（电力电子与电力传动专业论文）指纹采集系统中usb接口的软硬件设计.pdf

西比r d k 人j; -= fi vf ! 学 6 r 论之 ab s t r a c t i d e n t i f i c a t i o n b a s e d o n t h e h u m a n f i n g e r p r i n t is a n i m p o r t a n t r e s e a r c h d i r e c t i o n i n p a t t e rn r e c o g n i t i o n f i e l d . t h e a c q u i s i t i o n a n d t r a n s f e r o f t h e f i n g e r p r in t i ma g e h a v e a s e r i o u s e f f e c t o n t h e f i n g e r p r i n t r e c o g n i t i o n s y s t e m a s a n i n t e r f a c e o f t h e p c ,u s b h a s ma n y e x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s : c o n n e c t c o n v e n i e n t l y , n o t n e e d l o c a t e a n d i n s t a l l p r o g r a m, n o t n e e d s h u t d o w n a n d r e s t a r t p c w h e n p l u g g e d i n ; r e a l p l u g a n d p l a y ; h i g h s p e e d ( u s b u p r o t o c o l h a s 1 2 m b / s s p e e d ) ; n o t n e e d h a r d w a r e r e s o u r c e , n o h a r d w a r e c o n fl i c t , a u t o t e s t a n d c o n f i g u r e . t h e p r o c e s s o f t h e h a r d w a r e c i r c u i t d e s i g n , t h e f i r m w a r e p r o g r a m a n d d r i v e r d e v e l o p o f t h e f i n g e r p r i n t r e c o g n i t i o n s y s t e m i s d e s c r i b e d i n d e t a i l b a s e d o n t h e u s b 1 . 1 p r o t o c o l i n t h e p a p e r . t o m a t c h t i m i n g r e q u i r e m e n t o f t h e a c q u i s i t i o n a n d u s b t r a n s f e r s p e e d , a n d t o s i mp l i f y h a r d w a r e d e s i gn, e d a a n d c p l d t e c h n o l o g y a r e u s e d i n t h e p a p e r . k e y w o r d s : f i n g e r p r i n t rec o g n i t i o n ; u s b 1 . 1 p r o t o c o l ; f i r m w a re; d r i v e r p rog r a m; cpld (ri.l l卜 朴人学硕 卜 下位论文 第一章绪论 互1 . 1 选题的背景和意义 1 . 1 . ，指纹采集 基于人体指纹、 面相、 声音和虹膜等生物特征的身份识别是模式识别领域中 的一个重要研究方向。 当前研究和应用较多的是基于指纹的身份认证与识别。 指 纹图像的获取是指纹识别系统中的重要部分， 其性能严重影响系统的处 理效果。 当前除了极少情况下采用扫描指纹捺印采集图像外， 大部分指纹图像的获取是利 用指纹采集仪来实现的。 c mo s图 像传感器是近年来得到快速发展的一种新型固 态图像传感器。 它将 图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里， 体积明显减小、 功耗也大大降 低，满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的 c c d图像传感器 相比， c m o s 图像传感器还具有集成度高、 控制简单等诸多 优点， 并且在通常的 使用环境中， 其成像质量与 c c d没有明显差异。因此随着 c mo s 集成电路工艺 的不断进步和完善，c mo s图像传感器 已经广泛应用于各种通用图像采集系统 中，特别是小型化的指纹采集系统中。 1 . 1 . 2 u s b数据传输 随着现代计算机技术的发展和普及，以p c机为平台发展的数据采集系统 已成为当前数据采集技术发展的重要方向。 对需要大规模数据传输的数据采集系 统，其数据传输方式对数据采集速度有至关重要的影响。 ( 1 ) 计算机总线 计算机总线就是计算机几个模块间进行信息传输的通道。 利用总线， 一个设 备就可以完成与另一个 设备或多 个设备 之间的 通信。一 般来说， 计 算机总线分为 系统总线、外部总线、内部总线 扭 大部分。 1 )系统总线:用来与 p c 机系统扩充槽 l 的板卡相连，它是微型机系统最 重 要的种总线 般 淡到微 型机 总线 ，指 的就是这一 种 总线 .系统总线 ( (ri.l l卜 朴人学硕 卜 下位论文 第一章绪论 互1 . 1 选题的背景和意义 1 . 1 . ，指纹采集 基于人体指纹、 面相、 声音和虹膜等生物特征的身份识别是模式识别领域中 的一个重要研究方向。 当前研究和应用较多的是基于指纹的身份认证与识别。 指 纹图像的获取是指纹识别系统中的重要部分， 其性能严重影响系统的处 理效果。 当前除了极少情况下采用扫描指纹捺印采集图像外， 大部分指纹图像的获取是利 用指纹采集仪来实现的。 c mo s图 像传感器是近年来得到快速发展的一种新型固 态图像传感器。 它将 图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里， 体积明显减小、 功耗也大大降 低，满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的 c c d图像传感器 相比， c m o s 图像传感器还具有集成度高、 控制简单等诸多 优点， 并且在通常的 使用环境中， 其成像质量与 c c d没有明显差异。因此随着 c mo s 集成电路工艺 的不断进步和完善，c mo s图像传感器 已经广泛应用于各种通用图像采集系统 中，特别是小型化的指纹采集系统中。 1 . 1 . 2 u s b数据传输 随着现代计算机技术的发展和普及，以p c机为平台发展的数据采集系统 已成为当前数据采集技术发展的重要方向。 对需要大规模数据传输的数据采集系 统，其数据传输方式对数据采集速度有至关重要的影响。 ( 1 ) 计算机总线 计算机总线就是计算机几个模块间进行信息传输的通道。 利用总线， 一个设 备就可以完成与另一个 设备或多 个设备 之间的 通信。一 般来说， 计 算机总线分为 系统总线、外部总线、内部总线 扭 大部分。 1 )系统总线:用来与 p c 机系统扩充槽 l 的板卡相连，它是微型机系统最 重 要的种总线 般 淡到微 型机 总线 ，指 的就是这一 种 总线 .系统总线 ( 西 比) 业 ) _ j学硕十学位沦文 多种标准 如 p c i , i s a, e i s a等) ，其数据地址线不同，以使用 r 不同的应 用系统。有 一 些系统总线并小依赖 于某一种型号的 c p u,可为多种型 号的 c p u及配套芯片所使用。 2 )外部总线:它用于在系统之f u i 进行互联，如微机之间，微型计算机与仪 器或其 他设备 之r。 常用的总 线有r s - 2 3 2 c . i e e e - 4 8 8 . v x i . 并行口， u s b 等。 3 )片内总线:它位于微处理器芯片内部，用于 a l u ( 算术逻辑单元)及各 种寄存器等功能单元 之间进 行互联。 ( 2 ) 使用u s b总线数据传输 在中、高速连续数据采集中，由 于数据量较大， 采集板通常都做 成 a / d板 卡的形式，内置于 p c机内，占用 i s a或 p c i 插槽， 再通过 i s a或 p c i 的高速数 据传输， 实现p c机与 采样预处理下 位机系统的大容量数据交换。 但是，这 种内 置式采样很容易受到 p c机箱内的电磁干扰的影响，降低了采集系统的精度和稳 定性。而且，若使用 i s a 插槽，工程技术人员要求必须对计算机很熟悉，对接 口卡的硬件资源 u 0 地址、内存、中断、d ma 等)需要进行合理的配置。因 此， 这项工作将是一件相当艰 巨的任务， 即使一些专业人士， 也将花费很大精力 进行操作，那么对于非专业人士来说， 这项操作就更显得高深莫测。因此，利用 i s a卡进行数据采集难度较大。 为解决这种功能扩展口插卡的配置问题，9 0年代中期推出了即插即用接口 卜 标准 ( i s a p n p ) ， 有即插即用b i o s 和即 插即用 操作系统完成对 接口 卡资源的 自动配置， 使功能扩展接曰卡的使用变得简单。 但是即插即用扩展接口卡仍存在 以下i l 个问题: i )接f l 卡在插拔过程中必须停机，并且需要打j f p c机箱进行安装和拆卸， 这个过程仍需要 一 定层次的技术支持; 2 )接日插卡设备驭动程序的安装、调试直至正常运行的过程也需要各种技 术支持，特别是 接日 插卡作为 种硬件设备 插入p c后，总要占用p c的 各种硬件资源， 因此需要资源的配置和重配置即插即用算法虽然能解决 绝大部分的资源配置和重配置问题，但仍不能保证是 1 0 0 %白动解决。所 以，其安装和配置过 程仍需要 人 卜 预 。而当扩展 、 较多时.了 良有可能出 西北 业人学倾 卜 学位沦文 现一块或多块插 卜 因无法合理配p . 而不能正常 i _ 作的情况， f重时还可能 导致系统的崩溃; 3 )接口插卡的质量高低、兼容性和标准化的程度以及设备驱动程序的可靠 1性将直接影响计算机的可靠性和稳定性; 4 )对笔记木或移动 p c很难使用接口 插卡进行扩 一 展; 5 )这种内置式采样很容易受到 p c机箱内的电磁干扰的影响，降低了采集 系统的精度和稳定性。 因此，如采用外置式采集系统，所有以上问题将会迎刃而解。 对外置式数据采集系统， 数据传输必须利用计算机外围总线接口。 传统数据 传输所用的计算机外围接口多为并行口和串行口。 但是计算机的并行口和串行口 数量有限且传 输速率不高， 而计算 机外围设备却在日 新月异的变化和增加， 外设 对传输速率的要求 也 越来越高， 同时， 对串行 口和并行口的使用也无法做到热插 拔，安装时仍需要关闭计算机。 为了解决以_ 1 _ fr p7 题，一种新型的u s b ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s 通用串行总线) 应运而生。1 9 9 5年，由 c o m p a q , d i g i t a l e q u i p m e n t , i b m, i n t e l , m i c r o s o f t , n e c 和 n o r t h e r n t e l e c o m七家公司组成联盟， 并建立u s b - i f ( u s b 实施者论坛) ， 决定将最初为把电话接入p c机而设计的u s b作为一种计算机外设标准来推广。 1 9 9 6 年， u s b - i f 发布 u s b 1 .0 规范，为u s b产品提出设计 要求。1 9 9 8 年9 月， u s b - i f发布 u s b i a规范，该版本为目 前计算机操作系统以 及硬件平台 支持， 其传输速率支持 1 2 mb / s 和 1 .5 mb / s o 2 0 0 0年 4月，u s b - i f发布了u s b 2 . 0 最新 版本， 其速率高达 4 8 0 mb / s ， 同时兼容 u s b 1 . 1 规范， 在操作系统 wi n d o w s x p和 wi n d o w s 2 0 0 0中都提供支持。 u s b 的基本特点: . 速度快。 u s b 1 . 1 支持高 速和低速两种方式:1 2 m h p 、 和1 . 5 m h p s ，分别满 足不同设备的需要。 最新 推出的u s b 2 . 0 速度可以达到 4 8 0 m h p s ; . 扩 一 展方便。在u s b 设备上通常有l !s b 下行端口，也有专用的集线器。这种 扩展方式使u s b 能够接多个l : s b 外设。i i s b 系统般采用星型拓扑结构; .目动检测和配置外围设备; .支持即插即用 方式，支持热插拔: 西北 ! 业人学硕 十 学位论文 供电力 一 j l ,灵活。i is b 设备有两种供电方式:总线供电和自供电; 四种传输类型:中断传输 ( i n t e r r u p t ) 、控制传输 ( ( : o n t ， 一 。 ) )、 块 ( 批 量)传输 ( b u l k ) f 1 同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n )，满足不同设备的 需 要。 ; 1 . 2 本课题的主要任务 在利 用 c m o s图 像传 感器 o v 7 6 2 0实 现的指纹图像采集的系统中， 采集的 指 纹数据的传输是一个十分重要的环节， 本论文 就是 采用u s b u 规范标准来解 决外置式指纹图像采集系统与p c机间数据传输的 “ 瓶颈” ，实现采集数据与p c 机间准确、快速和方便的传输。其内容包括 u s b 1 . 1 协议规范的深入研究，u s b 传输接口硬件的设计，固件和驱动的开发。 1 . 3 本论文的内容介绍 在对u s b i a 协议规范和c y p r e s s 公司的 e z - u s b a n 2 1 3 1 q c u s b 接口主控芯 片分析研究的基础上， 论文提出了实现指纹图像采集系统中u s b 接口的软硬件设 计方案。论文共分以 f 几个部分: 第一章:绪论。介绍课题选择的背景及意义: 第二章: u s b 规范和协议。 详细地介绍了u s b 1 . 1 协议和规范， 这是整个u s b 接口 软硬件设计的基础: 第三章:简要介绍了和本沦文设计有关的 e d a技术的发展及应用，并介绍了基 于v e r i l o g h d l 语台 的c p l d开发 流程; 第四 章: 指纹采 集系统中u s b 接口 硬件设计。 在深入研究a n 2 1 3 1 q c u s b 主控芯 片和c mo s 图像传感器o v 7 6 2 0 的基础 匕 详尽的述叙 了 实现u s b 接i l 的 硬件电路的设计; 第五章: u s b 接口的软件设计 详细阐述了 实现u s b 最快传输的方案 和固件 设计， 描述了wd m驱动程序的开发; 第六章: 结束语。对本次论文的卞要 r 作和内容进行了总结，对 一 指出了在论文设 i 卜卜 存在的小是 西北 ! 业人学硕 十 学位论文 供电力 一 j l ,灵活。i is b 设备有两种供电方式:总线供电和自供电; 四种传输类型:中断传输 ( i n t e r r u p t ) 、控制传输 ( ( : o n t ， 一 。 ) )、 块 ( 批 量)传输 ( b u l k ) f 1 同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n )，满足不同设备的 需 要。 ; 1 . 2 本课题的主要任务 在利 用 c m o s图 像传 感器 o v 7 6 2 0实 现的指纹图像采集的系统中， 采集的 指 纹数据的传输是一个十分重要的环节， 本论文 就是 采用u s b u 规范标准来解 决外置式指纹图像采集系统与p c机间数据传输的 “ 瓶颈” ，实现采集数据与p c 机间准确、快速和方便的传输。其内容包括 u s b 1 . 1 协议规范的深入研究，u s b 传输接口硬件的设计，固件和驱动的开发。 1 . 3 本论文的内容介绍 在对u s b i a 协议规范和c y p r e s s 公司的 e z - u s b a n 2 1 3 1 q c u s b 接口主控芯 片分析研究的基础上， 论文提出了实现指纹图像采集系统中u s b 接口的软硬件设 计方案。论文共分以 f 几个部分: 第一章:绪论。介绍课题选择的背景及意义: 第二章: u s b 规范和协议。 详细地介绍了u s b 1 . 1 协议和规范， 这是整个u s b 接口 软硬件设计的基础: 第三章:简要介绍了和本沦文设计有关的 e d a技术的发展及应用，并介绍了基 于v e r i l o g h d l 语台 的c p l d开发 流程; 第四 章: 指纹采 集系统中u s b 接口 硬件设计。 在深入研究a n 2 1 3 1 q c u s b 主控芯 片和c mo s 图像传感器o v 7 6 2 0 的基础 匕 详尽的述叙 了 实现u s b 接i l 的 硬件电路的设计; 第五章: u s b 接口的软件设计 详细阐述了 实现u s b 最快传输的方案 和固件 设计， 描述了wd m驱动程序的开发; 第六章: 结束语。对本次论文的卞要 r 作和内容进行了总结，对 一 指出了在论文设 i 卜卜 存在的小是 两 l i _ 业人学硕 i 位论交 第二章u s b规范和协议 互 2 . 1 u s b 的设计目标 为解决微机 系统中各类外设和 c p u连接接口标准各 自 独立、互不兼容、无 法共享、 配置 麻烦等f ill 题， 一种新型的 总线标准u s b ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s 通用 串 行总 线) 应运而生。1 9 9 5年，由 c o m p a q , d i g i t a l e q u i p m e n t , i b m, i n t e l , m i c r o s o f t , n e c 和n o rt h e r n t e l e c o m七家公司组成联盟， 并建立u s b - i f ( u s b 实 施者论坛) ，决定将最初为把电 话接入p c机而设计的u s b作为一种计算机外设 标准来推广。1 9 %年， u s b - i f发 布u s b 1 .0 规范，为u s b 产品 提出设计要求。 1 9 9 8 年9 月，u s b - i f 发布 u s b 1 . 1 规范， 该版本为日 前计算机操作系统以 及硬 件平台支持， 其传输速率支持 1 2 m b / s 和1 . 5 m b / s o 2 0 0 0 年4 月， u s b - i f 发布了 u s b 2 .0最新版本， 其速率高达 4 8 0 m b / s ，同 时兼容 u s b l i 规范， 在操作系 统 wi n d o w s x p和 wi n d o w s 2 0 0 0中都提供支持。 u s b 1 . 1 的工业标准是 对 p c机现有的体系结 构的扩充。u s b i a的设计主 要遵循以下几个准则: 易于扩充多个外围设备; 对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持; 协议灵活，综合了同步和异步数据传输; 兼容了不同设备的技术; 综合了不同p c机的结构和体系特点。 2 . 2 u s b 物理接 口和电平特性 2 . 2 . 1 u s b物理接口 l s b 传送信号和电源是通过一根四线的电缆， 如图2 - 1 所示:电缆中使用 v 日 is i ) 一 t - ( 1 入 i ) v6 ts 生 ) 一 ) - g n i ) 图 2i 1 _ 5 1 i的电缆 两 l i _ 业人学硕 i 位论交 第二章u s b规范和协议 互 2 . 1 u s b 的设计目标 为解决微机 系统中各类外设和 c p u连接接口标准各 自 独立、互不兼容、无 法共享、 配置 麻烦等f ill 题， 一种新型的 总线标准u s b ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s 通用 串 行总 线) 应运而生。1 9 9 5年，由 c o m p a q , d i g i t a l e q u i p m e n t , i b m, i n t e l , m i c r o s o f t , n e c 和n o rt h e r n t e l e c o m七家公司组成联盟， 并建立u s b - i f ( u s b 实 施者论坛) ，决定将最初为把电 话接入p c机而设计的u s b作为一种计算机外设 标准来推广。1 9 %年， u s b - i f发 布u s b 1 .0 规范，为u s b 产品 提出设计要求。 1 9 9 8 年9 月，u s b - i f 发布 u s b 1 . 1 规范， 该版本为日 前计算机操作系统以 及硬 件平台支持， 其传输速率支持 1 2 m b / s 和1 . 5 m b / s o 2 0 0 0 年4 月， u s b - i f 发布了 u s b 2 .0最新版本， 其速率高达 4 8 0 m b / s ，同 时兼容 u s b l i 规范， 在操作系 统 wi n d o w s x p和 wi n d o w s 2 0 0 0中都提供支持。 u s b 1 . 1 的工业标准是 对 p c机现有的体系结 构的扩充。u s b i a的设计主 要遵循以下几个准则: 易于扩充多个外围设备; 对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持; 协议灵活，综合了同步和异步数据传输; 兼容了不同设备的技术; 综合了不同p c机的结构和体系特点。 2 . 2 u s b 物理接 口和电平特性 2 . 2 . 1 u s b物理接口 l s b 传送信号和电源是通过一根四线的电缆， 如图2 - 1 所示:电缆中使用 v 日 is i ) 一 t - ( 1 入 i ) v6 ts 生 ) 一 ) - g n i ) 图 2i 1 _ 5 1 i的电缆 西_ 化i 业人子硕 卜; ( ; ; 仑迈 v b u s , g n d 几 条线向设备提供电源 ( v b u s为十 ;5 l )但每个u s b主机通过电缆只 能提供有限的电源。 d + , d - 是串行数据通信线，它支持两种数据传输率:u s b的全速信号的比特 率为 1 2 m b p s ; 低速信号传送的比 特率为l . s m b p s e u s b 总线会恨 据u s b 设备情况 在两种传输速率中自 动动态转换。 图2 -2 和图2 -3 所示为全速和低速设 备与 主 机或集线器的连接。 田2 甲 2 全速设备电 组和电阴的连接 普通 无屏蔽线 最长为3 米 r l = 1 5 k 口 r 2 - l . 5 k 0 川 2 . 3低速改备电纽和电阻的连接 2 .2 . 2 u s b电平特性 u s b主机 ( 或集线器)和设备采用差分输出驱动器将数据信号驱动到 u s b电 缆上，其电 平特性如表 2 一 1 所示: 表 2 一 1 信号电平 西_ 化i 业人子硕 卜; ( ; ; 仑迈 v b u s , g n d 几 条线向设备提供电源 ( v b u s为十 ;5 l )但每个u s b主机通过电缆只 能提供有限的电源。 d + , d - 是串行数据通信线，它支持两种数据传输率:u s b的全速信号的比特 率为 1 2 m b p s ; 低速信号传送的比 特率为l . s m b p s e u s b 总线会恨 据u s b 设备情况 在两种传输速率中自 动动态转换。 图2 -2 和图2 -3 所示为全速和低速设 备与 主 机或集线器的连接。 田2 甲 2 全速设备电 组和电阴的连接 普通 无屏蔽线 最长为3 米 r l = 1 5 k 口 r 2 - l . 5 k 0 川 2 . 3低速改备电纽和电阻的连接 2 .2 . 2 u s b电平特性 u s b主机 ( 或集线器)和设备采用差分输出驱动器将数据信号驱动到 u s b电 缆上，其电 平特性如表 2 一 1 所示: 表 2 一 1 信号电平 西北 业人学硕十学位论 t 2 . 3 系统结构 1 个u s b 1 . 1 系 统主要被定义为三个部分: u s b 的互 连; u s b 的 设备; ， u s b的主机。 2 . 3 . 1 u s b互连 u s b的互连是指 u s b设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以 卜 儿方面: 总线的拓扑结构:u s b 设备与 1 = .机之间的各种连接力 一 式: 内部层次关系 :根据性能叠6 , t s b 的仟务被分配到系统的侮 个层次; 数据流模式: 描述 了 数据( i - 系统中通过曰玛从。 曰 一 匀到使m l 方的流动匀式; 西北 业人学硕十学位论 t 2 . 3 系统结构 1 个u s b 1 . 1 系 统主要被定义为三个部分: u s b 的互 连; u s b 的 设备; ， u s b的主机。 2 . 3 . 1 u s b互连 u s b的互连是指 u s b设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以 卜 儿方面: 总线的拓扑结构:u s b 设备与 1 = .机之间的各种连接力 一 式: 内部层次关系 :根据性能叠6 , t s b 的仟务被分配到系统的侮 个层次; 数据流模式: 描述 了 数据( i - 系统中通过曰玛从。 曰 一 匀到使m l 方的流动匀式; 西北 业人学硕十学位论 t 2 . 3 系统结构 1 个u s b 1 . 1 系 统主要被定义为三个部分: u s b 的互 连; u s b 的 设备; ， u s b的主机。 2 . 3 . 1 u s b互连 u s b的互连是指 u s b设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以 卜 儿方面: 总线的拓扑结构:u s b 设备与 1 = .机之间的各种连接力 一 式: 内部层次关系 :根据性能叠6 , t s b 的仟务被分配到系统的侮 个层次; 数据流模式: 描述 了 数据( i - 系统中通过曰玛从。 曰 一 匀到使m l 方的流动匀式; 西比! _ 、 比 大学硕 卜 学位论交 p s- b的调度:u s b提供了一 个共享的连接， 对可以使用的连接进行了调度以 支持同步数据传输，并且避免了优先级判别的少 销 2 . 3 . 2 u s b设备 1 .u s b 设备分 类 u s b 设备主要分为两类:集线器和功能部件。集线器可以提供更多的 u s b 的 连接点，功能部件提供了具体的功能。 ( 1 ) 集线器 在即插即用的u s b 的结构体系中， 集线器是一种重要设备。 从 用户的 观点出 发，集线器极大简化了u s b的互连复杂性。 每个集线器的上游端口向主机方向进行连接。每个集线器的下游端口允许连 接另外的集线器或功能部件，集线器可检测每个下游端口的设备的安装或拆卸， 并可对下游端口的设备分配能源， 每个下游端口都具有独立的能力， 不论全速或 低速设备均可连接。 2 ) 功能部件 功能部件是一种通过总线进行发送接收数据和控制信息的 u s b 设备， 通过一 根电缆连接在集线器的某个端口上或连接在主机上， 功能设备间一般是一种相互 无关的外设。 每个功能设备都包含有设置信息， 来描述该设备的性能和所需资源 ， 主机要在功能部件使用前对其进行设置。 设置信息包括u s b 带宽分配， 选择设备 的设置信息等。 2 .u s b 设备端点 、 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。 而设备中的每个 端点在设备内部有唯的端点号， 这个端点号是在设备设计时被给定。 每个端点 都是一个简单的连接点，或者支持数据流进设备，或者支持数据流出设备 个端点的特性决定 了 它与客户软件进行的传送的类型一 个端点有以 特 个 卜 : 端点的总 线访问 频率要 求 端点的总线延迟要求 西比! _ 、 比 大学硕 卜 学位论交 p s- b的调度:u s b提供了一 个共享的连接， 对可以使用的连接进行了调度以 支持同步数据传输，并且避免了优先级判别的少 销 2 . 3 . 2 u s b设备 1 .u s b 设备分 类 u s b 设备主要分为两类:集线器和功能部件。集线器可以提供更多的 u s b 的 连接点，功能部件提供了具体的功能。 ( 1 ) 集线器 在即插即用的u s b 的结构体系中， 集线器是一种重要设备。 从 用户的 观点出 发，集线器极大简化了u s b的互连复杂性。 每个集线器的上游端口向主机方向进行连接。每个集线器的下游端口允许连 接另外的集线器或功能部件，集线器可检测每个下游端口的设备的安装或拆卸， 并可对下游端口的设备分配能源， 每个下游端口都具有独立的能力， 不论全速或 低速设备均可连接。 2 ) 功能部件 功能部件是一种通过总线进行发送接收数据和控制信息的 u s b 设备， 通过一 根电缆连接在集线器的某个端口上或连接在主机上， 功能设备间一般是一种相互 无关的外设。 每个功能设备都包含有设置信息， 来描述该设备的性能和所需资源 ， 主机要在功能部件使用前对其进行设置。 设置信息包括u s b 带宽分配， 选择设备 的设置信息等。 2 .u s b 设备端点 、 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。 而设备中的每个 端点在设备内部有唯的端点号， 这个端点号是在设备设计时被给定。 每个端点 都是一个简单的连接点，或者支持数据流进设备，或者支持数据流出设备 个端点的特性决定 了 它与客户软件进行的传送的类型一 个端点有以 特 个 卜 : 端点的总 线访问 频率要 求 端点的总线延迟要求 西 比 , lk人 厂 影俪， 长学位论 丈 端点的带宽要求 端点的端点号 对错误处理的要求 端点能接收或发送的包的最大长度 端点的传送类型 端点与主机的数据传送方向 端点号不为0的端点在被设置前处于未知状态，不能被主机访问。 3 . u s b 通道 一个u s b 通道是设备上的一个端点 和主 机上软件之间的联系。 体现了 主机上 缓存和端点间传送数据的能力。 有两不同的且互斥的通道通信格式: 流 s t r e a m ) :指不具有 u s b定义的格式的数据流。 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。 u s b不解释在通道中 传送的数据的内 容。消息通道要求数据组织成u s b 定义 的格式，但它的内容 u s b是不管的。 ( 1 ) 流( s t r e a m ) 通道 流通道中的数据是 流的形式， 也就是该数据的内容不具有u s b 要求的 结构。 数据从流通道一端流进的顺序与它们从流通道另一端流出时的顺序是一样的， 流 通道中的通信流总是单方 向的。 对于在流通道中传送的数据，u s b认为它来自同一个客户。在流通道中传送 的数据遵循先进先出 原则， 且流只能连到一个固定号码( 这个号码是由 协议层决 定的) 的端点上，或者流进或者流出。 ( 2 ) 消息( m e s s a g e ) 通道 消息通道与 端点的关系同流通道与端点的关系是不同的。 首 先主机向u s b 设 备发出一个请求，接着就是数据的传送，最后是一个状态阶段。为了能够容纳请 求、 数据、状态的变化，消息通道要求数据有一个格式， 此格式保证了命令能够 可靠地被传送和确认。 消息通道允许双方向的信息流， 缺省控制通道就是 一 个消 息通道 u s b系统软川不会0 - 多个请求同时使用同个消息通道，个设k , 的p it 个消 西比1 收人学硕 卜 学位沦文 息通道在个时问段内也只能为个消息请求服务。 正常情况 卜， 在 匕 一个消息 末被处理完之前， 是不能向消息通道发下一个消息的。 但在育 错i ; 发生的情况下， 主机会取消这次消息传送， 并且不等设备将已收的数据处理完， 就汗始 卜 一次的 消息传送。 4 .u s b 设备描述符 u s b设备构架定义了一些描述符 d e s c r i p t o r )，用于存放 u s b设备的各种 信息。 描述符是一个带有一定 格式的数 据结构。 每个u s b 设备 都必须有设 备描述 符、 配置描述符、 接口描述符和端点描述符。 这些描述符提供的信息包括目 标 u s b 设备的地址、数据传输的类型、数据传输包的大小和数据传输带宽请求等。 设备描述符:一个 u s b设备只有一个设备描述符，它包含了设备设置所用 的默认通道的信息和设备的一般信息: 配置描述符:一个u s b 设备有一个或多个配置描述符。 配置描述符包含配 置的一般信息和配置时所需要的接口数， 每个配置有一个或多个接口，当主机请 求配置描述符时，接口描述符和端点描述符也一同返回; 接 口描述符: 一 种配置可能支持一个或多个接口。接口描述符提供接口的 一般信息， 也用于指定具体接口所支持的设备类型和该接口 通信时所用的端点描 述符数 ( 不将端点 0 计算在内); 端点描述符:一个接口可能含有一个或多个端点描述符，分别定义各自的 通信端点，端点描述符提供的是该端点所支持的传输类型和最大传输速率。 用户驱动程序通过设备的描述符来获取设备的相关信息， 在设备接入主机时， u s b 系统软件根 据这些信息进行相 关操作。 2 .3 . 3 u s b主机 u s b主机在整个 u s b系统中是唯一的，它包括三个层次。 u s b 总线接口 1 1s b系统( u s b s y s t e m ) u s b客户( c l i e n t ) 其 和 ，u s b 总线接l = 1 处理电气及协议层的f l _ 连。从f i 连的角度看，u s b 设备 和 u s b - 1 -. + 1 l 都提供类似的 u s b总线接c l ,如串行接i i 引擎( s c r i e l t ( r v n c e h i t ; i 一 川l ? ) 山 1 几 f 机在 l s b系统， ， 的特州 、 州，l :i l l i 机 卜 的已线拔i i 还必须 西比1 收人学硕 卜 学位沦文 息通道在个时问段内也只能为个消息请求服务。 正常情况 卜， 在 匕 一个消息 末被处理完之前， 是不能向消息通道发下一个消息的。 但在育 错i ; 发生的情况下， 主机会取消这次消息传送， 并且不等设备将已收的数据处理完， 就汗始 卜 一次的 消息传送。 4 .u s b 设备描述符 u s b设备构架定义了一些描述符 d e s c r i p t o r )，用于存放 u s b设备的各种 信息。 描述符是一个带有一定 格式的数 据结构。 每个u s b 设备 都必须有设 备描述 符、 配置描述符、 接口描述符和端点描述符。 这些描述符提供的信息包括目 标 u s b 设备的地址、数据传输的类型、数据传输包的大小和数据传输带宽请求等。 设备描述符:一个 u s b设备只有一个设备描述符，它包含了设备设置所用 的默认通道的信息和设备的一般信息: 配置描述符:一个u s b 设备有一个或多个配置描述符。 配置描述符包含配 置的一般信息和配置时所需要的接口数， 每个配置有一个或多个接口，当主机请 求配置描述符时，接口描述符和端点描述符也一同返回; 接 口描述符: 一 种配置可能支持一个或多个接口。接口描述符提供接口的 一般信息， 也用于指定具体接口所支持的设备类型和该接口 通信时所用的端点描 述符数 ( 不将端点 0 计算在内); 端点描述符:一个接口可能含有一个或多个端点描述符，分别定义各自的 通信端点，端点描述符提供的是该端点所支持的传输类型和最大传输速率。 用户驱动程序通过设备的描述符来获取设备的相关信息， 在设备接入主机时， u s b 系统软件根 据这些信息进行相 关操作。 2 .3 . 3 u s b主机 u s b主机在整个 u s b系统中是唯一的，它包括三个层次。 u s b 总线接口 1 1s b系统( u s b s y s t e m ) u s b客户( c l i e n t ) 其 和 ，u s b 总线接l = 1 处理电气及协议层的f l _ 连。从f i 连的角度看，u s b 设备 和 u s b - 1 -. + 1 l 都提供类似的 u s b总线接c l ,如串行接i i 引擎( s c r i e l t ( r v n c e h i t ; i 一 川l ? ) 山 1 几 f 机在 l s b系统， ， 的特州 、 州，l :i l l i 机 卜 的已线拔i i 还必须 西_ 比业 人学 硕 扮 位 论 丈 具备1 机 控制器 的功能( h o s t c o n t r o l l e r ) ，主机控制器具有一个内集 成的集线 器( 根集线器) 提供 与u s b电缆的连接。 u s b系 统( u s b s y s t e m ) 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 统层相对于主 机控 制器而言， 其处理的 是以客 户角度见到的 数据传输及客 户与设备的交互。l s b 系统还必须管理 u s b 的系统资源，以使得客户的访问成为 可能。 客户层描述的是直接与u s b 设备 进行交互所需要的软件包。 当 所有的设备都 己连上系统时， 客户就可以直接与设备进行通信。 一个客户不能 直接访问设备的 硬件。 图2 -4 为从主机角度见到的主机与设备通信示意图。 客户 ( 管理界面) 通道组 ( 到某一接口) i r p s酉 己 置信息 us b 驱动器主机软利 标准通道 ( 到缺省端口地址) 主机控制器驱动 us b.系统( 管理通道 ) 硬件 定义 土 机 控 制 器 a ti f l-tl l 4 f s 正 u s b 电缆 u s b总线接 口 实际通信 流 逻 辑通信流 图 2 一4 机通信图 西_ 七卜11灯节 硕 卜下位论z 2 . 3 . 4 u s b系统拓扑结构 u s b 系统的拓扑连接是有层次性的星型 结钩。 每个网络集线器 是在星型的中 心，每条线段是点点连接，从主机到集线器或其它功能部件，或从集线器到集线 器或其它功能部件，图 2 -5是 s b系统的拓扑结构。 hos t ( ro o t ti e r ) ti e r 1 下i e r 2 t ier 3 ti e r 4 n o de 1 1 node 图2 -5 u s b 总线的拓扑结 2 . 4 u s b 传输类型 u s b 通过通道在主机缓冲区与设备端点间传送数据。u s b 定义了4 种数据传 输类型: ( 1 )控制传输:可靠的、 非周期性的、山主机软件发起的请求或者回应的传 输。 控制传输通常用于命令事务和状态事务， 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 传输。 ( 2 )同步传输:在主机与设备之间的周期性的、 连续的通信。同步传输 一 般 用于传输与时间相关的信息。同步传输有以下几个特点: 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 匕 ，就能保证通道 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。 ( 3 )中断传输:小规模数据的、 低速的、固定延迟的传 输 ( 4 ) 批髦传输: 周期性的，大包的可靠的传输。典t f._j 地用 于 传输那止 e , t ij ( j 利用仟何带命的数据，in l . 这些数据 i 没有可用带宽时 1 u容忍等待 批o f 西_ 七卜11灯节 硕 卜下位论z 2 . 3 . 4 u s b系统拓扑结构 u s b 系统的拓扑连接是有层次性的星型 结钩。 每个网络集线器 是在星型的中 心，每条线段是点点连接，从主机到集线器或其它功能部件，或从集线器到集线 器或其它功能部件，图 2 -5是 s b系统的拓扑结构。 hos t ( ro o t ti e r ) ti e r 1 下i e r 2 t ier 3 ti e r 4 n o de 1 1 node 图2 -5 u s b 总线的拓扑结 2 .