（微电子学与固体电子学专业论文）海量存储类usb+host的关键技术研究.pdf

j j j 华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前大多数便携式设备都使用u s b 接口与p c 进行通信，这也造成了u s b 设备 对p c 的依赖。如果能够在脱离p c 的条件下，实现这些设备之间的通信，将会给用 户带来很大的方便。为了达到这一目的，本课题设计并实现了一个嵌入式u s b 数据 交换平台。该系统能够直接驱动u s b 接口的移动存储设备，实现它们之间的直接通 住 1 日o 完成上述功能有两种可行的方式：一是设计一个遵从o t g 规范的嵌入式u s b 控 制系统，在u s b 从设备之间建立点到点的通信；二是设计一个嵌入式的u s b 主机控 制系统。如果采用第一种方案，那么这个控制系统一般固化在某个u s b 设备内，例 如市面上常见的数码伴侣，该方案通过一个集线器与其他u s b 从设备建立连接。这 样设计的好处是：该设备具有了双重功能，既可以作为主机与其它u s b 从设备进行 通信，又可以作为普通的从设备被p c 机访问。如果选择第二种方案，那么可以做成 一个独立的u s b 主控平台，通过它可以实现任意的两个或者多个u s b 从设备之间的 相互通信。与前者相比，这种方式更具灵活性。因此，我们设计了一个嵌入式u s b 主控系统。 论文重点描述了如何实现系统的通用性，即任意两个移动存储设备之间都能进行 通信，以及如何提高系统可靠性。同时，也对开发过程中遇到的- 些问题进行了分析。 论文的研究成果对其它u s b 系统的开发具有一定参考价值。 关键词：海量存储类u s b 主机f a t 文件管理系统可靠性 、 、_ ， 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o s to ft h ep o r t a b l ed e v i c e sc u r r e n n yu s e du s bi n t e r f a c ef o rc o m m u n i c a t i o nw i t hp c ， w h i c ha l s og e n e r a t e dt h ed e p e n d e n c eo np c ，i fc o m m u n i c a t i o n sc o u l db em a d eb e t w e e n u s bd e v i c e sw i t h o u tp c si n t e r v e n t i o n ，i tw i l lb r i n gg r e a tc o n v e n i e n c et ou s e r s f o rt h i s p u r p o s e ，w ed e s i g n e dau s b d a t ae x c h a n g ep l a t f o r mw h i c hs a t i s f i e st h ed e m a n d m o b i l e s t o r a g ed e v i c e sc o u l dc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rv i at h i sp l a t f o r m t h e r ea r et w op o s s i b l ew a y st oc o m p l e t et h ef u n c t i o n ：f i r s t , d e s i g na l le m b e d d e d c o n t r o ls y s t e mc o m p l i e sw i t ht h eu s bo t gs p e c i f i c a t i o n , w h i c hw i l lm a k eap o i n t - t o - p o i n t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu s bs l a v ed e v i c e s ；s e c o n d ，d e s i g na ne m b e d d e du s bh o s t s y s t e m i fw eu s m gt h ef i r s tt h e m e ，t h ec o n t r o ls y s t e ma r eg e n e r a l l ye m b e d d e di nau s b d e v i c e ，d i g i t a lp a r t n e rf o re x a m p l e ，w h i c hc o n n e c t sw i t ho t h e rs l a v ed e v i c e st h r o u g hah u b ， t h ea d v a n t a g ei s ：t h ed e v i c eh a v ed u a lr o l e ：a sah o s t ，i tc o u l dc o n n e c tw i t ho t h e ru s bs l a v e d e v i c e s ；a n da sad e v i c e ，i tc o u l db ea c c e s s e db yp c i fw ec h o o s et h es e c o n dt h e m e ，i tw i l l b eas t a n d - a l o n eu s bh o s tp l a t f o r m ；a n yt w oo rm o r eu s bd e v i c e sc o u l dc o m m u n i c a t e w i t he a c ho t h e rv i ai t c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r , i ti sm o r ef l e x i b l e t h e m f o r e ，w e d e s i g n e da ne m b e d d e du s b h o s ts y s t e m t h i sp a p e r sd e s c r i p t i o nf o c u so nh o wt or e a l i z et h ec o m m o n a l i t yo ft h es y s t e m ，t h a ti s ， a n yt w om o b i l es t o r a g ed e v i c ec o u l dw o r k o nt h ep l a t f o r m ，a sw e l la sh o wt oi m p r o v et h e s y s t e m sr e l i a b i l i t y i ta l s oa n a l y s i st h ep r o b l e m se n c o u n t e r e dd u r i n gd e v e l o p m e n t p a p e r s r e s e a r c hp r o d u c t i o ni sv a l u a b l et oo t h e ru s b s y s t e m sd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：m a s ss t o r a g ec l a s s u s bh o s tf a t m a n a g e m e n t s y s t e m sr e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：。簿 幻研 如石年钼0 日 学位论文版权使用授权书 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： 学校有权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。本人授权华中科技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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：彩龟豸邸 指导教师签名： 知韬年舌只o 日 多s 年岁日粤 华中科技大学硕士学位论文 1 i 引言 1 绪论 u s b 已经成为一种p c 和外设之间交换数据的常用接口，日益增长的便携式外设 都使用u s b 接口和p c 进行通信，这也造成了u s b 设备对p c 的依赖。因此，如果能 实现这些设备相互之间的通信将会给用户带来很大的方便。但是u s b 的某些规范使 之实现起来有困难，尤其是u s b 通信只发生在一个主机和二个外设之ne 3 1 1 。为了实现 这一功能，有两种可行的方式： 1 让移动设备具有p c 主机的功能 为了取得p c 主机的资格，这样的设备必须包含以下几个特性： 存储大量的设备驱动程序 产生大电流的能力 一个标准主机连接器插孔 要求大量的便携式设备都有上述特性是不现实的，而且在很多情况下，在某些应 用中并不要使用到这些特性。为了满足这些限制要求，便携式u s b 的应用 ( o n - t h e - g o ) ，作为u s b2 0 规范的补充发展起来了。它允许一个便携式设备成为 一个u s b 主机而不需要支持一个p c 主机的所有功能。这个补充标准的目的是要定义 一个对u s b2 0 规范作最低限度的改变来实现便携式u s b 设备的应用。u s b o n = t h e g o ( o t g ) 并不是一个独立的规范，它是u s b2 0 规范的补充，任何一个在 这个规范中没有更改的u s b 标准仍受u s b2 0 的约束【1 7 】【2 0 】。这个补充规范并不单是为 便携式电子设备制定的，它同样适用于p c 的外设或任何非便携式设备。 o t g 是种点到点的通信标准，它在任何时候都有主机从机两种角色。点到点的 通信能力建立在定义好的机构上，允许主机和从机之间的角色转换。一个o t g 设备 并不局限于仅跟另一个o t g 设备相连。由于内置有u s b 主机和u s b ) b 设，所以，当外 部连接一个u s b ) b 设时，它用作u s b 主机，类似地，当外部连接一个u s b 主机时，它 华中科技大学硕士学位论文 用作u s b # b 设l j 。 从o t g 规范的上述特点可以看出，它突破了p c 主机的约束允许一个u s b 夕b 设拥有 受限的主机功能实现与其它u s b # b 设通信，为在p c 连接不可行或不能实现的情况下提 供了一个外设之间直接通信的解决方案 2 3 】。 2 设计一个具有u s b 主机功能的控制平台 这实际是设计一个嵌入式的u s b 主机，与o t g 的设计不同的是，我们并不需要将 u s b 主机的功能固定在某个移动设备内，而是做成一个独立的系统，通过这个系统可 以实现任意的两个便携式设备的互连，所以，这种方式更具灵活性。 在一个基于p c 的系统中，u s b 操作需要三种主要元件，即主控制器( 常常是p c i 子系统的一部分) 、u s b 堆栈和u s b 类驱动器。主控制器是集成母板芯片组的组成部 分，目前的大多数p c 都在母板上实现了u s b 2 0 。u s b 堆栈包括用于母板上的驱动器 以及u c h i ( 通用主控制器接口) 、o h c i ( 开放式主控制器接口) 和u s b 驱动程序 ( u s b d s y s ) 。在一个嵌入式u s b 主机系统中，主要元件与基于p c 的系统相似，即：嵌 入式主控制器硅片、具有o h c i 堆栈的实时操作系统( r t o s ) 和专用驱动器。 从嵌入式u s b 主机系统的基本要素中可以看出，它的设计更强调一个完整的u s b 主机功能，而不关心与p c 的连接，因而可以不具备u s b 设备的功能。 1 2 课题背景 在实际的设计中，可以根据课题的要求选择上述之一的方式实现u s b 设备间的 互连。受日本富士通研究所的委托，要求我们实验室开发一套基于m o 的数码相机转 存系统。要求该系统能够直接驱动数码相机和m o ，在脱离p c 的环境下实现数码相 机中的图片到m o 盘片的备份。 从课题的要求可以看出，它强调的是在p c 连接不可行或不能实现的情况下提供 一个外设之间直接通信的方法，因此，我们选择设计一个嵌入式u s b 主机系统来实 现这种连接。 在系统的开发过程中，我们并没有局限于数码相机和m o 之间的互连，而是将其 设计成一个通用的接口，也就是说，凡是遵从u s b 海量存储类标准的u s b 移动存储 2 华中科技大学硕士学位论文 设备，该系统就可以实现它们之间的通信。 1 3 本文研究的主要内容 论文抛开了复杂的嵌入式u s b 主机设计的过程，而抓住了在设计中必须注意的 两个要点来展开详细的论述。这两个部分的内容是：系统的通用性设计和系统的稳定 性设计。 系统的通用性设计重点说明了如何实现一个简易通用的接口，所谓“通用”的意 思就是使所有遵从海量存储类标准的u s b 设备都能够被系统驱动。需要考虑的因素 涵盖了u s b 基本驱动、设备类驱动、系统应用层以及u s b 硬件的一些约束。因此通 用性的设计对于开发人员来说是必要的。 本文所说的系统稳定性包括两个方面：电气环境的稳定性和u s b 传输的稳定性。 前者的实现需要硬件的保障，而后者则通过u s b 系统的错误处理来改善。稳定的电 气环境包括信号的完整性和电源的合理布局这两个方面。而u s b 系统的错误处理则 围绕数据的重新传输展开论述。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统分析和设计 我们采用了现在比较流行的a r m 7 嵌入式系统。系统软件结构完全由自己定义， 本章主要说明系统在硬件和软件设计上的一些关键技术。 2 1 总体方案 目前，对于具有u s bh o s t 功能的嵌入式系统的开发方式主要有两种选择：一种 是选用集成了u s b 接口的单片机，比如c y p r e s s 公司生产的e z u s b 系列，i n t e l 的 8 x 9 3 0 a x 系列等。此种开发工具虽然编程简单，但需要购置专门的开发系统，投资 较大。另一种是选择普通的单片机或嵌入式微处理器，加专用的u s b 主控制器芯片 进行开发，这类芯片仅实现u s b 硬件功能，如p h i l i p 公司生产的d l l 、d 1 2 系列芯 片。这种方法硬件电路设计较复杂，但不需购买新的开发系统，从而节省投资 2 4 1 。因 此，选择第二种方式进行开发。 设计一个嵌入式u s bh o s t 系统来管理两个u s b 移动存储设备，主要考虑以下几 个方面： 1 u s b 控制芯片的选择：系统的核心是实现u s bh o s t 功能，从芯片应用上看，o t g 芯片实际是在u s bs l a v e 芯片上集成u s bh o s t 最主要的功能，从而采用该芯片 的数码移动设备可以互相通讯。显然，要开发一个o t g 设备，软件上必须包含 s l a v e 端和h o s t 端的驱动程序。目前，移动设备的u s bs l a v e 技术已经比较成熟， o t g 实现的关键就是不断完善嵌入式u s bh o s t 技术。如果仅仅实现项目的要求， 只要选择u s bh o s t 芯片就可以了，但是为了考虑到以后的进一步应用，我们仍 然选择了一款o t g 芯片i s p l 3 6 2 。 2 微处理器芯片的选择：由于i s p l 3 6 2 没有单片机内核，因此需要一个处理器来进 行控制。对处理器芯片的要求是：运行速度要快，不能成为系统的瓶颈；系统扩 展性能比较好，可以扩展出多种接口与u s b 设备通讯。经过多方面的尝试和比 较，我们选择了一款a r m 7 内核的处理器芯片s 3 c 4 4 b o x ，它具有功耗低、运行 4 华中科技大学硕士学位论文 速度快( 主频为6 4 m h z ) 、系统扩展性能好等特点【2 5 1 。此外，这款芯片支持程序 的在线调试与编程，无需购买昂贵的仿真器件，为程序的开发带来了方便。 3 操作系统的取舍：在嵌入式的环境下设计u s bh o s t 遇到的第一个问题就是需不 需要嵌入式操作系统。众所周知，使用嵌入式操作系统最大的好处是可以进行进 程调度，充分合理的利用硬件资源。但是，系统实际上只有一个任务：即u s b 传输进程。而且u s b 协议比较复杂，所以u s b 传输特别是h o s t 的传输是比较占 用m c u 资源的，即使是在p c 的w i n d o w s 操作系统下，如果进行u s b 传输，系 统的速度亦会明显变慢。因此，无须移植操作系统，全力处理u s b 传输就可以 了。这样的话，软件的开发就必须从底层开始，以往的u s bh o s t 端软件一般是 在w m d o w s 操作系统下开发，底层驱动由操作系统提供，这些驱动的源代码是 不公开的，所以需要自行设计底层驱动，包括主机控制器驱动和设备类驱动。 4 管理两个u s b 设备：系统要控制两个u s b 设备，这必须用到u s bh u b 。i s p l 3 6 2 本身内置了u s bh u b ，能扩展出两个u s b 端口( u s bp o r t ) 。这两个接口使用 同一个缓冲器，同时管理两个u s b 设备的时候，要考虑它们之间的协调工作， u s b 规范定义了1 1 种类型的设备，如果管理不同类型的设备，要做到一个简易 通用的接口则比较麻烦，这是操作系统中设备管理的问题。对于我们的系统来说， 面对的都是海量存储类设备，它们使用的驱动程序相同，因此只需要记录两个设 备的不同存储参数，在时间上轮换管理即可。 5 对文件的管理：系统要控制的是带有存储功能的设备，通常这些设备都是使用 f a t 文件存储格式。所以要实现一个简单的f a t 文件管理来完成这么几个功能： 1 )能够识别f a t l 2 爪盯1 6 m 虹3 2 这三种文件格式。在系统所管理的海量存储类 设备中，移动硬盘采用f a t 3 2 的文件格式：u 盘、m p 3 以及容量较小的m o 盘片使用f a t l 6 的文件格式；数码相机中的存储卡则为f a t l 2 或f a t l 6 的文 件格式。 2 1能够对文件目录进行管理，包括根目录和子目录的创建。这样，即使是同名 的文件，由于存储在不同的文件夹下，不会产生错误。 3 )实现对f a t 表的管理。不同的f a t 文件格式，对f a t 表的操作亦不同。 华中科技大学硕士学位论文 4 )能够实现简单的文件操作，如：文件的删除( d e l e t e ) 、文件的拷贝( c o p y ) 、 文件的重命名( r e n a m e ) 、显示当前目录下的文件( d i r ) 等。 2 2 硬件电路设计 为了实现上述功能，设计了一个样机，其硬件结构如图2 1 所示，下面对硬件上 的设计做一些说明： 按键电路l c d 显示 nu in 础2 岣p s 3 c 4 4 b o x o 订c u ) s d r a m ( 8 m ) j 、j t a g 接口转换电 g 叫 路 王 蹴甜蝴吲珞n 3 6 2 电源部分 0 0 h o s t g 端口h o s t 端口 2 2 1 中央处理系统 图2 - 1 系统硬件框图 本文涉及的中央处理系统包括：m c u 、f l a s h 和s d r a m 。 f l a s h 存储器是一种可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，在嵌入 式系统中广泛应用。它在系统中常用于存放程序代码、常量表、以及一些在系统掉电 后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为3 3 v 。 系统中选用一片1 6 位的f l a s h 存储器芯片s s t 3 9 v f l 6 0 ，单片存储容量为2 m b ，用于 存放程序代码，系统上电或复位后从此获得第一条指令并开始执行1 3 2 1 。 与f l a s h 存储器相比，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但是其存取速度远远 6 华中科技大学硕士学位论文 高于f l a s h 存储器，因此，它在系统中主要用作程序运行的空间、数据区及堆栈区。当 系统启动时，m c u 首先从复位地址处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代 码将被调入s d r a m 中运行以提高系统的速度，同时用户堆栈、运行数据也都存放在 其中。系统选用的s d r a m 为h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，工作电压为3 3 v ，工作频率1 3 3 m h z ，数 据宽度1 6 位【j 。 考虑到系统的扩展性和处理速度，选用的m c u 为a r m 7 内核的s 3 c 4 4 b o x ，它 的特点前面已经提到，这里不再复述。a r m 处理器以访问片外存储空间的方式对 s d r a m 和f l a s h 进行寻址。系统上电后，a r m 处理器的存储空间分配如图2 2 所示： l 鬟戳x 朝v 函啖辩鼠 m 伽o e s d - _ 黛欺x 朋材囊暖芷恫 m 2 绷伯婚撕 秘g c s 6 1 s r o u ( n o e s s ) 1 j g 蹦 n o c s q s r o 黼丸确h 鼬r 叼i 硼 i n g c s 匐 s r a m ( n o e s 2 ) - q i s r o 甜 鲫o e s l ) l i 摹p l n 期l 翻帕nl l 南岣黼( 4 u 啦l 机嗍| 王一7 0 一， ， 图2 - 2s 3 c 4 4 b o x 存储空间分配示意图 其中，n g c s 【n 】是处理器芯片的片选引脚，它决定了外部存储器的地址范围， s 3 c 4 4 b o x 与外部存储器的硬件连接如图2 3 所示： 7 华中科技大学硕士学位论文 jl d 0 ：1 5 】 1一，rd 0 ：1 5 】 l a 【1 ：1 2 ，2 1 ，2 2 】 ，r a 【o ：1 1 ，b a 0 ，b a l i n g c s 6 n c s n w r e n 吧 s 3 c 4 4 b o x 团嗍丸m l d 0 ：1 5 】 d 0 ：1 5 】 1，7 l a 【1 ：2 0 】 ，7 a 【0 ：1 9 】 n g c s 0 n c e n w r e n w r e n o e n o e s 3 c 4 4 b o x f l a s hr o m 图2 3外部存储器与m c u 的连接示意图 结合图2 2 和图2 3 ，可以看出：f l a s h 存储器配置到b a n k 0 ，相应的寻址范围是 o x o o o 0 0 0 0 0 0 x 0 0 0 0 0 7 f f ；s d r a m 配置到b a n k 6 ，相应的寻址范围是 o x o c o o 0 0 0 0 0 x o c o o l f f f 。处理器的存储格式为小端模式( l i t t l e e n d i a n ) 1 1 3 1 。 2 2 2i s p l 3 6 2 的连接 i s p l 3 6 2 与m c u 的硬件连接如图2 - 4 所示： d 0 ：1 5 】d 0 ：1 5 】 a la o a 2 a 1 n g c s 2c sn n o er dn n 吧 w rn s 3 c 4 4 b o x 1 1 i 也s e t r e s e t n i s p l 3 6 2 图2 4i s p l 3 6 2 与m c u 的连接示意图 i s p l 3 6 2 片内有四个可访问的端口，n g c s 2 、a 1 、a 2 决定了这四个端口地址是： 华中科技大学硕士学位论文 主机控制器命令口( h cd a t a ) = o x 0 4 0 0 0 0 0 0 主机控制器数据口( h cc o r n )= 0 x 0 4 0 0 0 0 0 2 设备控制器命令口( d cd a t a ) = 0 x 0 4 0 0 0 0 0 4 设各控制器数据口( d cc o r n ) = 0 x 0 4 0 0 0 0 0 6 由于n g c s 2 片选信号在s 3 c 4 4 b o x 中是作为外部存储器扩展用的，而i s p l3 6 2 是作为处理器的i o 扩展，因此在系统初始化时要禁止该地址对应的高速缓存( c a c h e ) 。 2 2 3 外围电路的设计 外围电路主要包括：电源电压转换电路，l c d 显示部分、i s p l 3 6 2 过流保护电路、 j a t g 接口转换电路以及按键电路。 1 电源电压转换电路 系统中各个部分使用的电压有所不同：l c d 模块和u s b 接口为标准5 v 供电； i s p l 3 6 2 的工作电压为3 3 v ；s 3 c 4 4 b o x 的外围接口电压为3 3 v ，内核工作电压为2 5 v 。 其中i s p l 3 6 2 和s 3 c 4 4 b o x 对电压的稳定性要求比较高。这一部分的电路结构如图2 5 所示。 电源模块 输出为： d c 钭1 1 0 0 0 m a 5 v 5 v l 】m 1 1 1 73 3 0 3 3 v 5 v 。il m l l l 7 j 5 0l 2 5 v 图2 5 电源电压转换电路 工作电压为5 v 的电路及器件 工作电压为3 3 v 的电路及器件 工作电压为2 5 v 的电路及器件 对于系统的功耗，测量结果如下：在待机状态下，样机的直流工作电流为1 9 0 m a ； 9 华中科技大学硕士学位论文 在进行数据传输时，如果u s b 端口连接的是u 盘或m p 3 ，工作电流为2 2 0 m a 左右。 如果连接的是移动硬盘，所需电流则增加到6 9 0 m a 左右。因此，选用了一个a c d c 的电源模块为系统提供5 w 1 0 0 0 m a 的电源输入，满足了系统的功耗要求，然后将5 v 电压分别转换成3 3 v 和2 5 v ，以适应不同电路和器件的需要。电压转换芯片选用 a l p h a 公司的a m s l l l 73 3 0 ( 5 v 转3 3 v ) 和a m s l l l 72 5 0 ( 5 v 转2 5 v ) ，它们的最 大输出电流均是8 0 0 m a 。 2 l c d 显示部分 l c d 显示电路结构如图2 6 所示： 液晶模块 一 数据信号 l p dm c u 口 1一，7 c a l 2 2 3 2 g s 3 c 4 4 b o x 一 控制信号 lp c 口 1，r 图2 6l c d 显示电路 添加这个部分是为了软件开发的方便，可以用来显示错误代码、程序执行状态 以及待处理的数据。选用了可显示2 x 1 6 个字符的液晶模块c a l 2 2 3 2 g ，它内置了l c d 驱动，所以与m c u 的连接为i o 方式。图中的p c 口、p d 口均为s 3 c 4 4 b o x 的通用 i 0 口。 3 i s p l 3 6 2 过流保护电路 i s p l 3 6 2 工作在h o s t 或者o t g 模式时，u s b 端口需要过流保护，这包括过流检 测和保护开关的设计。设计时，选择了i s p l 3 6 2 内置的过流检测电路，这样就只需要 考虑开关电路了，如图2 7 所示： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 滤波电 p m o s过流检 i v b u s l。 路 开关 1 y 测电路 h o s tp o r tj i s p l 3 6 2 5 v 电源 图2 7i s p l 3 6 2 过流保护电路示意图 5 v 电源通过p m o s 开关和滤波电路向u s b 端口供电，当过流检测电路探测到 端口电流超过门限时，便通过p m o s 开关切断对u s b 端口的供电。这个过流门限值 与p m o s 管的静态电阻i b s ( o n ) 成反比【3 】。对于该电路来说，门限值越大越好( 在5 0 0 m a 范围内) 。曾出现过这样的情况：移动硬盘接入后，由于它的工作电流较大，超过了 门限值，使得该u s b 端口的供电被关断。解决的办法是：更换p - m o s 管。用t p s l l 0 1 替换t p s l l 0 0 ，在相同的电气条件下，前者的r d s c o n ) = 1 3 4 m q ，后者的i b s ( o n l - - 2 9 1 m q 。于是在5 0 0 r n a 的范围内提高了电流门限值，问题得以解决。 4 j a t g 接口转换电路 j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o ng r o u p ) 接口既可以进行电路板及芯片的边界扫描测试， 也可以实现对目标电路板上的可编程芯片进行在系统编程( i s p ) 。本系统中，j t a g 接口主要是用来实现第二种功能。 编程时，使用p c 的内插卡或者并行接口通过一个接口转换电路( j t a g 下载板) 将样机与p c 机联系起来，在p c 上运行相关程序( f l u t e d e x e ) ，将编程数据及控制信 号送到m c u ，利用相应指令从m c u 的引脚按照f l a s h 芯片的编程时序输出到f l a s h r o m 中。 调试时，a r m 公司的集成开发环境s d t 可以通过j t a g 下载板或者仿真器与样 机上的j t a g 接口相连，通过j t a g 接口把在s d t 中编译好的程序下载到样机进行调 华中科技大学硕士学位论文 试。 为了减少p c 并口对样机的干扰，接口转换电路做在了另一块p c b 上( j t a g 下 载板) 。电路结构如图2 - 8 所示： p c 并 数据缓冲器 j t a g 样机 机 一 口 插槽m g j 一l 并 1 一，r 插 1 ，r 口 口 槽 7 4 h c 2 4 4 j t a g 下载板 5 按键电路 图2 - 8j t a g 接口转换电路 系统使用了两个按键：复位键( i 也s e t ) 和开始键( s t a r t ) 。当r e s e t 键按下， 系统重启，程序从s d r a m 的起始地址o x o c 0 0 0 0 0 0 处开始运行；系统上电后，便进入 等待状态，当s t a r t 键按下，开始进行数据的传输。 需要说明的是复位电路。s 3 c 4 4 b o x 有两个复位引脚( n r e s e t 和r 瓜s t ) ，其 中n r e s e t 是m c u 复位引脚，n t r s t 是j t a g 单元复位引脚。在设计电路时，不能将 这两个引脚直接短接，而是设置一个跳线( j u m p ) 。系统正常工作时，用短路块将两 个复位引脚连在一起，一旦复位键按下，上述两个单元均被复位；而在对f l a s hr o m 编程时，则应该断开这两个引脚，p c 会通过j t a g 下载板上的一个跳线来复位m c u 的j t a g 单元1 3 引。如图2 9 所示： 华中科技大学硕士学位论文 正 常 工 作 时 n r e s e t 瑁 1 1 t r s t s 3 c 4 4 8 0 x 在系统编程或调试时 o i l r e s e t _ 短 n t r s t n t r s t p c 机 、，r 接 缓冲器 1 i r s 3 c 4 4 8 0 x 样机板 j t a g 下载板 2 3 软件模块介绍 2 3 1 实现u s bh o s t 的基本要素 图2 - 9 复位设置示意图 从不同层次上对u s b 通信流进行考察，就会发现完整的u s b 主控系统主要包含 如下三种基本要素： 1 主控物理数据链路层( h o s tp h y s i c a l d a t al i n kl a y e r ) ：物理及数据链路层负责u s b 物理信令的生成、u s b 数据包的发送与接收，并进行错误校验。 2 主控系统栈( h o s ts y s t e ms t a c k ) ：主控系统栈管理u s b 的主机端操作，包括协议 管理、设备枚举( d e v i c ee n u m e r a t i o n ) 、事务调度以及状态处理等。它控制较低层 的活动，并为与u s b 设备驱动的连接提供了一个共用接口。这- 层针对所有类 型的u s b 设备。 3 设备驱动( d e v i c ed r i v e r s ) 层：设备驱动与某一特定类型的u s b 外设相对应。它 可以通过u s b 主控系统栈启动往来于目标u s b 外设之间的数据传输。u s bi f ( u s b 开发者论坛) 已经把包括海量存储在内的多种u s b 外设标准化，归入了 各种u s b 类中【2 9 1 d o 。 在传统的u s b 主控系统设计( 即基于p c 的) 中，将整个主控系统划分为主机端控 华中科技大学硕士学位论文 制器( h o s tc o i l 仃o l l 嘲和控制器之外的u s b 软件。如图2 - 1 0 所示，描述t u s b 主控系 统组成单元与主机体系结构间的映射关系。 图2 1 0 传统的u s b 主控设计结构图 主机端控制器一般制作成单独的一块芯片，其中包括了物理和数据链路层硬件( 如 u s b 收发器) 、s m ( 串行接口引擎) 等，以及一个可以附加到系统处理器上的总线接口。 u s b 固件( 主控系统栈和设备驱动) 驻留在带有u s b 主机端控制器的系统处理器中【3 3 1 口6 】。u s b 硬件和固件的分离反映了一个现实：u s b 从根本上来说是一种p c 总线的 外部扩展机制。从u s b 固件的角度来看，p c 提供了无穷无尽的系统资源。此外，p c 行业已经实现标准化，统一于一个o s 平台一m i c r o s o f tw i n d o w s ，而这一操作系统具 备支持u s b 主控栈和设备驱动的能力。由于拥有极为丰富的系统资源和软件支持， 所以传统的u s b 主控体系结构是p c 应用的一种理想的解决方案d 8 】。 相比之下，对于嵌入式系统而言，如果将传统的u s b 主控系统移植到嵌入式环境 中，需要解决多方面的问题。嵌入式系统设计的关键在于：把u s b 固件与嵌入式应用 及其基础计算平台集成为一个有机整体【1 6 1 。 2 3 2u s b 协议栈的结构 本文所开发的嵌入式u s bh o s t 系统，其驱动模块的组成结构如图2 1 1 所示。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 i 系统应用层 千 a p i 函数 类设备驱动 u s bh o s t 基本驱动 i s p l 3 6 2 固件 1r 千 i 硬件 i 图2 1 1 基于i s p l 3 6 2 的h o s t 端软件结构图 位于底层的是i s p l 3 6 2 固件设计，负责i s p l 3 6 2 的硬件控制，其作用是实现u s b 四种基本传输方式。这一层与i s p l 3 6 2 芯片共同实现上面的“主控物理数据链路层”。 固件之上是u s b 主机控制器驱动。主要功能是按照u s b 协议设计1 1 个标准请 求，获取设备基本信息和列举设备。这一层实现“主控系统栈”的功能。 嵌入式系统中不会支持所有的u s b 设备，应该根据需要，设计相应类设备的驱 动。类设备驱动对应“设备驱动层”，在系统中针对的是海量存储类设备。 类设备驱动之上就是相应的a p i 函数。系统中的a p i 函数主要是为f a t 文件系 统服务。按照f a t 文件管理系统的要求，编写了相应的绝对地址或相对地址扇区的读 写a p i 函数。 华中科技大学硕士学位论文 3 系统的通用性设计 对于本文所设计的系统而言，通用性就是指设计简易通用的u s b 接口，使所有 遵从海量存储类协议的u s b 设备都能够被系统驱动。要做到这一点，首先需要实现 “u s bh o s t 基本驱动 、“类设备驱动 、“系统应用层 的通用性，并在硬件电路上进 行相应的设计。本章将根据图2 1 l 所示的结构，采用自底向上的方式，分析和描述实 现系统通用性的方法。 3 1 硬件的通用性设计 u s b 规范所定义的物理环境比较简单，一对相互绞缠的信号线d + 和d 用于传输 差分数据，一对符合标准的电源线v s u s 和g n d 用于给设备提供电源。遵从u s b l 1 规范的u s b 设备在电路上有所区别，主要包括以下两个方面： 3 1 1 全速和低速设备 u s b l 1 规范定义了全速( f u l ls p e e d ) 和低速( l o ws p e e d ) 两种设备，根集线器 通过监视差分信号线来识别所连接的是全速还是低速设备，如图3 1 所示： 全速f 氐速u s bd + 簇鬻霪麟l 壤蒸羚工 d + 全速u s b 主机或根集线 ： ，曛鬟蘸羹翟 ：设备或集 器端口 n n r 一 j 絮棼l ：l u 。 。1 n 一 线器端口 1c l ，n 。 、厂w t r 乜蝴。一i 女1 。1 、 全速，低速u s b 一o + l 二、 u s 蝴线0 + 1 低速u s b 主机或根集线 = 一 it 设备或集 器端口 1 ；喷，兰 匀d 一 线器端口 图3 - 1 全速，f 氐速u s b 端口连接示意图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 一个上拉电阻。根集线器将识别的结果通过端口状态寄存器来表征，本系统中，可以 通过查询i s p l 3 6 2 的h c r h p o r t s t a t u s 1 ：2 】这两个寄存器中的“l s d a 这一位来进行判 断：l s d a = o ，表示连接的是全速设备；l s d a = i ，表示连接的是低速设备【1 9 】。 3 1 2u s b 的供电分配 集线器的一个主要功能就是分配和控制数据线功率。集线器可以从上游( u p s t r e a m ) 数据线处得到所需的供电，也可以为它们的下游( d o w ns t r e a m ) 端口供电。 集线器在它的配置描述符中指出自己的供电类型：总线供电还是自供电，参见表3 1 ： 表3 - 1 配置描述符中定义的供电参数 字段编号字段名字段长度字段取值说明 配置特性 d 7 总线供电 1 ) 6 自供电 7 属性 1 位图d 5 远程唤醒 d 4 0 保留( 置为o ) 某个设备在运行时使用的是总线供电还是 自供电可以通过g e ts t a t u s 设备请求来获得 在这种特殊的情况下，而且u s b 设备是完 全可操作的情况，该设备的最大耗电量( 数 值以2 m a 为单位) 。 注意：设备配置报告这个配置是总线供电 还是自供电。设备状态则报告是否是自供 最大耗 81m a 电。如果一个设备和它的外部电源断开连 电量 接，它就会更新其设备状态，指出这个设备 不再是自供电的了。 当一个自供电设备失去自己的供电电源时， 它从总线处能够获得的用电量不能超过它 的配置值所指出的耗电量。 自供电的集线器( 包括根集线器) 由本地电源供电，所以能向每个端口提供最大 的额定电流。而总线供电的集线器的用电只能来自上游的数据线，然后再把它分配到 1 7 华中科技大学硕士学位论文 各个u s b 端口【4 0 】。集线器采用以下方式之一给它的端口供电： 直接供电没有开关( p c 的u s b 端口就是直接供电) ； 所有端口共用一个开关( i s p l 3 6 2 采用这种方式) ； 每个端口有专用开关。 系统所用到的海量存储类设备的供电情况归纳在表3 2 中： 表3 - 2 海量存储设备供电参数 设备名称供电方式最大耗电量说明 数码相机自供电总线供电 2 m a 小功耗设备 m o自供电9 8 m a大功耗设备 移动硬盘总线供电 9 6 m a 大功耗设备 u 盘、m p 3 等总线供电 1 0 0 m a 小功耗设备 表3 2 中的数据是通过查询它们的配置描述符表得到的。耗电量的测量实验结果 显示：待机状态时，系统的工作电流为1 9 0 m a ；工作状态时，将其中一个端口固定和 数码相机相连，另一个端口的连接分为三种情形：连接u 盘或m p 3 ，工作电流约 为2 2 0 m a 左右；连接m o ，工作电流则增加到3 5 0 m a 左右；连接移动硬盘，工 作电流则增加到6 9 0 m a 左右。测量结果说明：u 盘、m p 3 等小功耗设备对总线电源 的需求较小，数码相机和m o 具有自供电能力，对总线电源的需求也没有超过最大耗 电量值，移动硬盘的工作电流远大于9 6 m a ，这是因为其内部的磁盘驱动电流也来自 于u s b 总线，造成了较大的电源需求。 出于安全考虑，u s b 端口必须对电流加以限制，i s p l 3 6 2 的端口过流保护电路如 图2 7 所示。过流保护带来的一个问题就是：耗电量大的自供电设备可能无法工作。 原因有二：一是因为这些设备的电流需求超过了u s b 总线的供电能力，一个全速端 口的合法电流值为5 0 0 虹认【1 川；二是设备的电流需求在合法范围内，但是过流保护电 路的门限值较低，关断了总线对这些设备的供电。我们的系统中遇到的情况就属于后 者，解决办法是提高过流门限，具体的方法在上