（电路与系统专业论文）基于ata的usb20控制器设计.pdf

y6 5 2 3 8 3 摘要 u s b 2 .0技术是一种高速的 通用串 行总线技术。它通过星型链接组成最多拥 有1 2 7 台设备的u s b通信网 络。 u s b 2 .0 技术支持批处理、 中断、 同步和控制传 输四 种 传 输 模 式， 并 提 供 最高4 8 0 m b p : 的 数 据 传 输速 率。 u s b i 0 技术 可以 对各 种外设进行灵活的支持， 本文针对应用于a t a设备的u s b 2 .0 技术， 提出了优化 了 大批量数据传输技术的设计解决方案。 本文首先介绍了u s b i 0系统的架构定义。并分析了u s b 2 .0 传输的通信模 型、 数据传输原理以及四种传输模式。 我们同时给出了u s b 2 .0 数据传输包的格 式、分类以 及 u s b设备 端的工作定义，并在这些介绍的基础上给出了u s b 2 .0 控制器的总体设计架构。 由于我们的设计是基于 a t a的u s b i 0 控制器， 所以在本文中，我们分别对 u s b 2 .0 控制器的设计和u s b到a t a的接口设计加以论述。 我们在u s b 2 .0 控制 器的设计中具体讨论了u t mi 、 数据包处理等模块的设计， 并对控制器的功能实 现做出综合论述。 同时我们在 u s b到 a t a的接口设计中给出了我们所支持的三 种a t a传输模式的定义，并给出了整个接口设计的总体架构。 作为一个软硬件结合的设计， u s b 2 .0 控制器的f i r m w a r e 设计和优化极大的 影响着系统的总体性能。在本文中，我们给出了f i r m w a r e 的具体实现的功能和 工作流程，并就它的优化进行了讨论。 本文涉及到的设计己经作为一个完整的 i p核使用进入到其它开发设计中， 对此我们在文章的最后给出了整个系统测试环境和主要的测试结果。 关键词:u s b 2 .0 控制器 a t a接口设计 分类号二 t n 4 5 ,t n 9 1 ab s t r a c t t h e u s b 2 .0 i s a u n i v e r s a l s e r i a l b u s t e c h n o l o g y i n h i g h s p e e d . i t c a n s u p p o rt a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m w i t h u p t o 1 2 7 d e v i c e s v i a a t ie r e d s t a r t o p o lo g y . i n g e n e r a l , t h e u s b 2 .0 t e c h n o l o g y t r a n s f e r s d a t a b y f o u r t r a n s f e r t y p e s -b u l k , i s o c h r o n o u s , i n t e r r u p t a n d c o n t r o l . t h e m a x i m u m t r a n s f e r s p e e d c a n b e 4 8 0 m b p s . t h e u s b 2 .0 t e c h n o l o g y c a n s u p p o rt a l l k i n d s o f a p p l i c a t i o n s fl e x i b l y , in t h i s p a p e r w e w i l l h a v e a d i s c u s s i o n m a i n l y f o c u s o n t h e d e s i g n o f a u s b 2 . 0 c o n t r o l le r f o r a t a d e v i c e a n d g i v e a s o lu t i o n o f it w i t h o p t i m i z i n g i n b u l k t r a n s f e r . t h i s p a p e r f ir s t g i v e s t h e d e f i n i t i o n o f b u s t o p o l o g y i n t h e u s b 2 . 0 t e c h n o l o g y , a n d th e n d i s c u s s e s t h e t r a n s m i s s i o n p r i n c ip l e , m o d e l a n d a l l t h e f o u r t r a n s f e r t y p e . w e a l s o g i v e t h e t r a n s f e r p a c k e t d e f i n i t i o n a n d f o r m a t , a n d t h e b e h a v i o r s o f t h e u s b 2 .0 d e v i c e . b a s e d o n a l l t h i s s p e c i f i c a t i o n , t h e s t r u c t u r e o f t h e u s b 2 .0 c o n t r o l l e r i s d e s c r i b e d b e c a u s e o u r d e s i g n i s a u s b 2 . 0 c o n t r o l l e r f o r a t a d e v i c e , w e d i s c u s s t h e w h o l e d e s i g n i n t h i s p a p e r w i t h t w o p a rt s , t h e d e s i g n o f u s b 2 .0 c o n t r o l l e r a n d t h e i n t e r f a c e b e t w e e n u s b a n d a t a d e v i c e . w e d e s c r i b e t h e u t mi , p a c k e t e n g i n e a n d o t h e r m o d u l e s in u s b 2 . 0 c o n t r o l l e r d e s i g n f i r s t , a n d t h e n d i s c u s s t h e i r b e h a v i o r s in s o m e d e t a i l . w e a l s o g i v e t h e t h r e e s u p p o rt e d a t a t r a n s f e r s t y l e s i n t h e d e s i g n o f t h e i n t e r f a c e b e t w e e n u s b a n d a t a d e v i c e , a n d g i v e t h e t o t a l a r c h i t e c t u r e o f t h e i n t e r f a c e d e s i g n . a s a d e s i g n w i t h b o t h h a r d w a r e a n d t h e e f f i c i e n c y o f t h e w h o l e d e s i g n i n t h e s o ft w a r e , t h e d e s i g n o f f i r m w a r e w i l l a f f e c t u s b 2 . 0 c o n t r o l l e r . i n t h i s p a p e r w e t h e ma i n fi r mwa r e f u n c t i o n s a n d p r o c e s s i n g fl o w s o f t h e f i r m w a r e , t h e o p t i m i z a t i o n i s a l s o d e s c r i b e d . d i s c u s s o f t h e t h e d e s i g n i n t h i s p a p e r n o w w o r k s as a i p c o r e i n o t h e r a s i c d e s i g n s , s o w e w i l l g i v e t h e t e s t c i r c u ms t a n c e a n d r e s u l t s i n t h e e n d . k e y w o r d s : u s b 2 .o c o n t r o l l e r , i n t e r f a c e 第一章 u s b 2 . 0简介 1 . 1引言 1 9 8 3年初，美国著名的 时代周刊在介绍上年度风云人物时写到: “ 在一 年的新闻里， 这个最吸引人的话题， 它代表着一种进程， 一种持续发展并被广泛 接收和欢迎的进程。 这就是为什么 时代 在风云激荡的当今世界中选择了这么 一位风云人物， 但这完全不是一个人， 而是一台机器。 ” 这台机器就是i b m公司 于 1 9 8 1 年 8 月 1 2日在纽约宣布的i b m p c 5 1 5 0 ，它宣告着计算机历史由此进入 了 个人电 脑的新纪元。 1 9 8 2 年1 1 月， 康柏 ( c o m p a q ) 电 脑公司推出 第一台“ 可 以提着走的电脑” 便携式 p c机 p o rt a b l e 。紧接着而来的，是各个硬件厂商 纷纷开始了i b m p c兼容机的制造， 个人电脑开始大量走进学校、机关、工厂、 商店，走进了千百万家庭。而在进入9 0 年代后，随着网络开始蔓延到全世界的 各个角落，个人p c更是由先前的运算工具、办公助手、娱乐中心开始逐步延伸 成为人们交流获取信息的重要平台， 成为人们娱乐、 生活、 交流所必不可少的重 要一环。 然而近年来， 随着多媒体设备和移动数据外设的普及，一个越来越迫切的问 题开始摆放在了人们的面前o p c 外部设备的生产厂商所采用的接口标准不一 各 种接口 标准造就了数据传输效率的极端低下， 也大大增加了不必要的硬件接口开 销。对此，设备接口的统一化， 尤其是一个统一的高速串行接口标准成为设备间 数据交流越来越重要的一个要求。 u s b通用串行总线( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ) 就是由众多计算机厂商和电讯厂 商共同开发的用于计算机外设连通到计算机的高速串行接口规范。它是由 工 n t e l , n e c , c o m p a q , d e c 、工 b m , m i c r o s o f t , n o r t h e r n t e l e c o m 等公司在 1 9 9 4 年联合制定的，用来解决安装计算机外设时遇到的种种技术性问题，并且符合 m i c r o s o f t的即插即用规范。1 9 9 9 年底，u s b 2 . 0 推出了速度草案，它的最高速 度将达到4 8 0 m b p s / s 。 极大地扩展了u s b 输入输出的带宽， 提高了 外设的性能， 并且不用再担心多个设备连接到u s b 端口上会有瓶颈制约。 u s b 通过一个4 针的标准插头，采用星型链接把所有的外设连接起来，理论 七u s b 可以挂接 1 2 7 台设备。u s b 设备有许多便捷的优点，首先，u s b 设备不会 有工 r q 冲突的问题， 因为它会单独使用自己的保留中断， 所以不会使用电脑有限 的资源。同时，u s b 设备不再需要有单独的供电系统，从而不像使用串口等其它 的设备那样需要一个独立电源。 而且u s b 接口内置了电源， 可以向 低压设备提供 5 v 的电压。 此外， u s b 设备提供各种多媒体功能， 支持u s b 的声卡和音箱可以更 好地减少噪声、 目 前，u s b凭借着其通用性、可靠性、易用性以及众多大的软硬件厂商的大 力支持，占据了 p c外部高速串行接口的大部分市场。并且，u s b 协议组织还不 断根据新的市场要求， 推出 更高速率、 更灵活可靠的u s b 适用协议。 1 . 2 u s b技术的基本介绍 1 . 2 . 1 u s b 器件的硬件构成 u s b 系统的硬件部分一般由3 个部分组成: u s b 主机控制器、 u s b 集线器、 u s b 设备。 主机 ( h o s t ) 实际上就是u s b 连接的拓扑中心， 是所有计算机u s b 设备的 集合点。 具有h o s t 功能的硬件叫做u s b 主控器( u s b h o s t c o n t r o l l e r ) ， 一般集 成在主板的南桥或者u s b附加设备上。集线器( h u b ) 允许u s b 设备共享一个u s b 主控器( u s b h o s t c o n t r o l l e r ) 。计算机后面板上的 h u b被称为根集线器( r o o t h u b ) ， 另外扩展u s b 集线器( e x t e r n a l u s b h u b s ) 能够让计算机连接更多外设。设 备是u s b 系统的功能( f u n c t i o n ) 终端， 就是所谓的u s b 外设。 每一个 u s b 器件都 提供一种功能一当然，多功能u s b 设备也就能提供多种功能了。 . 2 . zu s b 器件的系统结构 整个u s b 系统按工作任务可以分为五个部分: 控制器、 控制器驱动程序、 u s b 芯片驱动程序、 u s b 设备和u s b 设备驱动程序。 其中控制器接收和执行由系统向 u s b 发出的各种命令。 控制器驱动程序向控制器发送各种命令和向系统回馈各种 信息。 u s b 芯片驱动程序使操作系统能够对u s b 进行支持。 u s b 设备是各种与p c 的u s b 接口 相连的提供各种服务的终端。 而u s b 设备驱动程序则是使操作系统驱 动u s b 设备的程序。 1 . 2 . 3 u s b 器件的传输方式 u s b 共有四种传输方式，分别是; 同步传输方式: 该方式可以用于对时间非常敏感的需要连续传输数据并且对 数据正确性要求不高的u s b 设备 ( 麦克风、音箱等)。当传输时发生错误，o s b 并不会处理这些错误，而是继续传送数据。 中断传输方式: 该方式可以用于传送数据量小但需要实时处理数据的u s b 设 备 ( 键盘、鼠标等)。传输时可以实时处理错误。 批处理传输方式:该方式可以用于传输数据时要求正确无误的u s b 设备 ( 打 印机、扫描仪等)。当传输时发生错误，u s b 会重新发送正确的数据。 控制传输方式 该方式可以用于处理系统到u s b 设备的数据传送。 u s b 设备接 收到这些数据后，会以先进先出的原则处理数据 2 . 4 u s b 器件的连接速度 u s b 2 . 0 器件主要支持三种速度模式 高速模式:在高速模式下， u s b 的数据传输速度最高可达4 8 0 m b p s e 全速模式: 在全速模式下， u s b 的数据传输速度可达1 2 m b p s o 低速模式:在低速模式下，u s b 协议提供1 . 5 m b p s 的传输速率。 土 . 25u s b 器件的供电方式 u s b设计的初衷就是简单、易用。所以整合了电源线和数据线。其中两根芯 线用于提供电力，另外两根芯线用于数据通讯。 u s b 供电模式有两种:高电压模 式( l 0 0 m a u s b 外设所需电流 5 0 0 m a ) 和低电压模式( u s b 外设所需电流 5 0 0 m a的电源时( 这是 u s b能提供的最大电流) 就需要外接 电源了一这类设备称为自 供电设备。 扬声器、 可移动存储设备一般都属于这个类 别。 2 . 6 u s b 1 . 1 和 u s b 2 . 0 目 前， u s b 的规格主要有v 1 . 1 和v 2 . 0 。二者相比， u s b 2 . 0 除了拥有u s b 1 . 1 中规定的1 . 5 m b p s 和1 2 m b p s 两个传输模式以 外，还增加了4 8 0 m b p s 高速数据传 输模式( 注: 第二版u s b 2 . 0 的传输速率将达8 0 0 m b p s ， 最高理想值1 6 0 0 m b p s ) 。 虽然u s 13 2 . 0的传输速度大大提升了， 但其工作原理和模式是完全与u s b 1 . 1 一样 的， 而提高到4 8 0 m b p s 的 传输速度的最关键技术就是提高单位传输速率: u s b 1 . 1 的单位数据传输时间是 1 毫秒，而u s b 2 . 0 的单位数据传输时间则达到了1 2 5 微 秒。 u s b 2 . 0采用向下兼容设计， u s b 2 . 0中的 “ 增强主机控制器接口”( e h c i ) 定 义了一 个与u s b 1 . 1 相兼容的架构，采用了一组通讯协议的延伸技术与针对连结 端口研发的全新硬件组件: 传输转译器。 传输转译器的缓冲存储器， 可以利用全 速与低速传输装置进行存取， 直接与连结埠进行连结传输。 这样它可以用u s b 2 . 0 的驱动程序驱动 u s b 1 . 1设备来实现向下兼容功能。不过 u s b 2 . 0 h u b并不像 u s b 1 . i h u b 那样可以直接利用1 2 m b p s 的传输速率来进行数据传输，这里要经过 识别、 转换过程:即u s b 2 . 0 h u b 首先辨别所插入的u s b 设备具体是u s b 1 . i 还是 u s b 2 . 0 ，如果使用的是u s b 1 . 1 设备，则要将u s b 2 . 0 的4 8 0 m b p s 转换成u s b 1 . 1 的 1 2 m b p s o 1 . 3通用串口的比较 u s b接口作为一种易用的高速串行接口，目 前在市场上有着非常广泛的应 用。 但是， 还是有一种接口技术和它在激烈的竞争着通用串行接口市场， 这种技 术就是a p p l e 公司推出的i e e e 1 3 9 4 接口 技术。 i e e e 1 3 9 4接口 技术是a p p le公司于1 9 8 7 年在s c s i 接口的 基础上推出 的一种高速串行总线技术 i e e e 1 3 9 4采用菊花链式配置，也允许采用树形结构配置，不过仍是以线性 连接菊花链组成树形结构的各种线性分支。工 e e e 1 3 9 4 总线也需要一个主适配器 和系统总线相连。 与u s b 不同的是，i e e e 1 3 9 4 标准接口结构的所有资源都是 以统一存储编址形式， 并用存储变换方式识别， 实现资源配置和管理。 因此从这 种意义上来说，i e e e 1 3 9 4 可以看做等同于p c i 总线的总线体系结构。 目 前 i e e e 1 3 9 4只有两种规格。一种是 i e e e 1 3 9 4 a ，是目 前的主流规格， 主要支持两种模式 b a c k p l a n e 模式和c a b l e 模式， 其中b a c k p l a n e 模式只支 持1 2 . 5 m b p s , 2 5 . 5 m b p s 或5 0 m b p : 的传输速率， 而c a b l e 模式则提供了 我们需要 的1 0 0 m b p s , 2 0 0 m b p s 和4 0 0 m b p s 。 不过， i e e e 1 3 9 4 的 传输 速度是 遵守从 低原 则: 由于其在同一网络里数据可以使用不同的速率进行交换， 但如果两个传输速率为 4 0 0 m b p s 的设备中间加入了一个2 0 0 m b p s 的设 备， 数据的 传输速度则会以2 0 0 m b p s 为准。 另一种是 i e e e 1 3 9 4 b ， 这是为下一代 p c 所制定的标准， 它将由i e e e 1 3 9 4 a 的4 0 0 m b p s 直接扩大到8 0 0 m b p s 和1 6 0 0 m b p s ，如果使用光纤的 话， 最高传输速 率提高到了3 . 2 g b p s 。此外与i e e e 1 3 9 4 a 相比，i e e e 1 3 9 4 b 使用连接距离达到 1 0 0 米。 工 e e e 1 3 9 4的缺点主要表现于两个方面:第一，应用少。现在支持 i e e e 1 3 9 4 的设备也不太多，只有一些数码相机与 m p 3等一些使用高带宽的设备使用 i e e e 1 3 9 4 。其它的设备其实也用不了那么高的带宽。 第二，占 用高。t e e e 1 3 9 4 总线需要占用大量的资源，所以需要高速度的c p u . u s a 和i e e e 1 3 9 4 相t 匕 ，主要有以 下方面的区别 8 两者的传输速率不同。u s b的传输速率最高为4 8 0 m b p s / s ， 而 工 e e e 1 3 9 4的速 率目 前可达8 0 0 m b p s / s o 两者的结构不同。u s b在连接时必须至少有一台电脑，并且必须需要 h u b来 实现互连，整个网络中最多可连接 1 2 7台设备。i e e e 工 3 9 4并不需要电脑来控制 所有设备，也不需要 h u b ，但是和电脑对接的时候它需要额外加一块 1 3 9 4卡 理论上，工 巨 e e 1 3 9 4 可以实现无限链接。 两者的智能化不同。工 e e e 1 3 9 4 网络可以在其设备进行增减时自 动重设网络。 u s b 是以h u b 来判断连接设备的增减了。 两者的应用程度不同 现在 u s b已经被广泛应用于各个方面，几乎每台 p c 主板都设置了u s b 接口，u s b 2 . 0 还会进一步加大u s b 应用的范围。i e e e 1 3 9 4 现 在只被应用于音频、视频等多媒体方面。 1 .4 基于a t a的u s b 2 . 0 控制器的设计重点 我们在论文中将要述及的设计， 是一块基于a t a的u s b 2 .0 控制器。之所以 设计这块芯片，主要基于以下的考虑。 首先，从应用上讲，虽然 i e e e 1 3 9 4技术上更先进，但是目前世界上消费电 子类产品刁 是主流， 而i e e e 1 3 9 4的硬件成本高， 应用范围窄， 技术支持不充分， 这些缺点都不符合消费类电子产品普及所要求的低成本， 易用性和适用广的发展 要求。 其次， 从u s b 2 .0 技术发展本身角度来讲， 虽然目 前市场上u s b产品种类繁 多， 但是由于市场的多样性和 u s b技术本身的灵活性。各类针对具体消费电子 领域的产品还有很大的开发空间，尤其在国内，u s b 2 .0产品在各类应用中，还 完全没有发挥出它的高速优势。 因此， 我们开发了一块基于a t a接口 的， 主要用于移动硬盘的u s b 2 .0 控制 器，其设计的重点主要是利用u s b 2 . 0 灵活的数据传输方式，实现传输带宽的有 效利用和数据的高速传输，并且完全兼容其它u s b 2 .0 的产品。 论文安排如下:第二章主要系统的论述 u s b 2 .0协议。第三章给出芯片的系 统框架和设计思路。 第四章将具体讲述整块控制芯片的构成和工作原理。 和a t a 的接口电路以及相关的f i r m w a r e我们将在第五章给予讨论。最后，我们将在第 六章给出本设计的测试结果， 并在第七章对整个芯片的设计给出结论并对前景做 一个展望。 第二 章u s b 2 . 0 协议 在这一章里，我们将讨论一个 u s b系统是如何构建并且实现通信的。同时 我们将详细论述设计中相关的协议部分， 并在最后给出主机端软硬件工作原理的 基本介绍。 2 . 1 u s b 2 . 0 系统的构成 如同我们在第一章提到的， u s b设备在各个领域有着广泛的应用。 作为一个 通用的高速串行接口， 首先要求做到的就是成为一个可以拓展的网络。 因此， 我 们首先需要了解一个完整的u s 日系统是如何构成的。 2 . 1 . 1 u s b 2 . 0 系统的物理拓扑结构 一 个完整的 u s b系统的物理实现主要由主机，集线器和设备三部分组成。 ( 1 ) 主机( h o s t ) 主机简单的来说 就是一个 u s b系统的组建者和通信的控制协调中枢。它 不仅占有特殊的物理位置， 而且对于u s b 以及连到u s b 上的设备来说， 还负 有特殊责任。主机控制所有的对 u s b 的访问。 一个 u s b 设备想要访问总线必 须由主机给予它使用权。主机还负责监督u s b 的拓朴结构。 ( 2 ) 集线器 ( h u b ) 集线器是一类特殊的u s b设备，它是一组u s b的连接点，主机中有一 个被嵌入的h u b 叫 根h u b ( r o o t h u b ) 。主 机通过根h u b 提供若干个连接点。 为了防止环状连接，采用星形连接来体现层次性，如图 2 一 工 。这种连接的形 状很像一棵树。 ( 3 ) 设备 ( d e v ic e ) 用于提供具体功能的设备叫应用设备。许多不同功能的设备也可以放在 一起看作是一个带复合功能的设备。 例如， 键盘和轨迹球可以被视作一个整 体。 在复合设备的内部， 提供具体功能的设备被永久地接到h u b 上， 而这个 h u b 被接到u s b 上。所有这些设备及这个h u b 被看作一个复合设备，而这个 h u b又被看作这个复合设备的内部 h u b 。在主机看来，这个复合设备和一个 带着若干设备的单独h u b 是一样的。 作系统和各类 d r i v e r 来完成。而设备端的实现则取决于 u s b设备的具体应用。 我们的基于a t 、 的u s b 2 .0 控制器，所要提供的就是主机软件和实用的a l 、 设 备( 主要是移动硬盘) 间的 通信服务。具体的说， 就是完成设备端 u s b总线接口 层和u s b设备层的各项工作。 在这样一个通信协议架构下，要讨论一个主机到设备的通信，我们需要了解 三个方面的事。 第一，系统的数据是通过什么方式进行传输的; 第二， 传输数据 的数据包是如何构成和工作的; 第三， 系统需要做哪些工作来保证完成前两点的 准备和正常运行工作。 我们接下来将逐个讨论这三点工作相关的协议。 其中，山 于我们要做的是一个基于 a t a的设备端的 u s b 2 . 0控制器，因此第三点我们将 着重讨论设备端的系统工作， 主机端的系统工作我们将只在本章的最后加一个简 要的说明。 2 . 2 . 1 u s 日 2 . 0的数据传输模型 u s b 是为主机软件和它的u s b 应用设备间的通信服务的，对主机与应用间不 同的交互，u s b 设备对数据流有不同的要求。u s b 为此提供了更好的全局性的总 线服务， 它允许各种不同的数据流相互独立地进入一个u s b 设备。 每种通信流都 采取了某种总线访问方法来完成主机上的软件与设备之间的通信。 每个通信都在 设备上的某个端点结束。 不同设备的不同端点用于区分不同的通信流。 如下图所 不 土机 客户软件 接 口 1 图2 . 6 u s b数据通信简图 在图中， 一个 u s b 逻辑设备对 u s b 系统来说就是一个端点集合。不同的端点 集合可以实现的不同的接口。u s b系统软件通过一个缺省的控制通道来管理设 备。 而设备端软件用管道( p i p e ) 来管理接口。 管道的一端为端点， 一端为缓冲区。 设备端软件要求通信数据在主机上的一个缓冲和 u s b设备上的一个端点之间进 行。而主机控制器或u s b 设备( 取决于数据传送方向) 将数据打包后在u s b 上传， 并由主机控制器( h c ) 协调何时用总线访问在 u s b 上传递数据。 主机上的软件通过 一系列的通信流与逻辑设备进行通信。 整个通信如何选择通信流的传输方式， 要由u s b 设备的软件和硬件设计者通 过考虑什么样的u s b 传输特性能符合传输要求来决定。 关于端点，管道的概念我们还会在下面详细述及。 2 .2 . 1 . 1 u s b 2 . 0的数据传输 u s b 2 . 0系统要进行数据传输，首先必须定义好通信传输模型的传输通道和 传输方式。因此，我们有必要先详细介绍一下u s b数据传输的端点，管道和帧 传输的概念。 2 .2 . 1 . 1 . 1设备端点( d e v ic e e n d p o in t ) 一个端点是一个可唯一识别的 u s b设备的端口，它是主机与设备间通信流 的一个结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了u s b逻辑设备。每个逻辑 设备有一个唯一的地址， 这个地址是在设备连上主机时，由主机分配的， 而设备 中的每个端点在设备内部有唯一的端点号。这个端点号是在设备设计时被给定 的。 每个端点都是一个简单的连接点， 或者支持数据流进设备， 或者支持其流出 设备，除了 控制端点0 外，其它端点都只能支持一个。 所有u s b设备都需要实现一个缺省的控制方法。这种方法将端点0作为输 入端点，同时也将端点 0作为输出端点。u s b系统用这个缺省方法初始化及一 般地使用逻辑设备( 即设置此设备) 。 设备可以 有除0 以外的其它端点， 这取决于这些设备的实现。 除缺省控制通 道的缺省端点外， 其它端点只有在设备被设置后才可使用， 对设备的设置是设备 设置过程的一部分。它们在被设置前处于未知状态，是不能被主机访问的。 2 . 2 . 1 . 1 . 2管道 ( p ip e ) 一个u s b 管道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系。 它体现了主机 上缓存和端点间传送数据的能力。 管道按数据有无u s b 格式定义一般可以分为流管道和消息管道两种。 流( s t r e a m ) : 指不具有u s b 定义的格式的数据流，主要是用来进行一般的数 据传输。 消息( m e s s a g e ) :指具有某种u s b 定义的格式的数据流，一般u s b 系统主要 用它来控制u s b 的通信。 2 .2 . 1 . 1 . 3 u s b的数据通信方式- 一 帧和微帧 ( f r a m e a n d m ic r o f r a m e ) 如我们前面所说， u s b通信是按照不同的信息流来规划的。 也就是说， u s b 系统的数据传输是多个事务同时进行的。对于这样一个实时的通信管理要求， u s b协议采用的是时分复用的传输技术。具体如下图 ify , irarm eim !一 tmnsecfim tmnsedvn- 1p 1-1 7.2 irp 2 tmnsmtim ! tramndim tmnsaciim2_0 2.7 2.2 醚 、醚 阮 图2 . 7 u s b传输要求的实现 u s b协议在主机端先将不同的传输要求( i r p ) 分为不同的事务( t r a n s a c t io n ) 组合， 然后将传输的时间分成多个时隙， 并将不同传输要求的事务分批放在各个 时隙里，并在最后把一个时隙中要传输的数据整合成待发送的u s b数据包，通 过u s 日总线发给u s b的设备端。 我们在第一章提到过， u s b 2 . 0的数据传输要 求支持低速， 全速和高速三种模式。 我们在低速和全速的传输模式中定义时隙为 1 m s ，并把在这 1 m s 时间里所要传输的数据包称为 1 帧数据。在高速模式下， 时隙的大小定为1 2 5 u s ， 同样的， 我们把这1 2 5 u s 时间中要传输的数据包称为1 微帧数据。关于事务的具体定义我们会在2 . 2 . 2 .2 中详细论述。 2 .2， . 2传输方式 根据u s b数据传输的不同要求，u s b 协议定义了四种传输方式，如下图。 a l b i m n z b ma m .叮 军 -a d a f a n加 m tr a n s x西 刁 目 .户 n旧p 。n耳 口 仗 巨 wma 叮 n 1 d 旧 t r av f e m a mn t a d n ado r i a a n out 翻 甲nn ， 民 自n m l o w c d b y = in b o u t忽 o p p o s m rf j a m d im cfv i9 1a is ira w d in . 加 m m n 甲i t a n 由r 吐 卜 -i n 1 ou r u a m 自 刀. 曰翻二 n 二 门 二 与 .二 b -如 肠 池 们 .了 m. m n out r 目，七 an . 亩 1 ， 日n l k下r a n s f o r j 几 亡 目1 民廿日n口 留 匕 日口 mr m r o in 1 ou r d a t a . 旧 1 团dt 图2 . 8 u s b 通信的传输方式 2 . 2 . 1 . 2 . 1批处理传输模式 ( b u lk t r a n s f e r ) 批传输处理模式处理的是非周期性的， 大批量的可靠的传送。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。批传送有以下几点特性: 可以获得带宽访问总线。 如果总线出现错误，传送失败，可进行重发。 可以保证数据必被传送，但不保证传送的带宽和延迟。 只当有可获得的带宽时， 批处理传输才会发生。 如果u s b 有较多的空闲带宽， 则批传送发生地相对频繁， 如果空闲带宽较少， 可能有很长时间没有批传送发生。 2 . 2 . 1 . 2 . 2同步传输模式 ( is o c h r o n iz e t r a n s f e r ) 同步传输模式用于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口 在非u s b 的环境下，同步传送意味着恒定速率、 错误容忍( e r r o r - t o l e r a n t ) 的传送。在u s b 环境下，要求同步传送能提供以下几点: 固定的延迟下，确保对u s b 带宽的访问。 只要数据能提供得上，就能保证通道上的恒定数据传送速度。 如果由于错误而造成传送失败，并不重传数据。 2 .2 . 1 . 2 . 3 中断传输 ( i n t e r r u p t t r a n s f e r ) 中断传输模式用于小规模数据的、 低速的、固定延迟的传送。中断传送是为 这样一类设备设计的， 它们只传或收少量数据， 而且并不经常进行传送， 但它们 有 一 个确定的服务周期，对中断传送有以下要求: 通道的最大服务期得到保证。 由于错误而引起的重发在下一服务期进行。 2 . 2 . 1 . 2 . 4控制传输 ( c o n t r o l t r a n s f e r ) 控制传输模式用于可靠的、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。控制传送允许访问一个设备的不同部分。 控制传送用于支持在客户软件和它的应用之间的关于设置信息、 命令信息、 状态 信息的传送。控制传送由以 下几个事务组成:( 1 ) 建立联系， 把请求信息从主机 传到它的 应用设备; ( 2 ) 零个或多个数据传送事务， 按照 ( 1 ) 事务中 指明的方向 传送数据; ( 3 ) 状态信息回传。将状态信息从应用设备传到主机。当端点成功地 完成了 被要求的操作时，回传的 状态信息为“ s u c c e s s u s b设备必须实现缺省控制通道，并将它实现成一个消息通道。这个通道由 u s b 系统软件使用。 u s b 设备的确认信息、 状态信息以及控制信息由该通道传送。 如果需要的话，一个应用设备可以为端点实现额外的控制通道。 2 .2 . 1 . 3 u s b 2 . 0的高速传输 u s b 2 . 0 系统针对u s b 1 . ， 系统的 最大改进， 就在于引 入了4 8 0 m b p s / s 的高 速传输模式。 由于数据传输高速的特性， 因此必然的对端点和数据传输事务提出 了更多的要求。有关 u s 日 2 .0高速传输模式的实现我们会在第四章做具体的论 述。 2 . 2 . 2 u s 日 2 .0 传输数据包和事务 在前一节里， 我们讨论了u s b 系统进行数据传输的各项基本工作。 但是对于 我们的具体设计来说，要实现的是对从u s b 数据总线上读取到的u s b 数据包进 行解析和反馈。 因此， 我们需要了解u s b 底层的传输数据包和事务是如何实现具 体的u s b 通信要求的。 2 . 2 . 2 . 1 u s 13 2 . 0 传输数据包( p a c k e t ) u s b 数据通信的实现，是由主机端软件将传输要求分割成不同的事务完成 的，而u s b 的传输数据包 ( p a c k e t ) ，就是传输事务的最基本的组成部分。 每个传输数据包的发送都是以同步字段 ( s y n c)开始的，同步字段是产生 最大的 边缘转换密度 ( e d g e t r a n s it io n d e n s it y )的编码序列。同步字段作为空 闲状态出现在总线上，后面跟着以n r z i 编码的二进制串 “ k j k j k j k k 。 在完成数据同步以后，传输数据包依次提供包标识符字段 ( p i d )，地址字 段( a d d r e s s ) ， 帧号字段( f r a m e ) ，数据字段( d a t a ) 以 及相关的 c r c 校验。 p i d 是每个传输数据包的定义，具体分类如表2 - 1 0 p i d t y p e p id n a m e p id d e s c r ip tio n 飞 o k e n out i n s) f se丁up 0 0 01 b 1 0 01 6 0 1 01 日 1 1 01 b a d d r e s s -e n d p o i n t n u mb e r i n h o s t - t o - f u n c t io n t r a n s a c t i o n a d d r e s s -e n d p o in t n u mb e r i n f u n c t i o n - t o - h o s t t r a n s a c t i o n s t a r t - o f - f r a me ma r k e r a n d f r a me n u mb e r a d d r e s s -e n d p o in t n u mb e r i n h o s t - t o- f u n c t i o n t r a n s a c t i o n f o r s e t u p t o a c o n t rol p i p e da t a dat ao dat a1 dat a2 m口八丁a 0 01 1 8 1 01 1 b 0 11 1 日 1 11 1 b d a t a p a c k e t p i d e v e n d a t a p a c k e t p i d o d d d a t a p a c k e t p i d h i g h - s p e e d , h i g h b a n d w i d t h is o c h ron o u s t r a n s a c t i o n i n a mi c r a f r a me ( s e e s e c t io n 5 . 9 . 2 f o r mo r e i n f o r ma t io n ) d a ta p a c k e t p i d h i g h - s p e e d f o r s p l it a n d h i g h b a n d w id t h i s a c h ron o u s t r a n s a c t i o n s ( s e e s e c t i o n s 5 .9 . 2 , 1 1 .2 0 , a n d 1 1 . 2 1 f o r mo r e i n f o r ma t i o n ) han d s h ak e ack nak s tal l n丫e丁 0 01 0 8 1 01 0 8 ， ，1 0 日 o li o 日 r e c e i v e r a c c e p ts e r r o r - f r e e d a t a p a c k e t r e c e i v i n g d e v ic e c a n n o t a c c e p t d a t a o r t r a n s m i tt i n g d e v i c e c a n n o t s e n d d a t a e n d p o in t is h a tt e d o r a c o n t r o l p i p e r e q u e s t i s n o t s u p p o r ted no r e s p o n s e y e t f r o m r e c e