（检测技术与自动化装置专业论文）基于usb+otg技术的便携式mp3的研究与设计.pdf

摘要 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 作为计算机外围设备通讯的总线标准，以其高速、 稳定、易用、廉价等特点，实现了从标准出现到普遍应用的快速发展。目前u s b 接口已 经成为计算机外围设备如：移动存储设备、数码产品乃至移动通讯设备等与计算机互连的 首选标准接口。怎样实现在无p c 机参与的情况下两个便携式移动设备直接互连以进行通 信，使u s b 设备摆脱对p c 的完全依赖? 正是在这种新的需求之下，u s bo n t h e g o 应运 而生。u s bo t g 作为u s b 技术的最新发展，是u s b 2 0 的重要补充，u s bi f 提出u s bo t g 规范的主要目的是为了提高便携移动设备之间的互联性。市场上的o t g 设备也逐渐出现， 研究这样一种有发展前途的新技术是很有必要的，也是很有市场价值的。 论文提出了一套基于u s bo t g 技术的o t g m p 3 系统设计，是u s b o t g 技术在便携 式移动领域罩的典型应用。u s b 技术在嵌入式系统中有两种主要的应用方式：即作为u s b 总线设备的u s b 设备方式( u 盘、u s b 移动硬盘、m p 3 等) 和作为u s b 主控制器的u s b 主机( p c 机) 。任何一次数据传输必须由主控设备发起和控制，任何两个外设之间或者是 两个主机之间都无法直接通信，而o t g 设备既能充当主设备又能充当从设备，可以实现 在无p c 机的情况下两个o t g 设备直接相连实现点对点的通信。o t g m p 3 系统不仅可以 跟普通的m p 3 一样播放内部f l a s h 的音频文件还可以直接播放u 盘、u s b 移动硬盘、s d 卡内的音频文件，u s bo t g 接1 3 的存在，同时可以实现多种存储器之间直接进行数据交 换。系统设计主要组成部分是系统主控模块( c s c 3 8 0 0 ) 、u s b o t g 接v i 模块、m p 3 音频播 放模块、s d 读卡模块、f l a s h 存储模块、f m 接收模块、用户按键输入和l c d 电路、电 源控制电路，并从软硬件角度阐述了o t g m p 3 开发过程。 关键字：u s bo t g ；c s c 3 8 0 0 ；m p 3 ；u 盘；s d 卡 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fp o r t a b l em p 3 b a s e do nu s bo t g t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h eu s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb u ss p e c i f i c a t i o n si np c p e r i p h e r a li n t e r c o n n e c tt e c h n o l o g y , h a sl e a dar a p i dd e v e l o p m e n ts i n c ei th a d b e e nr e l e a s e da sa i n d u s t r y - s t a n d a r d ，w i t ht h ei t so b v i o u sb e n e f i t s ，s u c ha sh i g hs p e e d ，r o b u s t n e s s ，e a s y - o f - u s e ，a n d l o w c o s ts o l u t i o n u s bi n t e r f a c eh a sb e c o m et h em o s ti n c l i n e ds t a n d a r di n t e r f a c ef o rt h e i n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e np ca n dp e r i p h e r a ld e v i c e s ，s u c ha sp o r t a b l es t o r a g ed e v i c e s ，d i g i t a l p r o d u c t sa n dp o r t a b l ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e s h o wt om a k ep o r t a b l ee q u i p m e n ti n t e r c o n n e c t a n dc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rd i r e c ti nc a s eo fn op cp a r t i c i p a t e si n m a k eu s bd e v i c e s b r e a ka w a yf r o mt h ec o m p l e t er e l i a n c eo np c ? i sp r e c i s e l yu n d e rt h i sk i n do fn e wd e m a n d ， u s bo n t h e - g oa r i s e sa tt h eh i s t o r i cm o m e n t u s bo t gi st h ed e v e l o p m e n to fu s b i st h e i m p o r t a n ts u p p l y m e n to fu s b 2 0 t l l em a i np u r p o s eo fu s b - i fp r o p o s e dt h eu s bo t g p r o t o c o li st oe n h a n c ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nm o b i l ee q u i p m e n t s o t ge q u i p m e n ti s a l s o a p p e a r si nt h em a r k e tg r a d u a l l y , i ti sn e c e s s a r yt os t u d ys u c ht e c h n o l o g yw h i c hh a v et h e p o t e n c i a ld e v e l o p m e n t ，i sa l s oh a st h em a r k e tv a l u ev e r ym u c h t h et h e s i s p u t s f o r w a r dad e s i g no fo t g - m p 3s y s t e mb a s e do nt h eo t g t e c h n o l o g y , w h i c hi sat y p i c a la p p l i c a t i o ni np o r t a b l ef i e l d g e n e r a l l yt h e r ea r et w om o d e so f u s bt e c h n o l o g yc o u l db eu s e di ne m b e d d e d s y s t e m s o n e i st h eu s bd e v i c e m o d e ( u d i s k ，u s b m o v i n gd i s k ，m p 3a n de t c ) u s i n ga su s bd e v i c e sa n dt h eo t h e ri su s b h o s t m o d eu s i n ga su s bh o s tc o n t r o l l e r s ( p c ) d a t at r a n s m i s s i o nm u s ts t a r ta n dc o n t r o lb yt h eh o s t d e v i c e se v e r yt i m e ，t w oh o s t so rt w od e v i c e sc a l ln o tc o m m u n i c a t ed i r e c t l y o t gd e v i c e sn o t o n l ya c ta sh o s tc o n t r o l l e r sb u ta l s oa c ta su s bd e v i c e s t w o0 t g d e v i c e si n t e r c o n n e c ta n d c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rd i r e c t l yw i t h o u tp c o t g m p 3s y s t e mb o t hc a np l a yl i k ec o m m o n m p 3a n dc a l lp l a yt h ea u d i of i l ei nu d i s k ，u s bm o b i l ed i s ka n ds dc a r d t h e s ed e v i c e sc a l l c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rd i r e c t l yb vu s b o t gi n t e r f a c e t h es y s t e mi sc o m p o s e do fm a s t e r c o n t r o lm o d u l e ，u s bo t gi n t e r f a c em o d u l e ，m p 3a u d i ob r o a d c a s tm o d u l e , s dr e a d e rm o d u l e , f l a s hm o d u l e ，f m r xm o d u l e ，c i r c u i t so fk e yi n p u t ，l c da n dp o w e rc o n t r 0 1 t h ep a p e r e x p l a i n st h ed e t a i l so fo t g m p 3d e v e l o p m e n tf r o mt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e k e y w o r d s ：u s bo t g ；c s c 3 8 0 0 ；m p 3 ；u d i s k ；s dc a r d 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者躲丕芳 学位论文版权使用授权书 一年6 只f 皇日 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权南京林业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编 和综合为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 全部或部分内容。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：绥移 复哑 导师签名： 张出。 黼年6 具l s 日 1 年7 日 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的两位导师张建红研究员和陆荣鳢老师。在三年的 求学过程中，有幸得到两位导师的关怀和指导。 论文的完成离不开两位导师的精心指导，我有幸聆听导师的教诲，于专业和做人方面 均受益良多，在此谨向两位导师致以诚挚的谢意。在今后的人生旅途中，我将牢记两位导 师的教诲，不断鞭策自己努力前行。 特别感谢陆荣镒老师，自论文选题到研究内容安排、技术路线的选择、实验的进行直 至论文撰写各个环节都得到了陆老师的精心指导。陆老师渊博的专业知识、严谨的治学态 度、求真务实的工作作风给我留下了深刻的印象。同时，我要感谢深圳维盛半导体科技有 限公司为我提供的学习机会，感谢公司领导和工程师曾经给予的关心和帮助。 感谢自动化教研组各位老师给予的帮助和指导。 感谢师兄何旭平、吴富民在课题开展过程中给予的帮助与鼓励。 感谢我的同学们曾经给予的关心和帮助，我们一起渡过的这段快乐而充实的学习时 光，这将是人生美好回忆的一部分。在论文撰写过程中，得到了同学秦建艳等的鼎力协助。 最后，我要感谢我的家人，在我求学期间给予的无尽的关怀和支持，亲情是我生活 的动力和奋斗的信念，促使我更好的投入到学习和研完工作中去。 各方支持，未能尽列，值此论文完成之际，谨以此文献给所有关心支持我的人们! 作者：晏芳 2 0 0 9 年5 月于南林大 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 u s b 总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是最初由c a m p a q 、i n t e l 、n e c 、h p 、m i c r o s o f t 、 p h i l i p s 、l u c e n t 等七家公司联合提出并不断完善的一种串行总线标准，主要用于p c 机与 外围设备的互联。作为计算机的外围设备接口，u s b 总线自诞生之初就以方便易用、稳 定可靠、廉价高速为目标，制定了相对复杂而全面的通讯协议，以适应种类不断增多、功 能不断加强的外设的发展。因此，u s b 协议得到了众多计算机厂商和消费电子厂商的支 持与青睐。u s b 总线规范草案最早于1 9 9 4 年底正式提出，几经修改，推出了0 7 版( 正式 版) ，后来于1 9 9 6 年又推出了u s b l 0 的正式版本，1 9 9 8 年又推出了修订的版本u s b l 1 。 在u s b l 1 这个版本中定义了两种速度的传输工作模式，低速( l o ws p e e d ) 模式的数据传输 速度为1 5 m b p s ；全速( f u l ls p e e d ) 模式的数据传输速度峰值达到了1 2 m b p s 。到1 9 9 9 年， u s b 已经被大多数的计算机设计者和使用者所接受。2 0 0 0 年底，u s b 组织又推出了新版 本的规范，u s b 2 0 将数据传输速度提高到了4 8 0 m b p s 的水平，这种速度的传输模式被称 为高速( h i g hs p e e d ) 奠式【1 1 。目前广泛使用的版本就是u s b i 1 和u s b 2 0 版。在短短的几 年时间里，u s b 接口已经成为计算机外围设备、移动存储设备、数码产品乃至移动通讯 设备与计算机互连的最广泛的接口，u s b 接e 1 的身影几乎无处不在【2 】。尽管u s b 2 0 可以 支持高达4 8 0 m b p s 的数据传输率，支持热插拔功能，最多可同时连入1 2 7 个u s b 设备， 传输稳定等优点，但是最致命的就是传统的u s b 标准是i n t e l 等厂商围绕p c 而开发的一 套通用接口标准，使得u s b 不支持非p c 的点对点连接；而i e e e l 3 9 4 则可以抛开p c ， 作为数据中心平台，实现点到点的直接传输。所以在2 0 0 1 年1 2 月1 8 日， u s b i m p l e m e n t e r s f o m m 针对各种不同设备间或移动设备间的连接和数据交换的需要适 时推出了u s bo t g ( u s bo n t h e - g o ) 规范，它实际上是传统u s b 的一个补充协议，可以 让任何u s bo t g 端口配置成主机或周边，实现点对点的通讯架构，特别是p d a 、移动电 话、m p 3 等消费类设备，使u s b 设备更好地应用于便携式移动领域【3 】。 1 2 课题研究的目的和意义 u s b 技术自其诞生之日起，就伴随着计算机和通信技术的进步而得到不断发展，应 用也越来越广泛。从低速的1 5 m b p s 到全速的1 2 m b p s 再到高速的4 8 0 m b p s ，u s b 接口 技术一直紧跟通信技术和外设发展的脚步。u s b 的拓扑结构中居于核心地位的是h o s t ， 任何一次u s b 的数据传输都必须由h o s t 来发起和控制，所有的u s b 外设都只能和h o s t 建立连接，任何两个外设之间或者是两个h o s t 之间都无法直接通信。而目前，大量扮演 h o s t 角色的是p c 。因此，“如何将u s b 技术应用到便携式移动设备领域? 如何实现设备 间u s b 的点对点通信? 等问题，开始进入了u s b 开发者的讨论议程。正是在这种新的 需求之下，u s bo n t h e g o 应运而生，主要用于不同设备之间的连接，最大限度的进行 数据的快速交换。需要注意的是u s bo t g 协议不是独立的规范，而是对u s b 2 0 规范的 补充，任何在这个规范中没有更改的u s b 标准仍接受u s b 2 0 的约束。最新版本的u s b o t g 直接建立在u s b 2 0 基础之上，通过修改u s b 接口的定义，根据厂商的需要可以定 义为主机、设备双重角色。藉此解决不同设备问的数据交换问题，它并不是只是适用于便 携式外设，同样适用于计算机的外设或任何非便携式设备。 随着网络、海量存储、流媒体以及s o c 等技术的发展，为嵌入式系统提供了广阔的 发展空间，同时也对接口技术提出了更高的要求。u s bo t g 接口作为能代替主机实现设 备间点对点通信的一种先进接口，在当今设备集成度越来越高，越来越重视便携性能的趋 势下，将逐渐成为各种通信设备的标配接口。其最大魅力是与目前数量庞大的现有u s b 设备兼容，包括p c 周边设备及各种各样拥有u s b 接口的p a d 、m p 3 播放机、数码相机 及录音笔等等。在影像消费电子中，通常i e e e l 3 9 4 是主要的选择，但u s b 2 0 的推出， 4 8 0 m b p s 的速率己经超过i e e e l3 9 4 最初4 0 0 m b p s 传输速率，具有主从角色的u s bo t g 的用途将会更广阔。可以预见，u s bo t g 产品会成为未来电子产品的标准配置。对u s b o t g 技术在便携式移动电子设备中的应用进行一些探索和研究是很有必要的，也是很有 意义和市场价值的。 1 3 课题研究动态和发展趋势 u s bo t g 在移动领域中得到广泛应用。图1 1 和图1 2 分别为o t g 在手机和p d a 上的应用。实现了手机或p d a 与其它u s b 外设的无障碍连接。在图1 1 中，作为主设备 的手机，与手机相连交换信息；与数码相机相连，通过e - m a i l 发送图片，也可上载图片 到互联网页；与扫描仪相连，可获得扫描的名片信息；与m p 3 相连，可交换或发送音乐； 与便携式硬盘相连交换文件；与键盘相连，可作为用户接口。在图1 2 中，作为主设备的 p d a ，与p d a 、手机相连交换文件；与数码相机相连，可上载图片；与扫描仪相连，可 获得图片信息；与m p 3 相连，可交换音乐文件；与便携式硬盘相连交换文件；与打印机 相连打印文件；与键盘相连，可作为用户接口。 圈、，囤 ， 、7 。 囤( j ) 圈 、 、 、- 、 匦回 图1 - 1u s b - o t g 在手机中的应用 2 图l - 2 u s b o t g 在p d a 中的应用 u s bo t g 的应用前景十分广阔。首先，在移动电话芯片中开始得到广泛应用。其次， u s bo t g 将在p d a 中得到应用；第三，u s bo t g 技术将在以其为特色的a t i 芯片中得 到更广泛的应用；第四，数码相机、打印机、m p 3 播放器和其他内置存储器设备所设计 u s bp l u g f e s t 将进一步促进其推广和应用，例如：通过u s b p i c t b r i d g e 打印机打印照片； 将u s b 音频视频输出至家庭影院系统；从u s b 移动硬盘或u s b 闪存读取音频或视频文 件o 还有其他等等领域。u s b o t g 已受到芯片供应商、软件开发商和设备制造商的广泛 支持。现在u s bo t g 市场已形成百花齐放的局面，巨盛、飞利浦、杨智科技、赛普拉斯 等公司已开发出高速u s bo t g 芯片。从业界应用来看，高通公司( q u a l c o m ml n e ) 已经宣 布将在其最新的3 g 手机基带套片中采用u s bo t g 。索尼电子( s o n ye l e c t r o n i c s ) 也宣布会 选用飞利浦的u s bo t g 芯片为其最新的便携式设备提供u s bo t g 连接性。索尼c l i e 是业内第一个具备u s bo t g 功能的便携式产品，可以与其它u s b 设备实现点对点通讯【4 】。 1 4 课题来源和论文结构 国外的厂商凭借着其技术优势，所研发的接口芯片几乎占据了全部的市场。而国内少 有企业涉足u s bo t g 芯片的设计，更多还是在做u s b 的应用和系统的开发。我们与深 圳维盛科技公司共同合作，采用台湾巨盛研发的o t g 芯片c s c 3 8 0 0 ，开发了基于u s b o t g 技术的新型的m p 3 系统。o t g m p 3 系统不仅可以跟普通的m p 3 一样播放内部f l a s h 的音频文件还可以播放u 盘、u s b 移动硬盘、s d 卡内的音频文件，u s bo t g 接口的存 在，同时可以实现多种存储器之间直接进行数据交换。 论文可以分为以下几部分： 第一章：首先概述了课题的背景与研究意义，分析了u s b o t g 的研究动态和发展趋 势，最后介绍了课题的来源和论文的结构。 第二章：着重介绍了u s b o t g 规范中的新内容，双角色设备，s r p ，h n p 等。接着 从u s b 物理的拓扑结构和通信层次介绍u s b 体系结构及相关协议，并简介了设备枚举的 过程。 第三章：介绍了系统总体规划，采用巨盛电子的高性能的嵌入式微处理器c s c 3 8 0 0 ， 3 提出将u s bo t g 技术高效地应用于便携式移动领域中，实现设备间的直接数据通信，并 结合具体项目o t g m p 3 使应用得以实现，对o t g m p 3 系统的硬件各模块进行了设计。 第四章：本章结合第二章u s b 系统结构的知识，从功能实现的角度详细地说明 o t g m p 3 主从机系统软件的开发，并对系统进行了基本的调试工作。 第五章：对论文的工作进行了总结和展望。 本文的创新之处在于采用的主控制器c s c 3 8 0 0 是一款整合多功能o t g 芯片，无需另 外扩展其它功能芯片，设计并实现的方案与市场上同类产品比较，具有组件简洁新颖，功 能多，产品开发周期短，成本低的特点，有利于o t g 技术的推广应用。 1 5 本章小结 本章阐述了课题的研究背景和研究意义，说明了对u s bo t g 应用研究的重要性；分 析了u s bo t g 技术的研究动态和发展趋势；最后给出了课题的来源和论文的结构，并说 明了本课题的创新之处。 4 第二章u s bo t g 系统及其通信协议 u s b o t g 标准做为u s b 2 0 的补充完全兼容u s b 2 0 标准。可是它又补充了很多新的 内容，如：新的线缆插口插座等机械电气特性，会话请求协议，主机交换协议等【3 】【7 】【引。 2 1u s bo t g 协议的改进 2 1 1 双重角色设备( d a u l r o l ed e v i c e ) 传统的u s b 通信在p c 主机和外围设备之间进行，要成为p c 主机设备必须具备以下 几方面特性： 能存储大量设备驱动程序 能提供大电流 一个a 系列主机连接器插座 让多数便携式移动设备拥有这样的特性并不现实，而且一般情况下便携式移动设备并 不需要这些。双重角色设备就是既能充当一般外设，同时又能充当主机角色，而且能自动 转换角色的设备。但双重角色设备一般是便携式移动设备，它不可能完全具备主机功能从 而代替主机，它只能实现有限的主机功能。双重角色是一个全新的概念，也是整个u s b o t g 技术的核心。o t g 补充规范对u s b 2 0 的最重要的扩展是其更具节能性的电源管理 和允许设备以主机和外设两种形式工作。为此o t g 定义了两种设备类型：双重角色o t g 设备和外设式o t g 设备。双重角色完全符合u s b 2 0 规范，同时它还提供有限的主机能 力和一个m i n i a b 插座、支持主机交换协议( h o s tn e g o t i a t i o np r o t o c o l ，h n p ) ，并和外设式 o t g 设备一样支持事务请求协议( s e s s i o nr e q u e s tp r o t o c o l ，s r p ) 。当作为主机工作时，双 重角色可在总线上提供8 m a 的电流，而标准主机则需要提供1 0 0 m a 一5 0 0 m a 的电流。双 重角色设备必须具有以下性能： 完全遵守u s b 2 0 规范； 有限的主机功能； 具有m i n i a b 插座； 作为外设( p e r i p h e r a l ) 时以全速( f u l l s p e e d ) 操作( 高速可选) ； 作为主机( h o s t ) 日寸以全速操作( 低速和高速可选) ； 作为主机时，双重角色设备不需要支持所有种类的u s b 外设，由生产厂商确定 该设备支持的外设种类； 可以使用会话请求协议s r p 和主机交换协议h n p ； v b u s 输出的电流最小是5 r n a ，当无总线操作时，允许关断v b u s ，达到省电的目 的。 5 2 1 2 主机交换协议h n p ( h o s tn e g o t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 由于o t g 设备有m i n i a b 插座，它可以根据插入的是哪种插头( m i n i a 插头是主机， m i n i b 插头是外围设备) 默认成为主机或外围设备。通过主机交换协议( h n p ) ，是外围设备 的双重角b 设备可以请求成为主机。这里介绍主机角色的交换过程。这个协议使用户无 需因为要改变连接设备的角色而交换电缆连接。 初始情况下，当两用设备连接了一个m i n i a 插头或者m i n ib 插头时，它相应以o t g 主机或者o t g 外设的默认方式工作。a d e v i c e 为默认主机，所以由它提供v b u s 电源， 且在检测到有设备接入时复位总线、枚举并配置b d e v i c e 。a d e v i c e 在完成对b d e v i c e 的识别后，可以通过查询b d e v i c e 的o t g 性能描述符判断是否支持h n p 协议( e l i 是否为 两用o t g 设备) 。如支持h n p ，b d e v i c e 将返回有效的o t g 性能描述符，a d e v i c e 则产 生一个s e tf e a t u r e 命令( 即h n p e n a b l e ) 来通知b d e v i c e 可以在总线挂起的时候以主机方 式工作，随后a d e v i c e 挂起总线。 b d e v i c e 通过上拉电阻( 全速时) 或者下拉电阻( 高速时) 拉低d + 以示连接断开。随后， 作为对b d e v i c e 断开的响应，a d e v i c e 使能它的数据线并开始以从机方式工作，完成这 些转换后，b d e v i c e 和a d e v i c e 便各自以主机角色和外设角色使用总线。如果该d e v i c e 属于两用o t g 设备且a d e v i c e 不再使用它了，a d e v i c e 便重发s e tf e a t u r e 命令并挂起总 线。若b d e v i c e 申请角色转换时出错，a d e v i c e 则拉低v b u s 以结束该事务。当b d e v i c e 正常结束传输事务时便挂起v b u s 使能其上拉电阻，重新以从机方式运行。a d e v i c e 检测 到总线挂起后，发出一个连接断开信号并重新以主机方式工作。 2 1 3 对话请求协议s r p ( s e s s i o nr e q u e s tp r o t o c 0 1 ) 为了节约能源，在不使用总线时o t g 规范允许o t g 主机( 指以主机方式工作的两用 o t g 设备，又称a 设备) 关断v b u s 。如果o t g 从机( 指外设式设备或者以外设方式工作 的两用o t g 设备，又称b 设备，此处指后者) 在v b u s 关断时需要使用总线，它必须使用 某种方法请求o t g 主机在v b u s 上供电。o t g 规范定义的对话请求协议就是为了实现这 一功能。 在传统的u s b 系统运行过程中，主机提供5 v 电源和不低于1 0 0 m a 的总线电流。当 o t g 主机采用有线供电时，这种方法是适用的，但在像手机、m p 3 这样随身携带的自供 电移动设备中，则不能承受如此大的电能浪费。为了节约能源，延长电池的使用寿命，当 总线上没有活动时，o t g 主机将挂起总线电源v b u s 。之后，当o t g 从机需要使用总线 时，它可以使用s r p 协议请求a d e v i c e 重新使能v b u s ，而后a - d e v i c e 使用h n p 协议交 换两个设备的工作方式，这两步完成后由新的o t g 主机开始事务传输。b d e v i c e 可在前 一事务结束2 m s 后的任意时问开始s r p 。 b d e v i c e 首先通过使能数据线上拉电阻( 全速和高速设备为d + ，低速设备为d ) 5 1 0 m s 实现数据线脉冲调制，然后驱动v b u s 实现v b u s 脉冲调制。v b u s 必须要有足够长的时间 6 对其电容充电，这个时间应能保证不大于1 3 p f 的电容充电至2 1 v ( o t g 设备的电容是 6 5 p f 或更小) ，从而不会对标准主机的9 6 p f 或更高的电容充电至2 o v 。该限制保证了从 b d e v i c e 引来的v b u s 电流不会破坏标准主机的端口。a d e v i c e 检测到数据线脉冲调制或 者v b u s 脉冲调制后，首先复位总线，然后发送s e tf e a t u r e 命令而先不进行设备的枚举， 此时b d e v i c e 尚处在默认的从机状态。如果s e tf e a t u r e 命令成功执行，说明b d e v i c e 为 两用o t g 设备，a d e v i e e ( 使用h n p 协议) 挂起v b u s 准备让b d e v i c e 交换为主机方式接 管总线。如果s e tf e a t u r e 命令执行失败，说明b d e v i c e 为外设式o t g 设备，于是a d e v i c e 使能v b u s 准备开始一个传输事务，此时a d e v i c e 只是被唤醒，并未改变工作方式。当 a d e v i c e 认为总线上没有传输需要时，挂起v b u s 以结束该事务。这个协议允许a d e v i c e ( 可 以是电池供电) 在总线未使用时通过切断v b u s 来节省能耗，也为b d e v i c e 启动总线活动 提供了一种方法。任何一个a d e v i c e ，包括p c 或便携式电脑，都可以响应s r p ；任何一 个b d e v i c e ，包括标准u s b 外设都可以启动s r p ；双重功能设各必须既能启动s r p 又能 响应s r p 。 2 2u s b 2 0 的基本特性 2 2 1u s b 基本架构 o t g 协议是u s b 2 0 的一个补充协议，它与u s b 协议完全兼容，因此体系结构的定 义模式也与u s b 基本一致，都是主机设备模式，只是o t g 设备既可以充当u s b 体 系结构中的主机也可以充当设备，模式开发o t g 设备必须熟悉u s b 2 0 体系结构【5 】【6 】【9 】。 u s b 系统的基本架构可以分为三个主要的部分： u s b 主机控制器根集线器 u s b 集线器 u s b 设备 u s b 主机控制器负责激活u s b 系统上的处理动作，简而言之，就是整个u s b 系统 的大脑。目前，为了提供统一的u s b 2 0 h c d ( h o s t c o n t r o l l e r d r i v e r ) 软件接1 2 1 设计，i n t e l 公司针对u s b 2 0 主机控制器推出了e h c i ( 增强式主机控制器接口) 规范。在u s b 系统中， 根集线器提供u s b 连接端口给所有u s b 设备或u s b 集线器使用。一台计算机可以同时 连接1 2 7 个u s b 设备，不可能由主机控制器去搜寻某个设备，主机控制器只要对根集线器 下命令，然后再由根集线器传到正确的设各地址。u s b 集线器的功用主要是提供另外的 u s b 连接端口供用户串接设备，整个u s b 连接的方式像金字塔型的结构。u s b 设备可以 分为全速设备、高速设备、低速设备三种类型。 2 2 2u s b 的总线结构 在u s b 2 0 系统中，最多可同时连入1 2 7 个u s b 设备，由各个设备均分带宽。一个 7 h c d 对应一个总线，所有的1 2 7 个设备( 包括所有的u s b 集线器、根集线器) ，系统中的 u s b 设备必须通过u s b 集线器的下游端口连接在u s b 总线上。u s b l 1 集线器的所有下 游端口只支持全速设备和低速设备，u s b 2 0 集线器的所有下游端口都可支持高速设备、 全速设备和低速设备。u s b 主机管理这个总线带宽和所有连接在总线上的设备，并通过 查询的方式与u s b 设备进行数据传输。总线拓扑结构图如图2 1 所示。 2 2 3u s b 集线器 图2 - 1u s b 2 0 总线拓扑结构图 从根本上讲，u s b 集线器是u s b 总线拓扑结构的必然产物。总的来说，协议为集线 器定义了如下几个功能： 连接功能 电源管理功能 总线的错误检测和恢复功能 对高速和全速、低速设备的支持功能 对设备的插拔管理 集线器的挂起和恢复功能 如图2 1 所示，所有的设备都通过根集线器连接，所有的主机和设备之间的数据通信 都通过集线器转发，每个集线器都有一个上游端口( 到主机) 和多个下游端i z i ( n 设备) 。根 据规范，u s b 2 0 集线器由集线器转发模块、集线器控制模块、事务处理转换模块、路由 8 逻辑处理、集线器状态机等部分组成。当上游端口连接到全速端口时，集线器不能工作在 高速状态。事务处理转换模块用于隔离高速数据传输和全、低速数据传输。 1 、集线器对速度的检测 集线器通过设备连接、断歼时的电气信号来判断设备的插拔动作，并通过d + 和d 信号电平来判断设备类型。集线器的下游端口的d + 和d 线上有一个1 5 k 的下拉电阻，全 速设备的d + 线上有1 5 k 的上拉电阻，低速设备的d 线上有1 5 k 的上拉电阻，高速设备 插上时首先是以全速方式工作的。由于集线器下游端口的下拉电阻和设备的上游端口的上 拉电阻的不同配置，从而导致了不同的编码状态，u s b 系统对设备的速度检测就是根据 此完成的。当设备插上以后，集线器给设备的上游端口供电，若d + 为高电平，d 为低电 平，表示插上的是全速设备；若d + 为低电平，d 为高电平，表示插上的是低速设备；高 速设备首先以全速设备的方式连接到u s b 2 0 集线器的下游端口上，当高速设备连接到集 线器端口后，根据硬件信号协议，集线器进一步判断是否为高速设备，同时发送相关的硬 件信号，u s b 设备也可判断该集线器端口是否支持高速数据传输。 2 、事务处理转换模块 在u s b 2 0 集线器中，t t 主要用来隔离高速数据传输和全低速数据传输。t t 由高速 管理模块、全低速管理模块、数据传输缓冲区组成。高速管理模块主要接收高速s s p l i t 事务处理和响应高速c s p l i t 事务处理。全低速管理模块主要用来与连接在集线器端口 上的全低速设备进行数据传输。数据传输缓冲区用来暂时存储u s b 事务处理的数据包和 跟踪事务处理状态。分离操作由三部分组成： 0 ) u s b 主机首先以高速数据传输方式，将相关的全速低速设备的数据传输包发送到 集线器。 ( 2 ) 然后，集线器采用合适的通信速度完成与u s b 设备间的数据传输。 ( 3 ) u s b 主机通过高速数据传输方式从集线器取得相关的数据传输状态，完成分离传 输过程。 2 2 4u s b 2 0 主机 u s b 主机是u s b 总线的核心部分，它负责管理整个u s b 总线上的所有信息。从概 念上讲，u s b 主机是包含u s b 主机软件驱动和u s b 主机硬件功能接口的计算机系统实 体。u s b 主机软件包括u s b 主机控制器驱动程序( h c d ) 、u s b 驱动软件( u s b d ) 和一系列 设备的客户端驱动程序。u s b 主机硬件是指u s b 主机控制器，图2 2 显示了u s b 主机和 设备通信模型的层次结构，两边都被划分了不同的通信层次。 1 、u s b 协议软件 u s b 协议软件通过主机控制器来管理和控制u s b 主机与设备之间的数据传输，相对 于主机控制器而言，它主要处理客户端驱动程序所见到的数据传输。u s b 协议软件和主 机控制器共同完成对u s b 系统中数据传输的处理，其功能的负责程度取决于主机控制器 的功能，如果主机控制器硬件强，协议软件的设计就相对简单。一般来说，u s b 协议软 9 件要完成的任务有： 对主机控制器硬件的管理 对系统总线的带宽管理 对四种传输方式的管理 对u s b 设备的配置和管理 对客户端驱动程序的管理和维护 主机物理设备 辱两 = j 实际通信流 逻辑通信流 图2 2u s b 数据通信模型层次结构图 u s b 协议软件包括2 个部分：u s b 主机驱动器控制程序( h o s t c o n t r o l l e r d r i v e r ，简称 h c d ) 和u s b 驱动( u s b d r i v e r ，简称u s b d ) 。h c d 用于完成u s b 主机控制器的配置和工 作管理，包括帧管理、数据传输管理、容错性管理、总线供电和电源管理等。协议软件将 h c d 列为一部分的目的，除了表示它与控制器管理紧密之外，还是为了扩展多个主机控 制器。一个h c d 控制一个主机控制器，表示一个u s b 系统，控制器硬件通过h c d 实现 与u s b d 的通信。u s b d 为上层的客户端驱动程序提供了面向功能的接口界面，简化了 驱动程序的设计。例如u s b d 提供了以i o 请求包为形式的数据传输，并将请求包放到特 定的管道中传输。除了这些功能外，协议软件还提供了一种特殊设备的驱动，即对集线器 的客户端驱动程序。 2 、设备的客户端驱动程序 它主要实现对特定设备功能的管理和配置等操作。客户端驱动程序对应设备的某个接 口，不能直接访问设备的硬件，需通过主机端的协议软件与设备的某个接口进行通信。在 逻辑数据交换层( 客户端驱动程序层和u s b 软件协议层) ，u s b 主机和u s b 设备是通过管 道( p i p e ) 的机制来实现逻辑上的点对点的连接通信。u s b 设备是u s b 总线系统的重要组 成部分，u s b 设备通过其设备描述符说明其相关的属性和与u s b 主机之间数据传输的方 式。 1 0 2 2 5u s b 2 0 设备 u s b 设备必须支持u s b 规范定义的标准命令和不同的类命令，同时u s b 主机端也 必须提供对u s b 设备的配置和管理工作。u s b i f 根据不同的设备应用特性，将u s b 设 备划分为不同的类型并制定了相关的设备规范( 如h i d 类规范、打印机类规范等) 。即插即 用是u s b 总线区别于以往计算机接口的主要特征。因而在硬件接口设计上，u s b 设备需 要让集线器的下游端口识别其插拔动作。一个典型的u s b 设备必须具有以下特点： 拥有自己的设备鉴别字，设备鉴别字为主机识别设备提供了可能； 必须具有相关协议定义的描述符，主机通过对设备的各种描述符的解释分析，来 选择设备的配置和驱动； 设备本身没有配置功能，必须支持规范定义的命令，根据主机的控制命令来完成 自己的配置。 1 、u s b 2 0 描述符 u s b 2 0 规范为u s b 设备定义了一套描述设备功能和属性的有固定结构的描述符，包 括标准的描述符：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， 和非标准的描述符，如类描述符等。u s b 设备通过这些描述符向u s b 主机汇报设备的各 种属性，主机通过对这些描述符的访问对设备进行类型识