（水声工程专业论文）基于usb通信技术的微机虚拟信号发生器.pdf

哈尔滨丁程大学硕士学位论文 iiit, i i 昌i ；i i i i ；i 置 a b s t r a c t t h ev i r t u a li n s t r u m e n tc o m b i n i n gc o m p u t e rr e s o u r c e sw i t ht h em e a s u r e f u n c t i o no fi n s t r u m e n th a r d w a r ei sag r e a td e v e l o p m e n ti nt h ep r o g r e s so f i n s t r u m e n t ，w h i c hf u l l ym a k e su s eo ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e so f c o m p m e ra n ds t a n d sf o rt h en e wt i m e so fi n s t r u m e n td e v e l o p m e n t t h ei n t e r f a c e o fu s bh a sm u c hs u p e r i o r i t y , s u c ha sr e a l p l u ga n dp l a y , f l e x i b i l i t y , am a x t r a n s m i t t i n gv e l o c i t yo f4 8 0m b s ，l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y , a n ds a v i n gs y s t e m r e s o u r c e sa n di sr e g a r d e da sas h a r a b l ei n t e r f a c e t h u st h eu s bi n t e r f a c ei su s e d t og e n e r a t et w o - w a y p h a s ea d j u s t i v es i g n a lg e n e r a t o ri nt h i sp a p e r t h ed e v e l o p i n gm e t h o d sa n dr e a l i z i n gp r o c e s so ft h es i g n a lg e n e r a t o ra r e s t u d i e df r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c t si nd e t a i l i nt h eh a r d w a r ea s p e c t ， u s b 2 0i n t e r f a c ec i r c u i t ，f i f oi n t e r f a c em o d eb e t w e e nu s bc h i pa n dc p l d ， i n t e r f a c ec i r c u i to fc p l da n dm e m o r y , a n dd ac i r c u i t sa r ea l ld i s c u s s e d a f t e r d e s i g n i n gt h ef i r m w a r e ，t h i sp a p e rs i g n i f i c a n t l ya n a l y z e st h er e a l i z a t i o no ft h e s y s t e md r i v e rp r o g r a ma n dt h em a i n f r a m ea p p l i c a t i o np r o g r a m i nt h ef i r m w a r e p a r t ，s o f t w a r es t r u c t u r ea n dt h ei n t e r r u p ts y s t e mo fu s bc h i pa r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ed i s c u s s i n go ft h ew d m s t r u c t u r e ，d r i v e rp r o g r a mp a r tg i v e st h ef l o w c h a r ta n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h ek e yf u n c t i o n s t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m i n c l u d e st h em a i n f r a m ei n t e r f a c ed e s i g n ，a p p l i c a t i o np r o g r a ma n dd r i v e rp r o g r a m i n t e r f a c ed e s i g n e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ，t h es i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nu s b i n t e r f a c ed e s i g n e di nt h i sp a p e ri sl o w c o s t ，f l e x i b l e ，c o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；u s b 2 0 ；s i g n a lg e n e r a t o r ；w d m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性：声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 、 作者( 签字) ：5 11 峋 日期：1 删年弓月伽日 j 一 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 亲善毒窘 吼一年岁月扫吉 导师( 签字) ：弘匀f p 如y 年 月泪 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 1 立题的背景及意义 第1 章绪论 信号源作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是在工程技术保障 中，都有着广泛的使用。从理论到工程对信号的发生进行深入研究，不论是 从教学科研角度，还是从工程技术保障服务角度出发都有着积极的意义。 信号发生器大致可分为三大类：正弦信号发生器、函数( 波形) 信号发生器 和数字信号发生器。电子技术中常用的信号发生器，通常只能产生有限种类 的形状规则的脉冲波或连续波( 如正弦波、方波、三角波等) ，以及由这些波 形合成的略为复杂的波形。然而在科学研究和生产实践中，各种不规则的波 形是大量存在的，许多应用要求更加精确和真实的信号模拟，如系统研究中 的各种瞬变波形，电子设备中出现的各种干扰杂波，生物电子工程中常见的 各种生物电波等。任意波形发生器( a w g ) 是随着不断进步的计算机技术和微 电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来的一类新型信号源。与传统 的信号源相比，任意波形发生器最大的优势在于它产生信号的方式灵活，除 了可以生成正弦、方波等标准波形外，它还能够通过波形编辑软件，模拟被 测产品在实际条件运行时所遇到的实际信号【1 】。 现在，任意信号发生器的实现主要有两种方法：直接数字频率合成( d i r e c t d i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h s i s ，简称d d s ) 和虚拟仪器。 直接数字频率合成是指由一个或者多个具有高稳定度和高精度的频率参 考源，通过在频率域中的线性运算得到具有同样稳定度和精确度的大量的离 散频率的技术。d d s 技术的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。 它首先对需要产生的波形进行采样，将采样值数字化后存入存储器作为查找 表，然后再通过查找表将数据读出，经过d a 转换器转换成模拟量，把存入 的波形重新合成出来。此技术具有相位连续、频率分辨率高、频率转换速度 快等优点，这些优点对于保密通讯以及快速电子对抗系统的应用，有极大吸 引力。从而推动着人们对d d s 技术的研究与改进，并取得了很大成功。目前 已有若干d d s 专用电路投入市场，其中c m o s 工艺制造的芯片最高输出频 率大约1 0 0 m h z ；e c l 工艺的大约1 3 0 m h z 。这些器件在扩频通讯、电子对抗、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多普勒模拟、工业测试以及核磁共振成像等方面获得了广泛应用。这使d d s 信号源将成为整个电子工业信号源的主流。虽然d d s 技术有很多优势，但也 存在一些不足。例如产品化的设备都比较昂贵，另外就是现在的大部分基于 d d s 技术的“任意波形发生器 都是单通道和不具备参数实时可控能力。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是通过应用程序将计算机资源( 微处理器、 存储器、显示器) 和仪器硬件( a d 、d a 、数字i o 、定时器、信号调理器) 的测量功能结合起来，形成的测量装置或测试系统。用户通过友好的图形界 面( 称为虚拟面板) 操作计算机，就像操作传统仪器一样。虚拟仪器的出现 和发展是仪器技术及计算机技术相互渗透的结果。由于计算机处理能力的迅 速发展已具有仪器所需的强大数据处理能力、显示存储功能、高分辨力的图 形显示，从而使仪器的发展可搭上计算机发展的高速列车，使其形成全部处 理功能和面板控件均可实现编程的虚拟仪器。可以认为虚拟仪器的出现在仪 器仪表的发展中引起了一次飞跃，它标志着仪器发展中一个新的阶段的到来。 根据采用总线方式的不同，虚拟仪器分为以下几判刁： 1 g p i b 总线系统 g p i b 总线系统是由一台p c 机、一块接口卡和若干台g p i b 仪器子系统 构成，其中每台仪器子系统是一台带g p i b 接口的单台仪器。这种仪器是基 于i e e e 4 8 8 标准的，是虚拟仪器早期发展的产物，目前己经逐步退出市场。 2 p c - d a q 型 p c d a q 型虚拟仪器是以信号调理电路、数据采集卡和p c 机为硬件平 台，采用计算机本身的总线p c i 或i s a 将数据采集卡直接插入计算机相应的 标准总线扩展槽即可。其特点是充分利用计算机的总线、机箱、电源和软件 的便利，但是受p c 机机箱和总线的限制，且有电源功率不足、机箱内部的 噪声电平较高、插槽数目不多、插槽尺寸比较小、机箱内无屏蔽等缺点。 3 v x i 总线系统 v x i 总线系统是以v x i 标准总线仪器模块和p c 机为仪器硬件平台，由 主机箱、控制器和仪器模块组成，它是v m e 总线在v i 领域的扩展。经过1 0 多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自 动测量系统和对速度、精度要求高的场合。然而，组建v x i 总线系统要求有 机箱、零槽管理器和嵌入式控制器，造价比较高，目前也有逐渐退出市场的 2 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 趋势。 4 p x i 总线系统 p x i 总线系统是以p x i 标准总线仪器模块和p c 机为硬件平台，在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求，通过增加专门的系统参考时 钟、触发总线和模块间的局部总线来满足高精度定时、同步和数据通信的要 求。p x i 具有高度可扩展性，可扩展到2 5 6 个扩展槽。把台式p c 的性能价 格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，很可能成为未来虚拟仪 器的主流平台之一。 5 p c 端口式 包括并行口式和串行口式，通常将硬件集成在一个采集盒里或一个探头 上，软件装在p c 机上，来完成各种虚拟仪器的功能。最大的优点是可以与 笔记本电脑相连，方便野外作业，又可与台式p c 机和工控机相连，实现台 式和便携式两用，非常方便。特别是u s b 口和1 3 9 4 口具有传输速度快、支 持热插拔、即插即用，接口体积小巧，使用方便的特点，很可能成为未来虚 拟仪器的主流平台之一。虽然1 3 9 4 的传输速度较高( 3 2 g b s ) ，但是由于目 前1 3 9 4 接口芯片的价格比较高，所以应用比较广泛的还是u s b 口，尤其在 u s b 2 0 版本出现以后( 传输速率达到4 8 0 m b s ) ，u s b 越来越流行，它已经 成为一个标准接口，目前市场上所有的p c 机都完全支持u s b 。 通过以上分析，g p i b 总线、v x i 总线和p x i 总线方式的虚拟仪器适合 大型高精度集成系统，而p c d a q 式和p c 端口式适合普及型的廉价系统。 其中p x i 总线方式的虚拟仪器可能成为未来大型高精度集成虚拟仪器系统的 主流，而基于u s b 和1 3 9 4 的虚拟仪器可能成为普及型虚拟仪器系统的主 流。 综上所述，基于u s b 的虚拟仪器技术在实现带宽要求不是很宽的信号源 中有着无可比拟的优势，这正符合水声技术中对信号源的要求。水声学是二 次大战期间发展起来的综合性尖端性技术科学，主要研究携有某种信息的声 波在水中的产生、传播和接收，尤其是随着电子技术和信息科学的发展，形 成了以低频、大功率、大基阵和综合信号处理为特征的新一代声纳。作为发 射机的的调试信号源以及模拟经过水下信道后的的各种回波信号，虚拟仪器 信号发生器在实践中有着重要的实际意义。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 2u s b 的发展历程和特点 在u s b 产生之前，外设与p c 机的通信主要是通过p c 机主板所提供的 各种老式接口来实现的，如串口，并口，i s a 接口，p s 2 接口等。这些老式 的接口存在很多缺陷p 1 。 1 它们是非共享式接口。只支持单个外设的连接。 2 这些接口的体积庞大。它们几乎占据了p c 机主板面积的一半，而硬 件厂商不可能无限制的增加主板的面积来扩充这些老式的接口。 3 这些接口的规格不一。当用户需要把一些外设连接到p c 机上时，它 们不得不面对种类繁多的i o 扩展槽和外部接口，这会使用户觉得很不方便。 4 这些接口采用传统的i o 模式。外设被映射为c p u 分配的i o 地址空 间，并被分配一个指定的r r q ( 中断请求) ，或是一个d m a 通道。这种模式 会带来诸如i o 地址冲突、所指定的i r q 已被别的外设占用等诸多问题。 为了克服老式接口的上述缺陷，p c 机制造商和用户迫切需要一种新型的 外设连接方式。于是在1 9 9 4 年1 1 月由c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等七家公 司共同提出的一种串行总线标准u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 。 在1 9 9 6 年，公布了u s b 规范1 0 ，这是第一个为所有的u s b 产品提出设计 请求的标准。1 9 9 8 年，在进一步对以前版本的标准进行阐述和扩充的基础上， 发布了u s b 标准的1 1 规范。 在2 0 0 0 年，该联盟发布了u s b 的第三个版本2 0 。u s b 2 0 在u s b l 1 的基础上增加了高速数据传输模式。u s b 2 0 将u s b l 1 的传输速率提高了4 0 倍达到了4 8 0 m b p s ，并且完全兼容u s b l 1 。2 0 0 1 年1 2 月又公布了u s bo t g ( o n t h e g o ) 补充条款，u s bo t g 作为u s b 2 0 规范的补充，实现了在没 有u s b 主机的情况下，设备间的数据传输。u s bo t g 技术主要用于各种不 同设备或移动设备间的连接。 在1 9 9 8 年之前，由于各种原因，使用u s b 接口的外设还很少，但自1 9 9 8 年6 月w i n d o w s9 8 和同年9 月u s b l 1 版本发布后，情况就不同了，u s b 变 成了一个流行的接口，市场上出现了大量的u s b 外设，但其传输速率仅限于 1 2 m b s 。2 0 0 0 年4 月2 7 日，u s b 2 0 版本发布，其传输速率提高到4 8 0 m b s ， 这使其能应用于更广泛的场合，一时之间，u s b 红遍全球。 4 哈尔滨工程大学硕+ 学传论文 u s b 之所以如此流行是因为其开辟了一条外设与p c 机连接的新方法， 与其它老式p c 机接口相比，u s b 具有如下优点 1 真正的即插即用。安装时可在不关机、不打开机箱的情况下将设备插 入u s b 插槽，操作系统会自动检测到这个连接，并加载合适的驱动程序。以 后可以对设备进行动态插拔 2 灵活。u s b 支持3 总类型的传输速率：1 5 m b s 的低速传输、1 2 m b s 的全速传输、4 8 0 m b s 的高速传输；4 种传输类型：快传输、同步传输、中断 传输、和控制传输，这使其能适合多种设备的需要。 3 低成本，可靠性高。u s b 虽然比以前的接口复杂，但它的的组件和电 缆并不贵，和其它老式接口相比，所需费用差不多，有时会更少一些。在u s b 协议中包含了数据错误检测机制，用来保证数据准确无误的发送和接收。 4 节省系统资源。在u s b 系统中，只有u s b 主控制器需要使用一根i r q 线和一些i o 地址空间。对u s b 外设来说，它需要的是仅仅是u s b 系统为 其分配一个唯一的地址，而这个地址只有u s b 子系统知道。 5 共享式接口。u s b 端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣式的连 接方式。通过u s b 集线器，一个u s b 主控制器最多可以连接1 2 6 个外设。 1 3 论文的主要工作 如前所述，基于u s b 接口的信号发生器以它成本低、使用灵活、实用性 强等优点在水声领域中有很强的使用价值，论文就是以此为出发点，开发一 套基于u s b 接口的相位可调的双路信号发生器。论文的主要工作是以u s b 总线为基础，完成u s b 接口的信号发生器的硬件与软件的设计与实物的调试 开发工作。 论文中各章的内容如下： 第一章分析了信号源的种类和虚拟仪器技术的发展现状，简述了u s b 接口的发展历程和特点，最后确定了论文的题目和论文要完成的主要工作。 第二章对u s b 系统的总体结构进行了概述，介绍u s b 传输协议的格式， 包括字段的格式、信息包的格式等，阐述u s b 总线四种数据传输方式和u s b 设备的描述符。 第三章确定硬件系统总体方案，根据硬件总体方案，设计了u s b 总线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接口电路，c p l d 和存储器电路，d a 转换器电路等。 第四章进行u s b 接口固件程序的开发，重点阐述固件的程序流程图， 固件中关键函数的实现，固件的调试以及固件的下载。 第五章驱动程序是应用程序和硬件之间的桥梁，应用程序是用户和仪器 的接口，在这一部分中，首先讲述了驱动程序开发，包括开发驱动程序的的 关键步骤，驱动程序的流程图，介绍了驱动程序的关键函数，然后描述应用 程序的开发过程，包括主界面的设计过程和怎样和驱动程序接口。 6 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 第2 章u s b 总线概述 2 1u s b 结构描述 在终端用户看来，u s b 系统就是u s b 设备到主机( 例如，常用的p c 机) 的简单连接，但对开发人员来讲，这种连接可被分为三个逻辑层：功能 层、u s b 设备层、u s b 总线接口层，且每一层都由主机和u s b 设备的不同 功能模块组成，如图2 1 所示。 主机互连u s b 设备 上 、r1 r i： 客户软件 卜卜 功能单元 功能层 - - - - - - - - - - - - f - - - - - - - - 一- - - - - ； j l i i ： l ： 1r 卜s b 系统软件卜卜i u s b 逻辑设各 u s b 设备层 i ： jl _ t i i ； r - u s b 总l j s b 总线接口 一 - l u s b 总线接口 - r 接口层 实际通信流嘞黝m 逻辑通信流 图2 1u s b 系统的分层 由图可2 1 可知，一个u s b 系统结构可以从三个部分进行描述：u s b 主 机；u s b 设备：主机和u s b 设备互联。 2 1 1u s b 主机 u s b 主机从开发人员角度看，可以被分成三个不同的功能模块：客户软 7 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 件，u s b 系统软件，u s b 总线接口。 客户软件负责和u s b 设备的功能单元进行通信，以实现其特定的功能， 它不能直接访问u s b 设备，其与功能单元间的通信必须经过u s b 系统软件 和u s b 总线接口才能够实现。它一般包括u s b 设备驱动程序和界面应用程 序两部分。 u s b 系统软件负责和u s b 逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启 动的数据传输。它一般包括u s b 总线驱动程序、主控制器驱动程序和非u s b 主机软件三部分。这些软件通常由操作系统提供，开发人员不必掌握。 u s b 总线接口包括主控制器和跟集线器两部分。根集线器为u s b 系统 提供连接起点；主控制器负责完成主机和u s b 设备间数据的物理数据传输。 其所有的通信( 不论是上行通信还是下行通信) 都由u s b 主机启动，所以 u s b 主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。u s b 规定在u s b 系统中 只允许存在一个主机。 2 1 2u s b 设备 在终端用户看来，u s b 设备为主机提供了多种多样的附加功能，如扩展 u s b 端口，传输文件等。按，u s b 设备功能的不同，可以把它分为两大类： 集线器和功能设备。其中，集线器为u s b 系统提供额外的连接点，它使得一 个u s b 端口可以连接多个设备：功能设备为主机提供额外的功能，如u s b 键盘，数码相机等。集线器在每个星形的中心，每段线路是点点连接，从主 机到集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件。 在主机看来，它与所有的u s b 设备的接口都是一致的，它认为一个u s b 设备由三个功能模块组成：u s b 总线接口、u s b 逻辑设各、功能单元。u s b 总线接口是u s b 设备中的串行接口引擎( s i e ) ；u s b 逻辑设备被u s b 系统 软件看作是一个端点的集合；功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。 为了正确描述u s b 设备的特性，u s b 提出了设备架构的概念，如图2 3 所示。 设备架构认为u s b 设备是由一些配置、接口和端点组成的，即一个设备可以 含有一个或多介配置，在每一个配置中含有一个或多个接口，在每个接口中 可含有若干个端点。其中，配置和接口是对u s b 功能的抽象，实际的数据传 输是由端点来完成的。u s b 设备使用各种描述符来说明设备构架，包括设备 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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，它们通常 被保存在u s b 接口芯片的固件中。 图2 2u s b 设备架构 2 1 3 主机和u s b 设备互联 主机和u s b 互联包括物理互联和逻辑互联。物理互联就是指使用电缆线 在主机和u s b 设备之间的电器连接，逻辑互联是指客户软件和功能单元之 间、u s b 系统软件和u s b 逻辑设备之间的抽象数据传输。 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，如图2 3 所示，在u s b 中 信号传输使用差分信号，图中的d + 和d 两根线就是用于传送差分信号的两 根数据线。 v b o s d d g n d v b u s d d 。 g n d 图2 3u s b 四芯电缆 信号传输存在三种速率：高速4 8 0 m b s ，全速的1 2 m b s 和低速的1 5 m b s 。 在u s b 2 0 中，高速集线器把高速信号和全速低速信号隔离开，高速集线器 的下行端口允许直接连接全速“氐速设备，而且它们之间的通信仍然是全速 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 低速的，但高速集线器和u s b 2 0 主控制器之间的通信始终是高速的。 主机和u s b 设备逻辑互联可以认为数据的传输是在主机软件( u s b 系 统软件和客户软件) 和u s b 设备的各个端点之间直接进行的，它们之间的连 接被称为管道，如图2 4 所示。图中管道用于客户软件和u s b 设备的功能单 元之间进行通信，它们是在u s b 设备配置过程中建立的，在配置完成后，客 户软件就可以使用它们了。 广 l主机l i - j 图2 4u s b 数据流的管道模型 按管道中所传输数据结构的不同，可将其分为流管道和消息管道。 2 1 3 1 流管道 在流管道中传输的数据不具有u s b 定义的结构，它可用作块传输、同步 传输和终端传输，且通常是单向的。即如果客户软件要和u s b 设备完成i n 传输和o u t 传输，则必须使用两条流管道。 2 1 3 2 消息管道 在消息管道中传输的数据具有u s b 定义的结构，它只能用作控制传输， 既支持i n 传输又支持o u t 传输。u s b 设备0 号端点所实现的缺省控制管道 就是一条消息管道。 1 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2u s b 总线的传输协议 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，可能包括一个、两个或三个信息包。每次总线启 动一次数据传输最多传送三个信息包。按照传输前制定好的原则，在每次送 开始时，主机控制器发送一个描述传输运作的种类和传输方向、u s b 设备地 址和终端号的u s b 数据包，这个数据包通常称为令牌包( t o k e np a c k e t ) 。 u s b 设备从解码后数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不 是从主机到设备就是从设备到主机。在传输开始时，由标志包来标志数据的 传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接 收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。 2 2 1u s b 字段的格式 信息包是u s b 总线上数据传输的最小单位，包含有进行u s b 通信所需 的全部信息，由一系列字段组成。 2 2 1 1 包标识字段( p i d ) 在u s b 信息包中，包标识字段指明该信息包的类型、格式和所采用的差 错控制机制，它由4 位类型字段和4 位校验字段组成，如图2 5 所示，其中， 校验字段是类型字段的反码，用于保证p i d 字段译码的可靠性，以使信息包 的其余字段能被正确的接收。 l i p i d op i d l p i d 2p i d 3p i d op i d lp i d 2p i d 3 图2 5 包标识字段 主机和所有功能部件都必须对得到的全部p i d 字段实行完整的译码。任 何收到的包标识符，如果含有失败的校验字段，或者经译码得到未定义的值， 则该包标识符被假定是被损坏的，而且包的余项将被包接收机忽略。如果一 个功能部件收到了包含了它所不支持的事务类型或方向的合法包标识符，则 不必应答。 哈尔滨_ 丁程大学硕十学位论文 2 2 1 2 地址字段( a d d r ) 地址字段用于指定u s b 系统中一个u s b 设备，如图2 6 所示，功能部 件a d d r 指定了总共1 2 8 个地址。地址字段被用于输入、建立和输出标 记。由定义可知，每个a d d r 值都定义了单一的功能部件。刚一复位( r e s e t 和加电) 的时候，功能部件的地址默认值为零，功能部件地址零被用作为缺 省地址，不可被分配作任何别的用途。 图2 6 地址字段 2 2 1 3 端点字段( e n d p ) 端点字段用于指定u s b 设备中的一个端点，其格式如图2 7 所示。全速 高速设备最多含有1 6 个端点，低速设备最多只能含有3 个端点。所有的u s b 设备都必须含有一个0 号控制端点，以完成与主机之间的配置通信。 b n d p ob n d p 。b n d p ： e n d p 3 图2 7 端点字段 2 2 1 4 数据字段 数据字段内含有主机和u s b 设备间需要传输的数据，其以字节为单位， 最大长度为1 0 2 4 字节，而实际长度取决于传输的具体情况，图2 8 展示了多 字节数据字段的格式。 字节n 图2 8 数据字段 1 2 ( l s b ) 固 字节n + i曰绷宙m字 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 2 1 5c r c 字段 为了保证数据传输的可靠性，u s b 在令牌包和数据包中都使用了循环冗 余校验，它可以完全识别出信息包中的一位或两位错误。 令牌包中的c r c 校验格式： g ( x ) = x5 - i - x2 + 1( 2 1 ) 数据包中的c r c 校验格式： g ( x 1 = x 6 - i - x 1 5 - i - x 2 + 1 ( 2 2 ) 2 2 2u s b 信息包的格式 根据信息包所实现的功能，其可分为三种类型：令牌包、数据包和握手 包。其中令牌包定义了数据传输的类型，数据包中含有需要传输的数据，握 手包指明了数据接收是否成功。 2 2 。2 1 令牌包 u s b 中包含了7 种令牌包：i n 、o u t 、s e t u p 、s o f 、p r e 、s p l i t 和 p i n g 。常用的1 n 、o u t 、s e t u p 令牌格式如图2 9 所示。 8 b i t s7 b i t s4 b i t s5 b i t s 臣丑至丑至 习 图2 9i n 、o u t 、s e t u p 包格式 2 2 2 2 数据包 数据包由p i d 字段、数据字段和1 6b i t sc r c 字段组成，其中数据字段的 长度可以为0 个或多个字节，结构如图2 1 0 所示。 8 b i t s o 一1 0 2 3 b y t e s 1 6 b i t s 图2 1 0 数据包的格式 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 2 2 3 握手包 握手包仅包含8 位的p i d 字段，它无需使用c r c 校验，其格式如图2 1 1 所示。握手包用于报告事务处理的状态，以表明数据接收成功、指定的端点 被停止、不能响应命令等情况。u s b 定义了5 种类型的握手包：a c k 、n a k 、 s t a l l 、n y e t 和e r r ，其中e r r 属于专用握手。 8 b i t s 三 图2 1 1 握手包的格式 2 2 3u s b 的事务处理 事务处理是u s b 总线上数据传输的基本单位，若主机和u s b 设备间数 据传输量大于u s b 端点定义的最大字节数，主机和u s b 设备间的通信可能 需要使用多个事务处理。 2 2 3 1i 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。如果传输成功，它 将包括令牌、数据和握手三个阶段，如图2 1 2 。 主机u s b 设备主机 匹翌巨翌臣1 9 令牌阶段 数据阶段 握手阶段 图2 1 2 数据成功的i n 事务处理 在i n 事务处理中，主机首先准备好接受数据，并向指定的u s b 设备发 送i n 令牌包，u s b 设备在收到该令牌包后，想主机发送含有专用数据的数 据包，最后，主机接收到这些数据后，向主机返回a c k 握手包。 在i n 事务处理中，u s b 设备并不是每次都能成功的响应主机发出的i n 令牌包，若u s b 设备在接收到斟令牌包后发现其以损坏，则不会作任何应 答。如果u s b 设备暂时不能向主机发送数据，则会返回n a k 握手包。如果 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u s b 设备的这个i n 端点已经被停止了，则会向主机返回s t a l l 握手包。如 果上述错误情况都未发生，则u s b 设备向主机发出数据包。 2 2 3 2o u t 事务处理 o u t 事务处理用于完成主机到u s b 设备的数据传输。如果传输成功， 它将包括令牌、数据和握手三个阶段，如图2 1 3 所示。 主机主机u s b 设备 臣圈巨囹巨圈 令牌阶段数据阶段握手阶段 图2 1 3 传输成功的o u t 事务处理 在o u t 事务处理中，主机首先向指定的设备发出o u t 令牌包，接着， 主机向设备发送含有专用数据的数据包。u s b 设备接收到该令牌包和数据包 后，向主机返回a c k 握手包。 在o u t 事务处理中，u s b 设备并不是每次都能成功的响应主机发出的 o u t 令牌包和数据包，如果u s b 设备在接受到o u t 令牌包和数据包后发现 其以损坏，则不会作任何应答。如果u s b 设备暂时不能接收主机发来的数据， 则它会返回n a k 握手包。如果u s b 设备的这个o u t 端点已经被停止，则 它会向主机返回s t a l l 握手包。 2 2 3 3s 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，其所 传输的数据具有u s b 定义的格式，如图2 1 4 所示。它仅适用于u s b 控制传 输的建立阶段： 主机主机u s b 设备 巨坚圈匣璺匪囹 令牌阶段数据阶段握手阶段 图2 1 4s e t u p 传输成功的事务处理 在s e t u p 事务处理中，主机首先向u s b 设备发出s e t u p 令牌包，接着 哈尔滨工程大学硕士学能论文 主机发送具有u s b 格式的数据包，u s b 设备接收到该令牌包和数据包后， 向主机返回a c k 握手包。如果u s b 接收到的s e t u p 令牌包有错误，则会 忽略该信息包，并不作任何应答。不过u s b 一旦接受了s e t u p 令牌包，则 一定要接受其后的数据包，并必须向主机返回a c k 握手包。u s b 设备永远 不能对s e t u p 事务处理以s t a l l 和n a k 握手包来响应。 2 3u s b 的四种传输模式 不同的u s b 设备对数据传输提出了不同的要求，如传输数据量的大小、 传输速率的高低，需同步传输或突发传输等。根据这些要求，u s b 定义了4 种传输类型：块传输、中断传输、同步传输、控制传输。表2 1 归纳了它们 各自的特点。 表2 1u s b4 种传输类型的比较 传输类型端点类型传输方向传输数据的特点 大量、无传输时间和 块传输块端点i n 或o u t 传输速率要求 中断传输中断端点i n 或o u t少量或中量、有周期性 大量、速率恒定、 同步传输同步端点i n 或o u t 有周期性 少量、无传输时间 控制传输控制端点i n 或o u t 要求、传输有保证 2 3 1 块传输 块传输适用于传输大量的、且对传输时间和传输速率均无要求的数据。 当u s b 总线带宽紧张时，它会为其它传输类型让出自己所占用的帧4 , 帧时 间，而其本身将被延迟，这时块传输的传输率很低，占用的传输时间也很长； 当u s b 总线空闲时，它会以很快的速率传输，其传输时间也很短。所以块传 输可以发送大量的数据而不会堵塞u s b 总线，但其传输时间和传输速率却得 不到保证。它采用差错控制和重试机制来确保数据的正确性，因此，块传输 特别适合打印机和扫描仪这类设备，因为在它们看来，数据无错误的发送和 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接收远比传输速率重要。 块传输是通过传送一个或多个i n 或o u t 事务实现的。对u s b 主控制器 来说，它必须能够支持最大数据包长度为8 字节、1 6 字节、3 2 字节、6 4 字 节的全速数据传输和最大长度为5 1 2 字节的高速块传输。在u s b 配置过程中， 主机u s b 系统软件将读取块端点所支持的最大数据包长度，并保证不会向该 端点发送超过这个最大长度的数据包。 2 3 2 中断传输 中断传输适用于传输少量的或中量的、且对服务周期有要求的数据。u s b 为中断传输保留总线带宽，以保证其能在规定的周期内得到服务，但其并不 是一直使用准确的传输速率，另外，u s b 还采用差错控制和从试机制来保证 中断传输的正确性。总的来说，中断传输特别适合于键盘、鼠标类设备。 中断传输的数据传输方式和块传输类似，但其要求必须在描述符所指定 的周期内得到服务。对于低速端点，其服务周期为1 0 m s 2 5 5 m s ；对于全速 端点，其服务周期范围是l m s 2 5 5 m s ；对于高速端点，其服务周期为( 2 b l “啪小1 ) 1 2 5 u s ，其中b i n t e r v a l 是端点描述符b i n t e r v a l 字段的值( 端点描述符见) ， 取值范围是1 1 6 。 2 3 3 同步传输 同步传输适用于传输大量的、速率恒定的、且对服务周期有要求的数据。 u s b 为同步传输保留了带宽，以保证其能在每帧小帧中都能得到服务，即同 步传输将一直使用准确的传输速率，因此其传输时间是可以预测的，另外， 为了确保数据传输的及时性，同步传输没有采用差错控制和重试机制，即不 能保证每次都是成功的，同步传输特别适合音频类和视频类设备，如c d 机 和扬声器等，因为在它们看来，数据被及时发送和接收远比其正确性重要。 同步传输也是通过一个或多个i n 或o u t 事务处理实现的，但只具有令 牌和数据阶段，而没有握手阶段( i n 或o u t 事务处理见2 2 3 ) 。同步传输 不使用任何握手包，对于发送方，不管数据接收是否成功，它总是在每一帧 小帧中连续发送数据，且不会对前一帧d , 帧中出错的数据进行重传：对于接 收方，它可以判断出数据传输是否出现了错误，但不会向发送方返回任何握 手包。u s b 总线的误码率很低，大多数情况下数据都能被成功的发送和接收。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i i 宣i 一l mm 一i m i 宣宣； 对于偶尔出现的错误，接收方必须容忍。 对于全速端点，u s b 在每帧中为中断传输和同步传输保留了9 0 的总线 带宽；对于高速端点，u s b 在每帧中为它们保留了8 0 的总线带宽。在u s b 设备配置时，主机系统软件会判断当前u s b 是否有足够的帧4 , 帧时间来满 足同步端点的总线带宽需求，如果其能够被满足，则该同步管道就被建立； 如果不能满足，则该同步管道就不能被建立。对于全速同步端点，其服务周期为 ( 2 6 m 岫扪) x l m s ；对于高速端点，其服务周期为( 2 6 h 1 帆扪) x 1 2 5 u s 。其中b i n t e r v a l 是端点描述符b i n t e r v a l 字段的值( 端点描述符见2 4 ) ，取值范围是1 - 1 6 。 2 3 4 控制传输 控制传输适用于传输少量的、且对传输时间和传输速率均无要求，但必 须保证传输的数据。控制传输可用于低速、全速、高速设备，且所有的u s b 设备都必须支持控制传输。控制传输包含建立、数据和状态阶段，每个阶段 都有特定的事务组成，如图2 1 5 所示。其中建立阶段负责完成主机向u s b 设备发送控制请求，它们具有u s b 定义的格式，该阶段由一个s e t u p 事 务组成；数据阶段是可选的，如果有的话，其将根据建立阶段指明的方向来 有一个或多个i n o u t 事务组成；状态阶段用于u s b 设备向主机报告建立阶 段和数据阶段的传输结果它由一个i n 事务或o u t 事务组成。 建立阶段厂一数据阶段 状态阶段 控带 j o ，u t is e t u v ( o ) 由lo u t ( 0 ) 砬团 d 各r a 0d a l a1d a t a od a l a 1d a l a1 建立阶段广一数据阶段1 状态阶段 控掣雾 s e t u p ( o ) 由圃面圃 d a 舱0d a 弘ld a 聪0d a 聪0 1d a 弘l 建立阶段状态阶段 蚕蓍曩器 s e t u 亟p ( 一0 ) 二圃段的控制i型! 12l 传输d a t a 0d a t a l 图2 1 5 控制事务的处理格式 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 4u s b 设备描述符 u s b 设备描述符是对u s b 设备的属性说明，它详细地记录着与外围设 备相关的一切信息。u s b 描述符掌握了有关设备的各种信息与相关设置。设 备有5 种u s b 设备描述符，分别是设备描述符、配置描述符、接口描述符、 端点描述符和字符串描述符。各个描述符的树状结构如图2 1 6 所示p 1 ： 图2