的飞速发厢断噌吸。它的市场价值也真正显现出来，人们真正灏各n t 它的 方便与快捷。u s b 协议也由1 9 9 5 年发布的1 0 版本发展到1 9 9 8 年发布的1 1 版本，在2 0 0 0 年又发布了2 0 版本，其传输速率也由1 5 m b p s 到1 2 m b p s ，再至1 4 8 0 m b p s ，分剐称为低速、 高速和全速u s b 传输。 以前连接在串行、并行等外部扩展接口上的设备，甚至些要连接到电脑内部扩展槽上 的设备，都开始以u s b 接口的形式出现，u s b 设备的发展势头正如日中天。u s b 设备在国 内外用户的实际应用中已经开始逐渐取代传统外设。 二、u s b 的特点 u s b 接口的诞生，很大程度上是为了解决传统总线的不足。与传统总线接口相比，它具 有以下一些特点： 1 易于连接 u s b 外设可简单的插在计算机e ，无需打开计算机机箱为每个外设增加扩展卡。u s b 接口支持热插拔，在不关闭计算机自勺隋况下真正实现了“即插即用”。 2 传输速度高 u s b 有全速、高速和低速三种传输方式，传输速率分另为4 s o m b p s 、1 2 n , m 和1 5 m b p s 。 比标准的串口和并口快若干倍。 3 支持多设备连接 利用菊花链的形式对端口进行扩展，一台计算胡最多可同时支持1 2 7 个u s b 外设。低速 u s b 外设的最大传输距离是3 米，高速u s b 外设的最大传输距离是5 米；通过u s bh u b 可 以实现最大3 0 米的传输距离。 4 自动配置 当用户i 主接u s b 外设到一个正在运行的w i n d o w s 系统时，系统能自动检澳4 到外设，载 入合适的驱动程序。u s b 外设第一次连接到系统时，w i n d o w s 可能鼹示用户插入驱动程序磁 7 现代化电子教学平台设计与实现 盘，但是除此之外安装都是自动的，不需要定位并运行安装程序或在使用外设时重新启动。 5 可靠性高 硬件设计和数据传输协议保证了u s b 传输的可靠性。u s b 驱动器、接收器和电缆的硬 件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声。此外，u s b 协i ! ；( t 使用了数据错误检测机制， 更大程度的保证了数据传输的可靠性。 6 操作系统支持u s b w i n d o w s9 8 是第卟可靠的支持u s b 的w i n d o w s 系统，其更新的产品如w m d o w s 2 0 0 0 也支持u s b 。另外，l i n u x 支持u s b ，a p p l e 的平台也已提供了对u s b 的支持。 7 可采用总线供电 u s b 总线可以提供最大达5 v 、5 0 0 r n a 的电源，对于功耗较小的外设来说这是非常有效 的。 8 使用灵活 u s b 共有4 种传输模式：控串! 胺输( c o n l r 0 1 ) 、批量传输( b u l k ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、 同步传输( s y n e h n 删o n ) ，以适应不同设备的需要。 9 物美价廉 虽然u s b 接口比以前的其它接口有更多的优点，也更复杂，但它的组件和电缆并不贵。 多家厂商都有u s b 产品。在国内应用较多的u s b 控制器主要有c y p r e s s 的e z - u s b 系列， 如a n 2 1 3 1 q ，附1 i p s 的p d i u s b d l 2 系列和n a t i o n a ls e m i l u n a r 的u s b n 9 6 0 3 系列等。 三、u s b 在嵌入式系统e 的应用及前景 u s b 在嵌 式系统中的应用发展迅速。目前，计算棚外设市场上u s b 接口的数码相机、 扫描仪、硬盘、鼠标、键盘、游戏杆、显示器、打印机、软驱等潞t 随礴见，但是使用u s b 接口的智能仪器e 凇见。 由于u s b 的诸多优点，在传输距离允许的前提下，可以设计出许多具有市场前景的智能 仪器。要做到这点并不难，只需在原来成熟仪器的电路中加入u s b 控制器就可以了。比如， 可以将传统的i s a 或p c i 接口的数据采集系统重新设计成u s b 接口，这更利于打开市场。 鉴于此，u s b 接口的嵌 式系统有着良好的发展前途。 u s b1 1 协议是1 9 9 8 年1 1 月正式发布的，共1 l 章3 2 7 页，采用英文的a c r o b a t 格式。 鉴于u s b 协议的复杂性，下面只作一些简单介绍。 一个u s b 系统主要被定义为三部分：u s b 的互连、u s b 主机和u s b 设备。 3 1 - 2u s b 的互连1 2 l l u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进衍奎接和通信的方式，主要包括以下几方面： - 总线的拓扑结构：即u s b 设备和主机之间的连接方式。 南京航空航天人学硕十学位论文 内部层次关系：即按照功能堆栈，u s b 任务被分配到系统的每一个层次。 数据流模型：即数据在系统中通过u s b 从产生方到用户方的流动方式。 u s b 的调度：即u s b 提供了一个共享的连接，对可以使用的连接进行调度以支持同 步数据传输，并且避免优先级判别的开销。 u s b 总线拓朴结构包括四个重要部分： 主机和设备：这是u s b 系统的主要组成部分。 物理拓朴结构：描述u s b 系统中的各组成部分是如何连接起来的。 逻辑拓朴结构：描述u s b 系统中各组成部分的地位和作用，以及描述从主机和设备 的角度观察到的u s b 系统。 客户软件层到功能层的关系描述从客户软件层看到的功能层自针靓，以及从功能层 看到的客户软件层的情况。 一、总线的物理拓扑结构 u s b 系统中的设备与主机的连接 方式是采用分层的星形连接，如图3 1 所示。 图中的集线器是一类特殊的u s b 设备，它是组u s b 的连接点，主机中 有一个嵌 式的集线器叫根集线器。主 柳j 苗过根集线器提供若干个接点。 用于提供特定功能的设备叫功能设 备。多个不同功能的设备可以放在起 并被看作是个整体。例如，键盘和轨 迹球可以被视作一个整体，在它的内部， 图3 - 1u s b 物理总线拓扑 提供具体功能的设备永久的连接在集线器上，而j 蕾孵廷线嚣嚣j 主接到u s b 总线上。所有这些设 备以及这个集线器被看作个复合设备，而这个集线器又被看作是这个复合设备的内部集线 器。在主机看来，个复合设备和个连接有若干设备的分离的集线器是相同的。 二、总线的逻辑拓扑结构 虽然在物理结构上设备是按照分层的星形结构 连接在主机t ，但在逻辑匕主机却是直接与各个 逻辑设备通信的，就如同它们是直接连在主机e 一 样，如图3 2 所示。虽然u s b 系统中主机和设备的 工作都是从逻辑结构的角度来看待的，但主机! 凶须 对物理结构有所了解，以便处理集线器被移去的情 况。当一个集线器被移走时，通过它与主机相连的 图3 - 2u s b 逻鞫描线拓扑 现代化电f 教学平台设计与实现 一一 设备也应起被移走，这是由其物理结构决定的。 三、客户软件层与功能层的关系 虽然u s b 系统的物理和逻辑拓朴结构反映了总线的共享性，但是操纵u s b 功能接口的 客户软件只关，心设备上与它相关的接口，客户软件必须通过u s b 软件编程接口来操纵功能设 备。这与另外一些总线如p c i ，e l s a ，p c m c i a 等不同，这些总线是直接访问内存或i o 口 的。运行时，客户软件必须独立于u s b 上的其它设备，这样，设备和客户软件的设计者就可 以只关凸设备、客户软件以及二者相互关连的设计细节。 图3 - 3 描述了从设备设计者的角度所看到的客户软件和u s b 功能设备的关系。 图3 - 3 客户软件层与功能层的关系 3 1 3u s b 主秽俨 主机物理设备 _ 实际数据流 钽嘲逻辑数据流 图3 _ 4u s b 主棚结构 图3 _ 4 展示了u s b 通信模型之间基本的信息流与互连的关系。由图可见，主机与设备都 被划分成不同的层次，垂直的箭头指明了主机上实际的信息流。主机与设备之间的所有通信 最终都是通过u s b 电缆进行的，但是，在水平层之间存在着逻辑e 的主机一设备信勘也主 机上的客户软件和设备提供的功能之间的通信是基于实际的应用需求以及设备所能提供的能 力的。主机 客户软件与设备功能之间透明通信的要求，决定了主 机和设备功能的潜在层次和它们的界面。 一、u s b 主机概述 u s b 主机的逻辑构成如图3 5 所示。 一个u s b 系统中只能有个u s b 主机，u s b 主机在 u s b 系统中处于中心地位，并且对u s b 及其连接的设备 有着特殊的责任。主机控制着所有对u s b 的访问，一个外 设只有在主机允许后才有权访问总线。主机同时也监测着 u s b 的结构。 臣芷嘲 l 客户软件 l 拓弦冱磅 二二 1u s b 系统软件陲冽 高s b 矗 i u 主机控制器k _ - i 实际数据流 年盈碰2 争逻辑数据流 图3 - 5u s b 主机鲐构 0 南京航空航天大学硕士学位论文 一个u s b 主机包括三层：u s b 主机控制器、u s b 系统软件( 包括u s b 驱动程序、主机 控制器驱动程序和主机软件) 和客户软件。 u s b 总线接口处理电气及协议层的互连。u s b 系统软 牛使用主机控制器来管理主机与 u s b 设备的数据传输。u s b 系统软件有三个主要组成部分：主机控制器驱动( h o s tc o n t r o l l e r d r i v e r ) 、u s bn 动( u s bd 矗蝴主机软僻h o s fs o l t w a r e ) 。图3 - 6 描述了主机的通信。 在这里，我们只关心u s b 驱动 ( u s b d ) 和客户软f 斗i 层。u s b d 以提 供i o 请求包( 1 or e q u e s tp a c k e t s ) 的形 式进行数据传输，即以某特定管道来 传输数据。另外，u s b d 为它的客户提 供了一个便于操纵和易于配置的抽象设 备。作为抽象设备的部分，u s b d 通 过缺省管道对设备进行标准控制，缺省 管道实现了u s b d 与抽象设备之间的逻 辑通信( 见图3 - 6 ) 。客户层描述的是直 接与u s b 设备进行交互所需的软件包。 当所有的设备都已匿燃统上时，这 些客户就可以直接i 歌汐 设进行通信。 一个客户不能直接访问设备硬件。 总而言之，u s b 主机可提供如下的 功能： 检测u s b 设备的连接与断开。 管理主机与设备之间的标准控制 信息流。 管理主机与设备之间的数据流。 收集某些状态及些活动的统计 信息。 控制主机控甫帽和u s b 设备之 间的电气接口，并为设备提供电源。 二、u s b 驱动( u s b d ) 主机 1 i r 互连 1 i r ( 管理界面) ： 一 嗣f 孺 管道组 ( 到某一接口) r = 二= ! 丝 二二= = = ! 焙 u s b n 动ji 主姆 i ( u s b d ) ll 塑堡 i 1主机控制器驱动 缺省管道 ( h c d ) ( 到端点0 ) f ( 管u s 理b s 管n 道) j 。一。1 1 1 。1 。+ 。 + i 硬件定义 i l 荔证u s b 电缆 定义 u s b 总线接口 l 霹选j 刚仁李 管道：代表瓶水平 层之间的抽象连接 内部通信过程 图3 - 6 主j 兀j 匝信 u s b d 提供了供操作系统组件尤其是设备驱动程序访问设备的一组接口，操作系统组件 只能通过u s b d 访问u s b 设备。u s b d 的具体实现是基于操作系统的，依据系统的要求， u s b d 可提供合适的功能和一定数量的接口。下面将以u s b d 的实现系统必须提供的基本功 能为中心展开讨论，对于某特定操作系统环境下的u s b d 细节请参考相关的操作系统手册。 现代化电子教学平台设计与实现 一一 个r u j s b d 可以访问一个或多个h c d ，而一个h c d 可能与一个或多个主机控制器相连，某 些操作系统可能允许对u s b d 的初始化进行一些设置。从客户角度来看，与客户进行通信的 u s b d 管理着所有连接的u s b 设备。 1 u s b d 概述 u s b d 客户直接命令设备或从管道输入输出数据流。u s b d 为客户提供两组软件机制： 命令机制和管道机制。命令机制允许客户配置和控制u s b d 操作，并允许客户对u s b 设备 进行配置币1 1 一般控制，命令胡制提供了对设备缺省管道的所有访问。管j 酋机制允许u s b d 客 户管理设备的特定数据和控帛抻 输，管道机制不允许客户直接访问设备的缺省管道。 图3 7 描述了u s b d 的结 构。 f 1 ) u s b d 初始化 具体的u s b d 初始化工作 是与操作系统有关的。当 u s b d 管理的u s b 系统初始 化时，u s b 的管理信息被创 建，包括缺省地址设备( d e 圳t a d d r e s sd e v i c e ) 及其缺省管 道。 当一个设备连接到u s b 总线上时，它响应特殊的缺省 地址直到总线枚举器分配给它 一个唯一的地址。为了能让 u s b 系统能与新的设备进行 通信，设备在刚连e 总线时， 缺省设备地址和设备的缺省管 叶 j 萍 嘧 藩豇 ( h u b ) ： 刮 曲 游 亦曾 寻l r 嘲港 苔 母 攀醇 一| 萋| 一 嘴摘 藩 滴 谴亦 跌 窿 威 辫 哺 墅 糍 ，7 一 l ，、 l管道接口i 命令接口 服务( s e r v i c e s ) u s b n 动( u s b d ) 介介 太乡之岁 主机控制器 主机控制器 驱动( h c d ) 驱动( h c i ) ) u s b 夕 u s b 主机控制器 主机控制器 六 图3 - 7u s b d 结构图 道必须能被集线器驱动所应用。在设备的初始化过程中，设备的缺省地址被替换为个唯一 的地址。 ( 2 ) u s b d 管道的使用 管道是设备端点与主机软件 口之间的逻辑连结方式，个管道仅由主机上的一个入口 所拥有。虽然管道的基本属性不因管道的拥有者而改变，但是在提供给u s b d 客户方面，两 类不同的管道之间却存在功能上的区别： 缺省管道( d e f a u l tp i p e ) ：他们由u s b d 拥有和管理。 其他管道( a l lo t h e rp i p e s ) ：它们由u s b d 客户拥有和管理。 虽然缺省管道经常用于完成一些通过命令机制传递的客户请求，但是它们不能由客户直 南京航空航天人学硕士学位论文 接访问。 u s b d 有义务分配并管理l 合当的缓冲区以支持对客户不可见的缺省管酋e 的数据传输， 比如配置设备地址等操作。对于客户可见的传输，比如发送厂商定义和有关设备类的命令， 或者读取设备的描述符，客户必须提供所需的数据缓冲区。 所有不被u s b d 拥有和管理的管道都可由一个u s b d 客户拥有和管理。从u s b d 的角 度来看，一个唯一的客户拥有这些管道，事实上却是一组在使用管道时有着同特征的相互 协作的客户管理这些管道。客户有义务根据它所能取得的服务间隙内的数据传输速率提供一 个足够大的数据缓冲区，额外的工作缓冲区由u s b 系统分配。 2 u s b d 命令机制需求 u s b d 命令柳席0 允许客户对设备进行般的访问。通常，这些命令允许客户以读写形式 访问某个设备的数据及控制部分。客户可以只提供设备的标识码及相关数据或空缓冲区指针。 u s b d 命令传输并不要求u s b 设备已被配置好，u s b d 提供的设备配置方式大部分使用命令 传输。下面是命令柳靠0 提供的具体功能。 ( 1 ) 接口状态控制 u s b d 客户必须能够为任何可配黄的管道设置特定的接口，配置新的接口状态会导致所 有该接口拥有的管道进入这一配置的状态。另外，该接口的所有管道都可以重新进行配置或 被废弃。 ( 2 ) 管道状态控制 u s b d 管道状态由两部分组成：主机状态和管道所反映的端口状态。管道状态总是可以 被报告的，它所包含的这两部分的值是确定的。u s b d 客户根据u s b d 的报告来管理管道状 态，对任何端点反映的管道状态，客户必须能够与端点交互以改变它状态。 一个u s b d 可以处于直1 1 下两个状态之一： 激活状态：管道已被配置好并能够传输数据。客户可以询问个特定的管道是否正在 处理i o 请求这类问题。个不在处理i o 请求的管道也可认为处于濑鼯状态，只要它能 接收新的i o 请求包。 挂起状态：管道出现错误。该状态也可能是设备上相应的挂起端口的状态反应。 只要设备已经被配置并且管道及相应端点没有停l 匕管道及相应端点就可认为是处于激 活状态，客户可以通过如下的四种方式来操纵管道状态。 废弃一个管道：立即中i t 正在等待该管道传输的所有i o 请求包并向客户返回一个指 明这些i o 请求包已被废弃的状态报告。废弃管道不会改变主机状态和相应的端点状态。 重新配置管道：中止管道的i o 请求包，使主机处于激活状态。如果相应的端点状态 需要改变，必须由u s b d 客户发送明确的命令。 清除挂起管道：使管道从挂起状态转移到激活状态。 挂起管道：管道被设置为挂起状态。 现代化电子教学平台设计与实现 一一 ( 3 1 获取描述码 u s b d 必须提供取得标准设备描述符、配置描述符、字符串描述符以及设备类或者厂商 定义描述符的机制。 ( 4 ) 取得当前配置参数 u s b d 必须提供返回任何特定设备的当前配置描述符的机制。 ( 5 ) 增加设备 u s b d 必须提供某种柳制以便于当增加新设备的时候，集线器驱动能通知u s b d 并能取 得该u s b 设备的u s b d 标识号。u s b d 的任务包括分配设备地址并为设备准备可用的缺省 管道。 ( 6 ) 断开设备 u s b d 必须提供某种机制以便当特定的设备断开时，集线器驱动能通知u s b d 。 ( 7 ) 状态管理 u s b d 必须提供某种秽1 制，以获取和清除设备或接口豉管道e 的与设备有关的状态。 ( 8 ) 发送设备类相关命令 u s b d 客户，尤其是特定类和自适应驱动器，使用u s b d 提供的该种柳制向设备发送一 个或多个设备类命令。 ( 9 ) 发送厂商相关命令 u s b d 客户使用u s b d 提供的该种机制向设备发送一个或多个厂商定义的命令。 ( 1 0 ) 确定备选设置( a l t e r n a t es e t t i n g s ) u s b d 必须提供某种机制以改变某特定接口的备选设置，这样，原来设置的管道句柄 被释放，并向接口返回新的管道句柄。为确保这一改变成功，接口必须空闲，即接口的任何 管道中都没有数据缓冲区队列。 ( 1 1 ) 确定个配置 配置软件通过个包含配置信息的缓冲区向u s b d 发送配置清求，u s b d 为该配置的每 一个端点请求资源，如果资源请求成功，u s b d 设置设备的配置并对所有处于激活状态的端 点返回与管道句柄相关的接口句柄，其缺省值可以被接口的所有备选设置使用。 ( 1 2 1 设置描述符 因为设备的支持，u s b d 允许更新已有的描述符和增加新的描述符。 3 u s b d 管道机制 u s b d 的管道机制使客户与设备之间进行高速的低附加信息的数据传输成为可能，数据 传输的高性能是通过将u s b d 的部分管道管理任务移交给客户来实现的，所以管道机制比 u s b d 命令机制所提供的数据传输服务更简捷。管j 萱棚制不允许访问设备的缺省管道。 只有在设备和u s b 配置都成功完成后，才能进行u s b d 管道传输。当设备进行配置时， u s b d 为谢蛳支持的所有设备管道请求资源。当特定的接口或管道空闲时，客户可以更 4 壹塞堕至堕鲞叁堂堡堂堡堡墨 改配置。 根据所支持的数据倒制型，u s b d 共有四种管彰型：同步数据恻俞管道( i s o c h r o n o u s d a t a l b n s 危r s ) 、中断传稍i 管道( i n t e r r u p t t 蝴) 、块传输管道( b u l k t r a n s f e r s ) 、控带啊专输 管道( c o n t r o lt r a n s f e r s ) 。 3 1 4u s b 设剖i 1 2 1 i 个u s b 设备可以分为三层，如图3 - 8 所示。 最底层是总线接口，用来躺羞与接收数据包。 中间层处理总线接1 3 与设备不同端点之间的数据路 由，一个端点是数据的提供者或最终使用者，可看作是数 据源或数据接收端。 最上层是由串行总线设备提供的功能，比如鼠标或 i s d n 接口。 一、u s b 设备状态 一个u s b 设备有若干种可能的状态，其中一些状态对 于u s b 和主机而言是可视的，而另外些状态对u s b 设 各来沈黾内置的、不可视的。表3 1 描述了可视的设备状态。 表3 i 可视的设撇 物理设备 土一钽盔互副 功能 重 一 仁硎u s b 逻辑设备 工： h u s b , 总线接口l _ 实际数据流 讧丑嘲逻辑数据流 图3 - 8u s b 设备结构 连接上电 缺省编址配置挂起 说明 设备尚未连接到u s b 上。 不 其他俐生 郭批晴意沁 设备邑蝴0u s b 上，但没有上电。 是不 其他特性暂时没有意义。 设备已连接到u s b 上，并给它e 电。 是是 不 但尚未复位。 设备连接到u s b 上，已上电，并完成复位，但尚 是是是 不 未分配地址，设备以缺省地址响应。 设备连接到u s b 上，已上电，并完成复位，且分 是是是是 不 配了唯_ 赶叻l 但尚未配置。 设备连接到u s b 上，己上电，并完成复1 1 i ) = ，且分 是是 是是是不配了唯地址，也已完成配置目没有挂起。主机现 在可以使用该设备提供的功能。 设翻搬到u s b 上，已上屯但在至少3 m s 内检 测不到总线活动，自动挂起。虽然设备可能分配了 是是是 唯地址并配置为可用，但由于处于挂起状态，主 机不能使用设备功能。 二、通用u s b 设备操作 所有的u s b 设备支持_ 组通用的操作，下面将沛表些操作进行简要的描述。 现代化电子教学平台设计与实现 1动态连接与断开 u s b 设备必须允许随时连接和断开，提供连接点或端口的集线器应当负责报告任何端口 状态改变的情况。 当主机检测到连接操作后，会使能睡接该设备的集线器端1 3 ，设备也会因此而复位，一 个复位后的u s b 设备有如下特性：响应缺省的u s b 地址、没有被配置、初始状态不是挂起 的。当设备从个集线器端口移走时，集线器会失能倒封亥设备的集线器端口，并通知毛机 设备已经移走。 2 地址分配 当u s b 设备连接以后，主机负责给该设备分配个唯一的地址，这个操作是在设备复位 以及与该设备相连的集线器端口使能以后进行的。 3 配置 u s b 设备在正常使用前必须进行配置，主机负责配置个u s b 设备。主柳逋常从u s b 设备获取配置信息以判定i 比设备所具有的功能。 4 数据传送 数据可以以四种传输方式中的种在一