（模式识别与智能系统专业论文）基于usb+20的dsp与pc通信接口的设计与实现.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得凼鏊直太堂及其他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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 至磁指导教师签名：主递 鲨! 竺：笸：兰乡日 期：乙哗望! 么! 锣 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权 将学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘， 允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论 文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者 今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意； 若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：动丝歪圣基指导教师签名： 期：垫! ! ：司 76馆j_6 3m7，iii1y 内蒙古人学硕士学位论文 基于u s b2 0 的d s p 与p c 通信接口设计与实现 摘要 随着计算机和信息技术的飞速发展，d s p 技术成为高速实时数据处理的一项 关键技术，广泛应用在图像处理、语音识别、智能检测、工业控制等各个领域。 u s b2 o 作为一种成熟的计算机外设总线标准，由于其易用、热插拔、高性能和 造价低廉等优点而被广泛应用。本文研究背景是基于d s p 的薄板粘接质量超声 检测数据采集系统的研究，在深入探讨了d s p 和u s b 性能和特点的基础上，针 对d s p 与p c 之间的数据传输接口进行设计。 u s b 使系统具有直观的接口界面、良好的可扩展性，而d s p 则具备处理复杂 运算的能力，能够满足复杂工业环境所需大量运算的要求，它们的结合提供了 一种新的数据传输解决方案，使超声检测系统便于移动，使用更加灵活方便。 本文首先简要介绍了u s b2 0 协议标准、电气特性和技术应用；然后根据实际 需要选择了硬件系统各关键芯片的类型和型号，并对u s b 与d s p 、u s b 与f i f o 等连接电路进行了设计；最后进行了基于硬件系统的u s b 固件程序、u s b 接口驱 动程序的设计和调试以及d s p 数据传输程序的编写。同时，采用m i c r o s o f t v i s u a lc + + 6 0 创建了主机操作界面。 论和实践上 内蒙古人学硕士学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eb e t w e e nd s pa n dp cb a s e do nu s b2 0 a b s t r a c t w i t ht h es p e e d yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) h a sb e c o m ea l li m p o r t a n th i g h - s p e e da n dr e a l - t i m e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n db e e nu s e di ni m a g ep r o c e s s i n g ，v o i c er e c o g n i t i o n ， i n t e l l i g e n td e t e c t i o n ，i n d u s t r i a lc o n t r o la n do t h e rf i e l d s u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) a sam a t u r ec o m p u t e rp e r i p h e r a l sb u ss t a n d a r dh a saw i d e l ya p p l i c a t i o nf o ri t s a d v a n t a g e s s u c ha s e a s yu s e ，h o ts w a p ，h i g hp e r f o r m a n c e a n dl o w e r p r i c e c o n s i d e r i n ga b o u t t h ep r o p e r t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd s pa n du s b ，t h ea r t i c l ea i m s t or e a l i z et h ed e s i g nb e t w e e nd s pa n dp cb a s e do nt h eu l t r a s o n i cd e t e c t i o nf o r b o n d i n gq u a l i t yo ft h i np l a t e u s bt e c h n o l o g yb r i n g sa ni n t u i t i o n i s t i ci n t e r f a c ea n db e t t e rs c a l a b i l i t y , w h i l e d s ph a st h ea b i l i t yf o rh a n d l i n gt h ec o m p l i c a t e da r i t h m e t i cp r o b l e m s ，a n di tc a n s a t i s f y t h e l a r g e a m o u n to fa r i t h m e t i c r e q u i r e m e n t s i nc o m p l i c a t e di n d u s t r i a l e n v i r o n m e n t i ta f f o r d san e wd a t at r a n s m i s s i o ns o l u t i o nt om a k et h eu l t r a s o n i c 内蒙古火学硕上学位论文 d e t e c t i o ns y s t e mm o r ep o r t a b l ea n dc o n v e n i e n tt ou s eb yc o m b i n i n gb o t ho fu s ba n d d s ri nt h i sa r t i c l e ，i ti n t r o d u c e st h ep r o t o c o ls t a n d a r d ，e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ， t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n so fu s b 2 0a tf i r s t t h e n ，c h o o s et h ea p p r o p r i a t ec l i pt y p e s f o rt h eh a r d w a r es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d sa n da l s od e s i g nt h ec o n n e c t i o n c i r c u i t sb e t w e e nu s ba n dd s p , u s ba n df i f o f i n a l l y , d e s i g na n dd e b u gt h eu s b f i r m w a r ep r o g r a m ，u s bi n t e r f a c ep r o g r a ma n dd s pd a t at r a n s m i s s i o np r o g r a m , a n d a l s oe s t a b l i s ht h eh o s tc o m p u t e ro p e r a t i o ni n t e r f a c eu s i n gm i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 t h ed e s i g na f f o r d sap l a t f o r mf o rt h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nd s pa n dp c ， a n dc o n s u m m a t e st h eu l t r a s o n i cd e t e c t i o nf o rb o n d i n gq u a l i t yo ft h i np l a t ei nt h e o r y a n dp r a c t i c e k e y w o r d s ：u s b2 0 ，d s p , c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r e d e s i g n 内蒙古大学硕士学位论文 目录 引言1 1 课题研究背景1 2 国内外研究现状4 3 课题研究的内容及意义5 第一章u s b2 0 协议及应用6 1 1u s b 简介6 1 2u s b2 0 协议7 1 2 1u s b 系统结构7 1 2 2u s b 事务处理1 0 1 3 本章小结1 6 第二章基于u s b2 0 的d s p 与p c 通信接口硬件设计1 7 2 1 总体设计思路1 7 2 2 芯片选择1 8 2 2 1d s p 芯片选择1 8 2 2 2u s b 芯片的选择1 9 2 2 3f i f o 芯片的选择2 l 2 3 硬件电路设计2 2 2 3 1 电源电路2 2 2 3 2f i f o 与u s b 连接电路2 3 2 3 3u s b 与d s p 连接电路2 4 2 3 4 其他电路2 5 2 3 5 基于p r o t e u s 的u s b 传输仿真2 5 2 4 本章小结2 7 第三章基于u s b2 0 的d s p 与p c 通信接口软件设计2 8 3 1 总体设计思路：2 8 3 1 1 软件系统设计思路2 8 3 1 2g p i f 模式2 8 3 1 3g p i f 波形图2 9 3 2g p i f 波形图设计3 1 3 3 固件程序设计3 2 3 3 1 初始化函数3 3 3 3 2 数据传输函数3 4 3 3 3 调度函数函数3 5 3 4 驱动程序设计3 6 3 4 1i n f 文件3 6 3 4 2c y p r e s s 通用u s b 驱动程序3 7 内蒙古大学硕士学位论文 3 4 3c y l o a d i n f 文件3 7 3 4 4c y u s b i n f 文件3 9 3 5 主机程序设计4 0 3 5 1 主机程序的创建4 0 3 5 2 主机程序初始化4 0 3 5 3 按钮功能实现4 2 3 6d s p 程序设计4 4 3 6 1 系统初始化4 4 3 5 2d s p 与u s b 通信程序4 5 3 7 本章小结4 6 结论4 7 参考文献4 9 附录5 2 附录lc y 7 c 6 8 0 1 3 5 6 p v c 引脚说明5 2 附录2g p i f 波形图生成的波形描述符代码5 3 致谢6 0 攻读学位期间发表的学术论文目录6 0 内蒙古大学硕士学位论文 1 、问题的提出 引言 1 课题研究背景 随着计算机硬件飞速发展，各种外围设备日益增多，接踵而来的问题就是如何解决这 些外设与计算机之间的连接。目前接口标准多种多样，有1 3 9 4 接口、p c i 、u s b 、串行接口、 并行接口、无线接口等，在众多接口中，u s b 接口是最为快速和便捷的。 本课题来源于基金项目“基于d s p 的薄板复合材料粘接界面质量超声检测”。目前， 随着超声检测设备的小型化和便携化，数字超声检测仪在厂矿、石油钻探、机械加工领域 得到越来越广泛的应用。d s p 超声检测数据采集系统虽然在实时数据采集和处理方面有着明 显的优势，但无法在数据采集现场进行数据的复杂分析，而借助于p c 平台可以很好地实现 数据分析、建模、显示等功能，故需要使用数据传输接口将d s p 数据采集系统的数据传输 至p c 机上。由于使用传统的数据传输方式不能满足大量、实时性数据传输的要求，因此为 了提高传输速度和方便使用，我们选用了目前最流行的标准接口u s b2 0 接口。 u s b 接口作为目前应用最为广泛的接口，在数据传输方面有着得天独厚的优势，表1 为 u s b 接口与其他接口的参数比较。 表i 常用接口比较 t a b l e ic o m p a r i s o no fc o m m o ni i l t e f f a c e s 接口名称传输速率应用范围优缺点 3 3 h z1 3 3 m b s 声卡、显卡、网卡、优点：总线结构简单、成本低、设计简单 p c i 6 6 h z2 6 6 m b s 视频卡等缺点：总线扩展性比较差，线间干扰较大 并行接优点：价格便宜、通用性好 口 2 5 6 51 2 k b s 打印机、扫描仪等 缺点：传输速度慢 外置调制解调器、绘 优点：传输速度快 串行接口最大i o m b s 图仪、串行打印机等缺点：应用范围逐渐缩小 打印机、闪存、外接优点：传输速度快、通用性好等 u s b u s b 2 0 最大6 0 i b s 硬盘、常用外设等缺点：多个设备同时连接容易出现不识别现象 外接硬盘、外接式光 优点：传输数度快 1 3 9 4 接口5 0 i o o m b s 驱、读卡机等 缺点：普及程度不高 塑鍪圭盔兰婴主兰垡丝茎 通过上述比较，我们可以发现u s b 接口无论在传输速度还是通用性方面都要优于其他 常用接口类型，而且由于目前u s b 接口的大量普及，从而使得系统的开发成本大幅度降低。 本文所设计的u s b2 0 接口，主要针对在复杂外界环境下使用便携式d s p 数据采集仪 时，限于便携式d s p 系统功能的单一性和局限性，不能对所采集数据进行彻底分析、显示 和存储而进行设计，并且可以借助p c 机在数据处理、仿真、显示、用户界面等方面的优势， 充分利用其他硬件设备和软件对所获取数据进行全面的分析，进一步完善薄板复合材料粘 接界面质量超声检测系统的功能。 u s b 系统的开发领域中使用最广泛的是u s b 功能设备的开发，其实现过程也因具体情况 的不同而有所改变，在实际的开发过程中还需要解决具体的问题。因此本课题的研究还是 具有其实用价值和现实意义的。 2 、超声检测技术 复合粘接材料是以一种材料为基体( m a t r i x ) ，另一种材料为增强体( r e i n f o r c e m e n t ) 通过粘接而形成的材料，两种材料可以在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合 材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合粘接材料在美国和欧洲主 要用于航空航天、汽车等行业，在日本主要用于汽车制造行业，应用前景非常广阔。然 而，由于粘接质量不高而引发的严重事故在实际使用过程中时有发生，粘接结构的安全和 质量日益成为人们关注的焦点问题，粘接质量的检测与评价成为了无损检测的一个非常重 要的研究领域。无损检测( n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ) ，就是利用声、光、磁和电等特 性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不 均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态 ( 如合格与否、剩余寿命等) 的所有技术手段的总称。与一般材料的缺陷检测不同，粘 接质量的检测主要关注材料介质的界面部分，因而检测的难度较大。 由于超声具有良好的方向性、极强的穿透能力、较高的能量及对人体无害等优点n 1 ，因 而超声检测成为国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。所谓 超声检测，就是利用超声波在介质中的传播特性( 声速、衰减、反射、声阻抗等) 来实现 对非声学量( 密度、浓度、硬度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等) 的测定。常 规的超声检测方法有穿透法、谐振技术和脉冲回波技术等，而脉冲回波技术是所有超声技 术中通用性最好的方法啪3 ，脉冲反射回波法检测原理如图1 所示。 2 内蒙古大学硕士学位论文 3 、d s p 简介 t0 ff7 i ( a )( b ) 图1 脉冲反射回波法检测原理图 f i g 1d e t e c t i o np r i n c i p l ed i a g r a mo fi m p u l s ee c h o 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是一门涉及许多学科而又 广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞 速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使 用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。 过去的几十年中，数字信号处理技术已经在通信、检测、小型化仪器等领域得到极为 广泛的应用。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 4 、基于d s p 的薄板复合材料粘接界面质量超声检测系统简介 该系统将d s p 与超声检测的优势有机结合起来，同时在后端数据处理中应用了目 前模式识别方面较为成熟的算法。该系统的研究主要包括两部分主要内容：一是高速 数据采集系统，主要用于对超声回波信号进行采集和预处理；二是后端数据处理系统， 主要在p c 机上对采集的数据进行存储、分析以及模式识别算法方面的研究。基于u s b 内蒙古大学硕上学位论文 2 0 的d s p 与p c 通信接口作为整个检测系统的一部分，承担着高速数据采集系统与p c 机之 间的大量数据的高速传输的任务，是d s p 数字信号处理系统和p c 机之间的“桥梁 和“纽 带 ，基于d s p 的薄板复合材料粘接界面质量超声检测系统框图如图2 所示。 图2 基于d s p 的薄板复合材料粘接界面质量超声检测系统 f i g 2t h eu l t r a s o n i cd e t e c t i o ns y s t e mf o rb o n d i n gq u a l i t yo f t h i np l a t eb a s e do nd s p 2 国内外研究现状 由于本文的研究对象主要为u s b2 0 接口，下面就u s b 发展现状进行探讨。 自诞生之日起，u s b 版本经历了多年的不断发展与创新。u s b1 x 版本最先得到应 用，但其总线传输速率较低，有1 5 m b p s ( 低速) 和1 2 m b p s ( 全速) 两种，主要应用于 传统p c 外设，如鼠标、键盘、显示器等，移动存储设备等。 较低的传输速率影响了u s b 的广泛应用，厂商也认识到了这个瓶颈。随着1 9 9 8 年 6 月w i n d o w 9 8g o l d 和w i n d o w 9 8s e ( s e c o n de d i t i o n ) 的发布，u s b 真正迎来了发展 的好机会，两者对u s b 的支持使u s b 外设陆续出现。这时，c o m p a q 、h e w l e t tp 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 和p h i l i p s 这7 家厂商联合制定并于2 0 0 0 年4 月2 7 日发布了u s b2 0 接口标准。 u s b2 0 是一种高速模式的版本，它把数据传输速度提高到了6 0 m b s ，而且u s b2 0 可以使用原来u s b 定义中同样规格的电缆，接头的规格也完全相同，在高速的前提下保 持了u s b1 1 的优良特点，而且u s b2 0 的设备不会和u s b1 x 设备在共同使用的时候 发生任何冲突。不过，如果要使用高速传输，则必须使用与u s b2 0 兼容的主机软件与 4 内蒙古大学硕士学位论文 主机控制器，也就是说要在主机的操作系统w i n d o w s 2 0 0 0 x p 中安装u s b2 0 补丁程序， 另外还要安装支持u s b2 0 的主机控制器或者p c i 接口u s b2 0 的扩展卡。目前，随着 w i n d o w sv i s t a 与w i n d o w s7 的发布，这一问题已经成功解决。 u s b2 0 的存储设备在高速存储方面的应用成为热点。目前，我们已经在市场上见 到很多高速移动存储设备，例如便携刻录机、移动硬盘、闪盘存储器等等。外设器件在 使用u s b2 0 通信时，要求对外设接口的改变越小越好。外设在附加了u s b2 0 性能后， 相应的附加成本应尽可能的地小。u s b1 1 器件和u s b2 0 器件都应在u s b2 0 系统中 顺利的操作。总之，u s b2 0 的出现弥补了u s b1 1 的不足，使得u s b 的应用范围不断 扩大。目前，随着u s b3 0 技术的推出，无论是在连接速度上还是在使用便捷性上将有 大幅度的提升，不久的将来有望进入“u b s 时代 。 3 课题研究的内容及意义 本课题是在薄板复合材料粘接质量超声检测系统的背景下展开的，主要研究内容的是 基于u s b2 0 的d s p 与p c 的通信接口设计，本文的章节安排如下： 第一章围绕u s b2 0 协议基础展开讨论，深入探讨了u s b 系统结构、u s b 事务处理和 u s b 设备等内容，为下一步硬件和软件的设计打下了坚实的基础。 第二章针对硬件电路进行设计，首先根据设计需要选择合适的d s p 芯片、u s b 控制器芯 片以及f i f o 存储器芯片并对各芯片参数进行分析，然后根据其参数特性以及设计方案进行 各部分电路设计，为软件的设计搭建了平台。 第三章在硬件电路的基础上进行软件设计，包括：采用g p i f 波形图编辑工具设计并生 成波形描述符；固件程序设计，用以处理p c 主机发来的各种u s b 请求；驱动程序设计，保 证u s b 设备正常工作；主机操作界面创建，直接服务于用户；d s p 与u s b 的通信软件设计， 完善整个数据传输系统；最后进行软件系统的调试。 本文从薄板复合材料界面粘接质量超声检测这一热点问题入手，在深入探讨u s b2 0 协议的基础上研究并设计了基于u s b2 0 的d s p 与p c 通信接口的硬件电路和软件，进一步 完善了薄板复合材料粘接质量超声检测系统。 内蒙古大学硕上学位论文 第一章u s b2 0 协议及应用 在超声检测系统中，高速数据采集无疑是最重要的组成部分。高速数据采集是目前数 据采集的发展方向之一，随着微电子技术的飞速发展，电子器件的体积更小，运行速度有 了很大的提高，几十兆采样频率的模数转换器得以大量的应用。但是，数据传输和存储一 直制约着数据采集系统向更高速度上的发展。因此，如何进行高速的数据传输和存储是大 容量、连续数据采集系统的技术关键盯1 。 目前一般从两个方面进行考虑： ( 1 ) 采用高速数据传输协议，如p c i 、u s b2 0 、1 3 9 4 等，将采样数据传送到主机， 实时进行处理； ( 2 ) 采用高速度、大容量的存储器件，如s d r a m ，s b s r a m ，f l a s h 等，将采样数据存 储后再进行处理。 相对于后者，前者在实时性上有着无可比拟的优势，而u s b 设备无疑使这种可能变为 现实。下面对u s b 协议及u s b 技术作简单介绍。 1 1 u s b 简介 u s b 即通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，是一种外围设备与p c 机进行连接的接 口标准，1 9 9 4 年底由i n t e l 、c o m p a q 、i b m 、m i c r o s o f t 等多家公司联合提出。提出的目的 是使用u s b 接口来取代p c 机现有的各种外围接口，使外设的连接具备单一化、即插即用等 优点，标准u s b 接口如图1 - 1 所示。 u s b 设备之所以会被大量应用，主要具备以下优点： ( 1 ) 支持热插拔功能。用户可在开机状态下随意插拔u s b 设备而不会损坏p c 机和 外设； ( 2 ) 系统总线供电。低功率设备无需外接电源，并可提供5 v 5 0 0 m a 电源； ( 3 ) 即插即用。p c 机操作系统可自动加载u s b 外设驱动程序，无需用户手动配置； ( 4 ) 共享式接口。u s b 端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣式连接方式， 通过集线器，一个u s b 主控制器上最多可连接1 2 7 个外设； 6 内蒙古大学硕上学位论文 ( 5 ) 方便的设备互连，u s b0 t g ( u s b0 n - t h e - g o ，嵌入式设备标准) 支持点对点 通信，例如数码相机可与打印机直接连接，无需经过p c 。 红白绿曩 o c d + d6 r d 12 34 图1 - 1 标准u s b 接1 2 示意图 f i g 1 1s t a n d a r du s bi n t e r f a c es c h e m a t i cd i a g r a m 1 2u s b2 0 协议 对u s b2 0 协议的研究和了解有助于在此基础上进行硬件系统的设计和软件的开 发，所以本章主要内容围绕u s b2 0 协议展开讨论。 1 2 1u s b 系统结构 u s b 协议将u s b 设备与主机的连接分为三个层次，即功能层、u s b 设备层、u s b 总 线接口层，每一层均有主机和u s b 设备的不同功能模块相连接，如同卜2 所示。 u s b 设备 图1 - 2u s b 系统分层示意图 f i g 1 - 2t h el a y e r i n gs c h e m a t i cd i a g r a m o fu s bs y s t e m 7 1 罱| 塑鍪壹奎堂堡主兰垡堡壅 1 、功能层 功能层负责实现u s b 设备的特定功能，如传输数据、打印文档等。该层不解析u s b 的串行输入机制，只知道传输哪些数据，该层由主机端的客户程序和u s b 设备的功能单 元组成。不同的u s b 设备对数据传输提出不同要求，如传输数据量的大小、传输速率的 高低等，具体分为四种类型： ( 1 ) 块传输：适用于传输大量而对传输速率无要求的数据，适合打印机、扫描仪 等设备； ( 2 ) 中断传输：适用于传输少量、周期性的数据，适合键盘、鼠标等设备； ( 3 ) 同步传输：适用于传输大量、速率恒定、周期性的数据，适合音视频类设备； ( 4 ) 控制传输：适用于传输少量而对传输速率无要求、但必须保证传输质量的数 据，适合u s b 设备配置信息的传输等。 2 、u s b 设备层 该层实现了主机与u s b 设备间的配置通信，如为u s b 设备分配地址、读取配置描述 符等，由主机的u s b 系统软件和u s b 逻辑设备组成，该层对u s b 通信机制和功能层的传 输特性进行解析。 u s b 设备连接或断开时，由u s b 设备层完成u s b 系统配置通信任务。通常情况下， 主机会周期性地查询集线器，以检测下行端口是否有u s b 设备的连接或断开。 ( 1 ) u s b 设备的连接。当u s b 设备连接至主机端口时，主机会首先使用缺省地址 和缺省管道访问它，得到该设备的配置信息；然后主机会为这个新设备分配 一个唯一的设备地址；最后主机会向相关客户软件发送通知，进一步配置该 设备。 ( 2 ) u s b 设备的断开。当从主机集线器的下行端口断开一个u s b 设备时，集线器 马上会向主机发出通知。相关客户软件会理解处理这个断开操作，其设备地 址被释放。 3 、u s b 总线接口层 该层实现主机与u s b 设备间的实际数据传输，由主机的u s b 主控制器与u s b 设备的 总线接口组成。为保证u s b 总线上数据传输的完整性，u s b2 0 协议采用n r z i 编码的 差分信号，数据在d + 和d 一信号线上的相位差为1 8 0 。 ( 1 ) u s b 设备的连接。u s b 设备的连接采用层次星型的拓扑连接结构，p c 机可通 内蒙古大学硕士学位论文 过u s b 集线器实现与设备的连接，如图1 - 3 所示。u s b 系统最多支持7 层、5 个集线器的级联，所有u s b 设备都通过主机的主控制器与主机进行通信，共 享一条数据通道。 层1 层2 传输的完整 i 编码如图 3 4 5 层 层 层 塑鍪查奎兰堡兰篁垒茎 1 2 2u s b 事务处理 u s b 事务处理是主机和u s b 设备间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。根据信息包的种类，可将一个事务处理分为三个阶段：令牌阶段、数据阶段和握 手阶段，其中令牌阶段表示事务处理的开始，并定义了传输类型；数据阶段负责传输相关 的数据，长度最大为1 0 2 4 字节；握手阶段用于报告事务处理的状态，以表明数据成功接收 与否。 1 2 2 1 字段 信息包是u s b 总线上数据传输的最小单位，由字段组成，包含主机与u s b 设备进行通 信所需的全部信息。 1 、同步字段( s y n c ) 在u s b 系统中，主机和u s b 设备不是共享一个时钟的，这使得接收方无法准确知道发 送发何时发送数据。要保持同步，所以的信息包必须以一个同步字段开始。对于低速全速 传输，同步字段长度为8 位，数据原型为7 个连续的“0 和1 个“1 ，经过n r z i 编码后， 如图1 - 5 所示。高速传输的同步字段长度为3 2 位，数据原型为3 1 个连续的“0 ”和一个“1 。 ooooo00 l 原始数据 习厂 n r z i 编码 习厂 厂 厂 图1 - 5 同步字段( 低速全速) f i g 1 5t h es y n c h r o n o u sf i e l d ( l o ws p e e d f u l ls p e e d ) 2 、包标识字段( p i d ) 在u s b 信息包中，p i d 紧跟在s y n c 之后，指明信息包的种类、格式以及所采用的差错 控制机制，由4 位类型字和4 位校验字组成，如同卜6 所示。 p i d 0 p i d i p i d 2p i d 3p i d 4p i d 5p i d 6 p i 酗 图1 - 6 包标识字段 f i g 1 6t h ep a c k e ti d e n t i f i e rf i e l d 1 0 内蒙古人学硕上学位论文 其中，校验字是类型字的二进制补码，用于保证p i d 字段译码的可靠性。在数据的传 输中，主机和u s b 设备都要对接收到的p i d 字段进行正确译码，如果校验字错误或得到伪 定义的值，则该p i d 字段被认为已被破坏，应忽略信息包其余部分。 3 、地址字段( a d d r ) 地址字段用于指定u s b 系统中的一个u s b 设备，其格式如图1 - 7 所示，包含7 个数据 位，最多可指定1 2 7 个地址，地址o 作为缺省地址，不分配给设备，在u s b 设备上电和复 位时，地址0 用来与主机通信。 4 、端点字段( e n d p ) i la 峨 a d d r xa d d 此a d d r 3 a d d r 4a d d r 5 a d d r6 l 图1 - 7 地址字段 f i g 1 7t h ea d d r e s sf i e l d 端点字段用于指定u s b 设备中的一个端点，全速高速设备最多可含1 6 个端点，低速 设备最多只能含3 个端点。所以u s b 设备都必须含0 号端点，以完成与主机间的配置通信。 端点字段格式如图1 - 8 所示。 5 、c r c 字段 图1 - 8 端点字段 f i g 1 8t h ee n d p o m tf i e l d 为保证数据传输的可靠性，u s b 系统在令牌包和数据包中都使用了循环冗余校验( c r c ) ， 它可以完全识别出信息包中的一位或两位错误。c r c 校验失败表示在被保护的信息包中至少 有一个字段出错，多数情况下该信息包被忽略。 令牌包中，i n 、o u t 、s e t u p 、p i n g 令牌包的地址字段和端点字段使用5 位c r c ，其生 成多项式为( x 庵5 + 1 ；数据包中的数据字段使用1 6 位c r c ，其生成多项式为 c 4 x 皿 6 + x 1 5 谨+ l 。 内蒙古大学坝七学位论文 另外还有帧号字段和数据字段等，帧号字段用于指出当前帧的帧号，而数据字段包含 主机与u s b 设备需传输的具体数据。 1 2 2 2 事务处理 u s b 系统中事务处理可分为7 种类型：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 事务以及p r e 事务，下面简介主要事务处理。 l 、i n 事务处理 i n 事务处理用于完成u s b 设备到主机的数据传输，在i n 事务处理中，u s b 设备并不是 每次都能成功响应主机发出的i n 令牌包。如果u s b 设备在接收到i n 令牌包后发现其已损 坏，则不会做出响应；如果u s b 设备暂时不能向主机发送数据，则会向主机返回n a k 握手 包；如果u s b 设备的i n 端点被停止，则会向主机返回s t a l l 握手包：如果上述情况未发生， 则u s b 设备向主机发出数据包。 2 、o u t 事务处理 与i n 事务处理相反，o u t 事务处理用于完成主机到u s b 设备的数据传输。类似与i n 事 务处理，如果u s b 设备在接收主机发出的o u t 令牌包和数据包后发现其已损坏，则不会做 出响应；如果u s b 设备暂时不能接收数据，则会向主机返回n a k 握手包；如果u s b 设备的 o u t 端点被停止，则会向主机返回s t a l l 握手包；如果u s b 设备和该数据包的数据触发位不 匹配，则u s b 设备会丢弃数据包，并返回a c k 握手包：如上述情况不存在，u s b 设备会接收 数据并返回a c k 握手包。 3 、p i n g 事务处理 在低速全速o u t 事务处理中，如果u s b 设备暂时不能接收主机发来的数据，则会返回 n a k 握手包，而主机在一定时间后会重试该事务处理，以判断u s b 设备是否有空间接收这些 数据。如果传输的数据包容量很大，则发出的n a k 协议会占用大量u s b 总线时间，从而降 低u s b 总线利用率。 为避免在高速o u t 事务处理中出现这种情况，使用了p i n g 事务处理。p i n g 事务处理允 许高速u s b 设备通知主机是否有足够空间来响应下一个o u t 事务，如果没有空间，则主机 会推迟该事务处理，并尝试传输其他u s b 事务。这种机制通过禁止主机发送无用o u t 数据 包，大大提高u s b 总线利用率。 1 2 内蒙古大学硕士学位论文 4 、s e t u p 事务处理 s e t u p 事务处理定义了一种特殊的主机到u s b 设备的数据传输，其传输的数据具有u s b 定义的格式，它仅适用于u s b 控制传输的建立阶段。如果u s b 设备一旦接收s e t u p 令牌包， 则其一定要接收之后的数据包并向主机返回a c k 握手包。 5 、s o f 事务处理 s o f 事务处理表示u s b 帧d , 帧的开始，它仅包含主机或集线器事务翻译器发出的s o f 令牌包，而不需要u s b 设备返回任何握手包。 对于低速全速传输，u s b 定义了长度为l m s 的帧，s o f 令牌包每l m s 产生一次。对于 高速传输，u s b 定义了长度为1 2 5us 的小帧，s o f 令牌包每隔7 个小帧产生一次。当u s b 设备检测到s o f 令牌包的p i d 字段时，表明其将进行s o f 事务处理。对帧时间敏感的u s b 设备不需使用帧号字段，仅需对p i d 字段进行译码即可。如果u s b 设备需要使用帧号，则 它必须对p i d 、帧号和c r c 字段都进行译码。不需使用u s b 总线时间的全速设备可以忽略 s o f 令牌包。 另外，s p l i t 事务处理用于把低速全速事务从高速事务中分离出来，p r e 事务处理的 作用是，主机通过启动p r e 事务处理来禁止在低速传输环境启动全速事务。 1 2 3u s b 设备 在u s b 系统中，u s b 设备被划分为三个功能模块，即u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功 能单元。其中，u s b 总线接口负责实现u s b 设备与主机之间数据传输的物理连接，u s b 逻辑 设备负责处理u s b 总线接口与功能单元各端点之间的数据传输，功能单元实现u s b 设备的 特定功能。 1 2 3 1 设备状态 根据u s b 设备所实现的功能，可包含若干种状态，如上电状态、采集状态等，其中有 的状态是外部可见的，有的状态只适用于设备内部。一个典型的u s b 功能设备和主机的连 接需要经历6 个状态，表1 - 1 对u s b 设备的状态进行了说明，其中“ 表示状态激活，“ 表示状态不处于该状态。 内蒙古人学硕士学位论文 表i - iu s b 设备状态 t a b l e 1 1u s bd e v i c e $ s t a t u s 连接上电缺省地址配置挂起 说明 状态状态状态 状态状态 状态 设备尚未连接至u s b 4 设备已连接至u s b 接口，但未上电 -x 设备已连接至u s b 接口，且已上电，但未复位 设备已连接至u s b 接口，已上电和复位，但尚未 0 - 分配设备地址 设备已连接至u s b 接口，已上电、复位和完成地 j- x 址分配，但未配置 设备已连接至u s b 接口，已上电、复位、完成地 0_- 址分配和配置，且未挂起，此时主机可使用该u s b 设备的功能 设备已连接至u s b 接口，已上电，当主机在3 m s 00x 内没有检测到总线活动室，进入