（信号与信息处理专业论文）媒体处理器中集成usb接口的研究.pdf

塑婆盔堂堡堂笪堡壅 塑笪丝堡墨主堡堕型里堡旦堕婴塑 摘要 随着芯片业的飞速发展，数字信号处理器( d s p ) 无论从制造工艺、体系结 构、编译器和d s p 上的实时操作系统( r t o s ) 几个方面都取得了巨大的发展。作 为当今一个应用的热点，多媒体应用也强劲地推动着芯片业的发展。d s p 以其体 系结构上的特殊性，强大的处理能力和相对较低的功耗水平，特别适合于多媒体 领域的应用。正是这样一个背景促成了3 2 b i t 媒体数字信号处理器m d 3 2 的设计 和开发。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线作为一套全新的工业接口标准，它具有 可靠传输、高速、灵活、方便等特点，在业界已获得广泛的运用和支持。u s b1 1 协议标准包含低速( 1 5 m b p s ) 和全速( 1 2 m b p s ) 两种方式，协议支持四种传输 类型：控制传输、批传输、中断传输和同步传输。这些特点使得u s b 接口总线满 足各类产品的需要，适用于媒体处理器中进行快速、有效的批量数据的异步传输 和实时的音视、频数据的同步传输等。从m d 3 2 的应用考虑，为其配备集成u s b1 1 接口，不仅使系统开发集成更加方便，而且可以使m d 3 2 应用于各种场合。 本文首先简要的介绍了u s bi 1 协议规范和w i n d o w s 驱动模型( w d m ) ，并 在此基础上开发了u s b1 1 设备控制器i p 核及其驱动程序；u s b 核除了拥有缺 省控制端点外，还包含有其他三种类型的输入和输出端点。并且在f p g a 仿真验 证平台上，通过应用程序对其进行了验证，结果表明u s b1 1 设备控制器i p 核 及其驱动程序运行良好，从而验证了o s b 核和相应的u s b 驱动程序的正确性、稳 定性及其完整性，为m d 3 2 集成u s b 接口模块提供了有力的正确验证。 关键词：媒体数字信号处理器，u s b 设备控制器i p 核，w d m 驱动程序模型 塑、江丕堂堡主堂堡鲨塞 燮堡竺堡墨主堡盛望望堡旦塑堑塑 a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fi ci n d u s t r y , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) h a s b e e na d v a n c e d e n o r m o u s l y i n m a n y f i e l d s ，s u c h a s m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ， a r c h i t e c t u r e ，c o m p i l e ra n dr t o s m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa l s og r e a t l yp r o m o t e t h e d e v e l o p m e n to fd s p t h es t a n d o u tp e r f o r m a n c e ，t h es p e c i a la r c h i t e c t u r e ，p o w e r f u l p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , a sw e l la sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，m a k e sd s p m o s ts u i t a b l e f o rt h ef u t u r em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n t h i si st h eb a c k g r o u n du n d e rw h i c hm d 3 2i s d e v e l o p e d ， u n i v e r s a ls e r i a lb u sh a sb e e nan e wi n t e r f a c es t a n d a r d ，w h i c hh a sc h a r a c t e r i s t i c s o fr e l i a b l et r a n s f e r , h i g hs p e e d ，f l e x i b l e ，c o n v e n i e n c ea n ds oo n n o w a d a y su s bh a s b e e ns u p p o r t e da n du s e d p o p u l a r l y u s b1 1s p e c i f i c a t i o ni n c l u d e st w o k i n d s o f s p e e d m o d e ：l o w s p e e d ( 1 5 m b p s ) a n d f u l ls p e e d ( 1 2 m b l ：i s ) w h a t sm o r e ，t h eu s b p r o t o c o l s u p p o r t st h ef o u rt y p e so ft r a n s f e r ：c o n t r o l ，b u l k ，i n t e r r u p t ，a n di s o c h r o n o u s u s bn o t o n l yc a nt r a n s f e rt h eb u l kd a t aq u i c k l ya n de f f e c t i v e l yb ya s y n c h r o n o u sp i p e s ，b u ta l s o t h er e a l - t i m ea u d i oa n dv i d e od a t ab yi s o c h r o n o u s p i p e s a l lo f t h e s ec h a r a c t e r i s t i c s m a k eu s bb u si n t e r f a c es u i t a b l ef o rm a n y p r o d u c t s ，e s p e c i a l l yf o rm e d i ap r o c e s s o r c o n s i d e r i n g t h ea p p l i c a t i o no fm d 3 2 i ts h o u l db ee q u i p p e dw i t l li n t e g r a t e du s b1 1 i n t e r f a c ef o ri t sc o n v e n i e n t d e v e l o p m e n t ，a l s om a k i n g i ta p p l i c a b l ei nm a n ys i t u a t i o n s f i r s t l y t h ep a p e ri n t r o d u c e su s b 1 1 s p e c i f i c a t i o na n dw i n d o w sd r i v e rm o d e l ( w d m ) i n b r i e f b a s e do nt h e m ，t h eu s bd e v i c ec o n t r o l l e ri pc o r ei sd e s i g n e dt ob e i n t e g r a t e di nm e d i ap r o c e s s o ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gu s bd r i v e ri sd e v e l o p e d t h e u s bi pc o r eh a v ei na n do u t e n d p o i n t so fb u l k ，i n t e r r u p ta n di s o c h r o n o u si n a d d i t i o nt ot h ed e f a u l tc o n t r o le n d p o i n t a tl a s tt h ec o r ea n dd r i v e ra r ev e r i f i e dt ob e c o r r e c t i v ea n dr e l i a b l ei nm e d i a p r o c e s s o rh a r d w a r e s o f t w a r ec o s i m u l a t i o na n d c o v e r i f i c a t i o np l a t f o r m k e y w o r d s ：m e d i ad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , u s bd e v i c ec o n t r o l l e ri pc o r e ，w i n d o w d r i v e rm o d e l i i 塑坚盔堂堡主堂垡迨塞 堡笠丝堡登主塞盛旦塑堡旦盟型堕 第一章绪论 1 1 多媒体数字信号处理器概述【1 i i 刁1 3 1 4 i 数字信号处理器( d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 被广泛的应用在很多领域，如数字蜂 窝电话、马达控制、音频视频解码、数字相机和调制解调等，它们对运算量的要求非常高。 自1 9 8 2 年美国德州仪器公司( t i ：t e x a si n s t r u m e n t s ) 推山了第一款1 6 b i t 定点商用的数字 信号处理器t m s 3 2 0 1 0 以来，d s p 已经发展了2 0 多个年头，为了满足数字信号处理的特殊 要求，d s p 通常具有以下结构特点：快速的乘法、多个执行单元、高效的存储器访问、零 开销的循环和特殊的指令集等。 纵观芯片业的发展，应用始终是芯片技术发展的最强大的推动力。而当今一个非常有代 表性而且对集成电路要求非常高的应用领域就是多媒体应用。针对多媒体应用中数据量大、 要求带宽高等特点，d s p 在多媒体应用中越来越显示出其优越性。 多媒体处理指对多媒体对象( 如文本，音频对象，静态图像，以及视频等) 的捕捉、存 储、处理和传输等操作。如今，人们不仅仅需要文本，还希望有高保真的音视频享受，逼真 的3 d 虚拟现实体验或者实时的视频电话等。面且，随着人们生活水平的提高，人们对媒体 的需求还在不断更新，不断增加，并产生了各种各样的媒体处理技术，如音频压缩，图形动 画，3 d 渲染，图像视频分析和编辑，视频传输等。这些媒体处理技术，从软件上和硬件 上都给处理器带来了新的挑战。要求的计算复杂且数量巨大，数据也很大。这些都使得传统 的处理器难以满足现代多媒体处理的要求。在多媒体处理条件下，d s p 得到了快速的发展， 并且出现了特别为多媒体庶用的增强型d s p ，也叫做媒体处理器( m e d i ap r o c e s s o r ) 。多媒 体数字信号处理器应该满足以i - 要求： 1 、多媒体信号处理的核心是适应宽带信号特征的高速处理核。 2 、多媒体信号处理的核外围硬件资源必须是充足的、高速的。 3 、多媒体信号处理器的内核与外部的接口也必须也是宽带的，要满足宽带信号的多 路、实时输入输山需求 4 、硬件结构应该合理、有效、适应不同的算法耍求，又不过分复杂，对不同的应用组 合不会追成浪费或资源紧缺。 5 、多媒体信号处理的算法比较复杂、运算量很大，应该有特别的指令系统支持开发。 6 、指令系统与硬件系统在各个层次上紧密配合，协同开发。 1 23 2 位媒体数字信号处理器m d 3 2 q 3 2 位媒体数字信号处理器m d 3 2 是浙江大学信息与通信工程研究所开发的3 2 位嵌入式 d s p 处理器，主要用于音频、视频等多媒体应用中。m d 3 2 指令集结构融合了r i s c 、信号 处理和多媒体处理指令体系，采用六级流水线设计，设计主频为2 0 0 m h z ，能够提供2 亿次 3 2 x 3 2 位m a c 运算秒的运算能力。 从m d 3 2 的应用考虑，应为其配备接口总线模块，这样不仅使系统开发集成更加方便， 而且卣丁以使m d 3 2 应用于各种场合。下面将对各种外部总线进行介绍和比较，以为m d 3 2 选择一种合适的外部总线接口。 浙江大学硕+ 学位论文媒体处理器中集成u s b 接口的研究 t 3 接口总线嘲【7 】嘲【川【1 0 l 任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外 围设各都分别用一组线路与微处理器直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为 了简化硬件电路设计和相应的系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件 和外围设备连接，这组共用的连接线路被称之为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充， 尤其是制定了统一的总线标准后，则可很容易的实现不同设备间的互连。 自1 9 7 0 年美国d e c 公司在其p d p i l 2 0 小型计算机上采用u n i b u s 总线以米，随着计算 机技术的迅速发展，推山了各种标准的、非标准的总线。总线技术之所以能够得到迅速发展， 是由于采用总线结构在系统设计、生产、使用和维护上有很多优越性。概括起来有以下几点： l 、便于采用模块结构设计方法，简化了系统设计。 2 、标准总线可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的硬件板卡和软件。 3 、模块结构方式便丁系统的扩充和升级。 4 、便丁故障诊断和维修，同时也降低了成本。 总之，先进的总线技术对于解决系统瓶颈提高整个微机系统的性能有着十分重要的影 响，因此在p c 机二十多年的发展过程中，总线结构也不断地发展变化。当前总线结构方式 已经成为微机性能的重要指标之一。 在微机系统中除了采用总线技术外，还采用了标准接口技术，其目的也是为了便于模块 结构设计，可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的外部设备和软件。接i z l 一般 是指主板和某类外设之间的适配电路，其功能是解决主板和外设之间在电压等级、信号形式 和速度上的匹配问题。因此不同类型的外设需要不同的接i z i ，不同的接口是不通用的。例如， 硬盘和软盘驱动器的接口是不兼容的，因此不能在硬盘接口上接入软盘驱动器。另一方面， 由于目前的一些新型接1 ：3 标准，如u s b 、i e e e l 3 9 4 等，允许同时连接多种不同的外没，因 此也把它们称为外设总线。 微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与 处理器之间的总线，用于芯片一级的互连：而系统总线则是微机中各插什板与系统板之间的 总线，用于插件板一级的互连；外部总线是微机和外围设备之间的总线，微机作为种设备， 通过该总线和其他设备进行信息与数据的交换，它用于设备一级的互连。 另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被 称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的接1 2 线多，不适下小 型化产品。而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加 简易、方便、灵活；串行通信一般可分为异步模式和同步模式。 1 3 1 内部总线 _ 1 2 c 总线 l c ( i n t e r - i c ) 总线1 0 多年前由p h i l i p s 公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广 泛采用的一种新型总线标准，目前，1 2 c 总线大量应用在视频和音像系统中。它是同步 通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优 点。在主从通信中，可以有多个1 2 c 总线器件同时接到1 2 c 总线上，通过地址来识别各个 一2 堑坚盔堂堡堂焦坠壅 塑堡堡堡墨主堡盛型塑鲎旦塑堑塞 一s p i 总线 串行外围设备接口s p l ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 总线技术是m o t o r o l a 公司推出的一 种同步串行接口。m o t o r o l a 公司生产的绝大多数m c u ( 微控制器) 都配有s p i 硬件接口， 如6 8 系列m c u 。s p i 总线是一种三线的同步总线，因其硬件功能很强，所以，与s p i 有关 的软件就相当简单，使c p u 有更多的时间处理其他事务。 一s c i 总线 串行通信接e ls c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 也是由m o t o r o l a 公司推出的。它是 一种通用异步通信接口u a r t ，与m c s 51 的异步通信功能基本相同。 1 3 2 系统总线 i s a 总线 i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线标准是i b m 公司1 9 8 4 年为推出p c a t 机而建 立的系统总线标准，所以也叫a t 总线。它是对x t 总线的扩展，以适席8 1 6 位数据总线要 求。它在8 0 2 8 6 至8 0 4 8 6 时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有i s a 总线插槽。 一e i s a 总线 e i s a ( e x t e n d e di n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线是1 9 8 8 年由c o m p a q 等9 家公司联 合推出的总线标准。它是在1 s a 总线的基础上使用双层插座，在原来i s a 总线的9 8 条信号 线上又增加了9 8 条信号线，也就是在两条i s a 信号线之间添加一条e i s a 信号线。在实用 中，e 1 s a 总线完全兼容1 s a 总线信号。 一v e s a 总线 v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r da s s o c i a t i o n ) 总线是1 9 9 2 年由6 0 家附件# 制造商联合 推出的一种局部总线，简称为v “v e s a l o c a lb u s ) 总线。它的推出为微机系统总线体系结构 的革新奠定了基础。该总线系统考虑到c p u 与主存和c a c h e 的直接相连，通常把这部分总 线称为c p u 总线或主总线，其他设备通过v l 总线与c p u 总线相连，所以v l 总线被称为 局部总线。它定义了3 2 位数据线，且可通过扩展槽扩展到6 4 位，使用3 3 m h z 时钟频率， 最大传输率达1 3 2 m b s ，可与c p u 同步工作。是一种高速、高效的局部总线，可支持3 8 6 s x 、 3 8 6 d x 、4 8 6 s x 、4 8 6 d x 及奔腾微处理器。 p c i 总线 p c i ( p e r i p h e r a ic o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线是当前最流行的总线之一，它是由i n t e l 公司推山的一种局部总线。它定义了3 2 位数据总线，且可扩展为6 4 位。p c i 总线主板插槽 的体积比原i s a 总线插槽还小，其功能比v e s a 、i s a 有极大的改善，支持突发读写操作， 最大传输速率可达1 3 2 m b s ，可同时支持多组外围设备。p c i 局部总线不能兼容现有的i s a 、 e i s a 、m c a ( m i c r oc h a n n e la r c h i t e c t u r e ) 总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一 代微处理器而发展的总线。目前该总线可分为p c i1 0 和p c i2 0 。p c i l 0 为3 2 位总线， 时钟频率3 3 m h z ，总线最大传输率为1 3 2 m b s ，而p c i2 0 为6 4 能总线，时钟频率6 6 m h z ， 最大传输率2 6 4 m b s ，目前最新版本为p c i2 2 。 1 3 3 外部总线 - r s - 2 3 2 c 总线 r s 一2 3 2 c 是美国电子1 _ 业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 制定的一种串行 物理接口标准。r s 是“r e c o m m e n d e ds t a n d a r d ”的缩写，2 3 2 为标识号，c 表示修改次数。 浙江人学硕士学位论文 媒体处理器中集成u s b 接口的研究 r s 2 3 2 一c 总线标准设有2 5 条信号线，包括一个主管道和一个辅助管道，在多数情况下主要 使用主管道，对于一般的双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一一条接收线 及一条地线。r s 一2 3 2 c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、 1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、 1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。r s 一2 3 2 c 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容 负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用1 5 0 p f m 的通信电缆时，最大通信距离为1 5 m ； 若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原冈是r s - 2 3 2 属单端信 号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内的通信。 r s 4 8 5 总线 在要求通信距离为几十米到上千米时，j 泛采用r s - 4 8 5 串行总线标准。r s - 4 8 5 采用 平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检 测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。r s - 4 8 5 采用半双_ 丁丁作方式， 任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路必须由使能信号加以控制。r s 4 8 5 用 丁多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用r s - 4 8 5 可以联网构成分布式系统，其 允许最多并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器。 i e e e 4 8 8 总线 上述两种外部总线是串行总线，而i e e e 4 8 8 总线是并行总线接口标准。i e e e - 4 8 8 总线 用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用 i e e e 4 8 8 总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总 线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接1 5 台设备。最 大传输距离为2 0 米，信号传输速度一般为5 0 0 k b s ，最大传输速度为1 m b s 。 _ u s b 总线1 1 】【1 2 l 1 9 9 4 年，i n t e l 、c o m p e l 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等7 家世 界著名的计算机和通信公司成立了u s b 论坛，花了近2 年的时间形成了统一的意见，于1 9 9 5 年1 1 月正式制订了u s b0 9 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 规范，1 9 9 7 年开始有真正 符合u s b 技术标准的外设出现。u s b1 1 是目前推山的在支持u s b 的计算机与外设上普遍 采用的标准。1 9 9 9 年初，在i n t e l 开发者论坛大会上，与会者介绍了u s b2 0 规范，该规范的 支持者除了原有的c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o t t 和n e c 四个成员外，还有h p 、l u c e n t 和p h i l i p s 三个新成员。u s b2 0 向下兼容u s b1 1 ，数据的传输率将达到1 2 0 m b p s 4 8 0 m b p s ，支持 宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机和存储设备。 目前普遍采用的u s b1 1 主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速 1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种。低速的u s b 带宽支持低速设备，如显示器、m o d e m 、鼠标、 键盘等。全速的u s b 带宽将支持大范围的多媒体设备。u s b 的主要特点如下： 1 、 外设的安装十分简单。u s b 为电缆和连接器提供了单一模型，电气细节与终端 用户无关；机箱上也配备有u s b 接v i 。u s b 支持热插拔( h o tp l u g ) 和p n p ( p l u g a n d p l a y ) ，计算机系统动态的检测外设的插拔，并且动态的加载驱动程序。 2 、 支持多设备连接，减少p c 机i o 接v i 数量。采用菊花链对端口加以扩展，最多 可在一台p c 机上支持1 2 7 种设备，避免了p c 机上插槽数量对扩充外设的限制。 3 、传输速度快，使用灵活。u s b1 1 规范支持低速( 1 5 m b p s ) 和全速( 1 2 m b p s ) 两种方式；而且u s b2 0 的传输速度高达4 8 0 m b p s 。支持四种传输类型：控制 传输、批传输、中断传输和同步传输。这使得u s b 总线可以快速的进行批量数 据的异步传输和实时的音频、视频数据的同步传输。 4 、 操作系统支持，w i n d o w s9 8 、2 k 、w i n d o w sx p 及l i n u x 等操作系统均支持u s b 。 4 一 浙江人学硕士学位论文 媒体处理器中集成u s b 接口的研究 低成本，低功耗。u s b 设备支持总线供电和自供电两种方式，当连续3 m s 无总 线活动时，设备自动进入挂起状态。同时设备还支持远程唤醒特征。 可靠性好。在硬件方面，使用差分驱动器、接收器和屏敞，保证了信号的完整 和正确。在协议方面，对数据和控制字段提供了c r c 保护；对丢失或损坏的数 据包利用超时协议，进行自我恢复；对流数据进行流控制，以保证同步和硬件 缓冲区的管理：建立数据和控制管道，消除功能部件间的反作用影响。 整个的u s b 的系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源。 _ i e e e l 3 9 4 串行总线 i e e e1 3 9 4 标准将以前的多种总线标准，例如v m e 、m u l t i b u si i ，f u t u r eb u s 统一了起 来，提供了一种数字设备之间高速、廉价、规格化、多用途的传输方式，是数字数据传输的 一大革命。作为新一代的高性能串行总线标准i e e e1 3 9 4 的主要性能特点如下： 1 、 “热插拔”：系统在全速工作时，i e e e1 3 9 4 设备也可以插入或拆除。 2 、 即插即用：无需设定1 1 3 ( 识别符) 或端点负载，主节点可以动态确定。 3 、总线结构：采用读写映射空问的结构，而不是i e e e l 2 1 2 标准规定的寻址 发送数据方式，对于外部电缆和底板技术规格，都有详细规定。 4 、速度快：i e e e1 3 9 4 标准定义了三种传输速率：9 8 3 0 4 m b p s ，1 9 6 6 0 8m b p s ， 3 9 2 2 1 6m b p s 。这个速度完全可以用来传输未经压缩的动态画面信号。i e e e 1 3 9 4 b 标准正在研讨支持8 0 0m b p s 和16 0 0m b p s 的传输速率。 5 、兼容性好：i e e e1 3 9 4 总线可适应台式个人机用户的全部i o 要求，并可以 与s c s i 并口( 小型计算机系统接口) 、r s 2 3 2 标准串口、i e e e l 2 8 4 标准并口、 c e n t r o n i c s 接口、a p p l e s d e s k t o p b u s 等接1 ：3 兼容。 6 、 接口设备对等( p e e r - t o - p e e r ) ，不分主从设备，都是主导者和服务者。其中有 足够的智能用于连接，不需附加控制功能。 根据对上述各类总线的了解，下表1 - 1 列出了常用计算机接口总线的性能比较。 表1 - 1 常用总线比较 慧麓謦鬻 蒸 异步 25 0 1 0 0 2 0 k ( 有些启动器调制解调器，鼠 串行 是1 1 5 k 1标，t 具 黧 异步3 2 单元负4 0 0 01 0 m 数据获取和控制 串行载 系统 慈 同步4 01 84 0 0 k 微控制器通信 串行 l 删觚并行1 56 0 8 m 工具 l l i 蝴豢 串行1 0 2 41 6 0 0 1 0 m 1 0 0 m ，1 g 上网p c 舞 并行2 或8 ( 支1 0 3 08 m 打印机，扣描仪 持戴西链) 磁盘驱动器 熏 异步1 2 7 1 6 ( 使用5 个集线1 5 m 1 2 m ( u s b 20 可 鼠标，键盘，数码 串行 器可达9 6 英尺)达4 8 0 m ) 相机等 薹蒸囊壤l 戮 串行6 41 5 4 0 0 m 视频 综上所述，u s b 设备具有易于使用、速度快、可靠性强、低成本和低功耗等特点，而 浙江大学硕士学位论文媒体处理器中集成u s b 接e 1 的研究 且u s b 协议灵活，被当前的w i n d o w s 等操作系统支持。因此，u s b 接口广泛的应用于电脑、 摄像机、数码相机等各种信息设备上，现在的普通p c 机上都带有2 - 6 个u s b 接口。通过对 上述各种总线的性能、背景和使用范围等的比较，可为m d 3 2 配备u s b 接口。考虑到s o c 系统，为其配备集成u s b l 1 接e l ，u s b l p 核采用v e r i l o g 硬件描述语言进行开发。 1 4u s b 体系结构概述【1 1 1 【1 瓤1 3 】【1 4 j r l5 1 u s b 是一种电缆总线，它支持在主机和范围广泛的u s b 外设之间的数据交换。连接上的 外部u s b 设备通过主机规定的、基于标记的协议，分享u s b 带宽。当主机和其它设备正在运 行时，u s b 总线允许添加、配置、使用和拆除u s b 外没。 1 4 1u ! 沿系统描述 一个u s b 系统主要被定义为三个部分：u s b 互连、u s b 设备和u s b 主机。 1 4 1 1u s b 互连 u s b 的互连是指u s b 设备和主机之间进行连接和通信的操作方式。u s b 总线连接了 u s b 设各和主机，u s b 的物理互连是分层的星型拓扑结构。每个星型的中心是一个集线器。 主机和集线器或功能部件的连接，以及集线器和其他集线器或功能部件的连接，都是点到点 的连接。图1 - 1 显示了u s b 的拓扑结构。 图1 - 1u s b 总线拓扑结构 1 4 1 2 u s b 设备 u s b 设备可被分为：集线器( h u b ) ，用来为u s b 提供了更多的连接点；功能部什 ( f u n c t i o n ) ，用来为系统提供某种具体的功能。 当u s b 设备被连接和枚举后，该设备就拥有了一个唯一的u s b 她址。设备就是通过该 u s b 地址被操作的，每一个u s b 设备通过一个或多个管道与主机通信。所有u s b 设备必须在 端点0 上有一指定的缺省控制管道，通过该缺省控制管道，所有的u s b 设备用一个通用的访 问机制，来获得控制信息，这些控制信息完整的描述了u s b 设备。 1 4 1 3u s b 主机 在任何u s b 系统中，只有一个主机。u s b 和主机系统的接口被称之为主机控制器，主机 一6 浙江大学硕士学位论文 媒体处理器中集成u s b 接口的研究 控制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器被集成在主机系统里，崩来提供一个或多 个连接点。u s b 主机通过主机控制器与u s b 设备进行交互。主机的功能有：检测u s b 设备的 连接和拆卸、管理在主机和u s b 设备之间的控制流、管理在主机和u s b 设备之间的数据流、 收集状态和动作信息、提供电能给连接的u s b 设备。 主机上的u s b 系统软件管理u s b 设备和主机上该设备的软件之间的交互。u s b 系统软件 与设备软件之间的交互方式有：设备枚举利配置、同步数据传输、异步数据传输、电源管理 和设备和总线管理信息。 1 4 2 u s b 物理接口 u s b 物理接口包括电器特性和机械特性两个方面。 1 电气特性 u s b 通过一种四线的电缆传输信号和电能，下图i - 2 显示了电缆的结构。 v b u s d + d g n d v b u s d + d g n d 图1 - 2u s b 电缆 d + 和d - 用于传输数据信号，共有两种数据传输速率；全速( 1 2 m b p s ) 和低速( 1 5 m b p s ) 。 低速模式需要更少的e m i 保护。在同u s b 总线上，两种模式可在传输间自动切换。由于对 低速模式的过多使用会降低总线的利用率，所以低速模式只支持有限数量的低带宽要求的殴 备，例如鼠标。时钟信号和差分数据一起被编码后，被传输出去。编码方案是n r z i 编码， 同时还要进行位填充，以保证转换的充分性。 电缆中利用v b u s 和g n d 两根线米向设备提供电能，v b u s 使用+ 5 v 电源。u s b 电缆最长 可达儿米。为了保证足够的输入电压等级和和合适的末端阻抗，有偏向的末端应被用于电缆 的每个尾部。同时，末端也可检测出端点的连接和拆卸；并区分出全速还是低速设备。 2 机械特性 所有设备都有一个上行连接，上行连接器和下行连接器是不能进行简单的互换，这样就 避免了集线器上的非法的循环往复的连接。电缆中有四根导线：一对互相缠绕的标准规格线， 以及一对符合标准的电源线。 1 4 3 电源 u s b 规范里包括了电源的两个方面：电源分配和电源管理。 1 4 3 1 电源分配 每个u s b 单元可以通过电缆提供有服的电能。主机对那种真接相连的u s b 设备提供电能供 其使用。此外，每个u s b 设备都可以有自己的电源。那些完全依靠电缆提供电源的设各被称 之为总线供电设备；那些可使用自己的电源的设各被称之为白供电设备。而且，集线器也可 为与之相连的u s b 设各提供屯源。 7 塑坚盔堂堡堂焦迨塞 堡篮丝堡墨主苤些型些壁旦丝l ! 窒 1 4 3 2 电源管理 u s b 主机可以有一个独立于u s b 系统的电源管理系统。u s b 的系统软件可以与主机的电源 管理系统相互作用，共同处理系统电源事件，例如挂起和唤醒事件。此外，u s b 设备应用特 有的电源管理特性，可让系统软件和控制其电源管理。 1 4 4 总线协议 u s b 总线是一种轮询方式的总线，主机控制器初始化所有的数据传输。所有的总线事务 至多包括二个包的传输。当主机控制器按照传输前制定好的原则，发送一个标记包斤，事务 便开始了；标记包描述了事务的类型和方向、u s b 设籍地址以及端点号。u s b 设备通过解码 合适的地址字段，来选择它自己。在一个给定的事务里，数据传输方向要么是从主机到设备， 要么是从设备到主机，数据传输方向在标记包里规定。然后数据源发送一个数据包或表明其 没有数据传输。一般的，接收方也要相应的发送一个握手包来表明传输是否成功。 在主机和设备端点上的发送方和接收方之间的u s b 数据传输模型，被称之为管道。共有 两种类型的管道：流和消息。流数据没有u s b 定义的结构，而消息管道则必须有u s b 定义的 结构。此外，管道与数据带宽、传输服务类型及端点特性( 例如方向和缓冲区大小) 有关。 大多数管道在u s b 设备配置完成后就存在。一个消息管道，即缺省控制管道，在设备一上电 后就存在，从而可为设备提供了对配置、状态和控制信息的访问。 事务预调度允许对一些流管道进行控制。在硬件级别上，通过使用n a k 握手信号阻塞数 据传输速率，来防e 对缓冲区过高或过低估计。当发送了n a k 握手信号后，如果可以获得总 线时间，那么该事务将被重试一次。这种流控制机制允许灵活的任务安排结构，可使不同种 类的流管道同时正常工作。 1 4 5 健壮性 u s b 的健壮性在于以f 儿个属性： 使用差分驱动器、接收器和屏蔽，保证了信号的完整性 _ 在数据和控制字段上进行了c r c 保护 _ 能对设备的连接和拆卸进行检测，并且在系统级上进行资源配置 - 对丢失或损坏的数据包利用超时协议，进行自我恢复 一 对流数据进行流控制，以保证同步和硬件缓冲区的管理 一 建立数据和控制管道，消除功能部件间的反作用影响 1 4 6 系统配置 u s b 设备可以随时被连接和拆卸；系统软件在物理总线布局上必须支持这种动态变化。 1 4 6 1u s b 设备的连接 所有的u s b 设备都是通过集线器端口而连接到u s b 总线上，集线器用状态指示来指明在 其某个端口上，u s b 设备的连接和拆卸情况。当u s b 设备连接到集线器的某个端口上时，主 机请求集线器重新获得这些状态指示。并且主机通过设各的缺省控制管道使能该端e l 和对设 备进行寻址。这时，主机分配给设备一个唯一的地址，并判定该新连接上的u s b 设备是集线 器还是功能部件。然后主机使用分配的u s b 地址和端点0 为u s b 设备建立其控制管道的端点。 如果连接的u s b 设备是集线器，并且其端口上连接有u s b 设备，那么每个连接上的u s b 一8 一 塑坚盔堂亟堂焦堡塞 塑堡丝堡墨塞盛型塑堡旦的婴塑 设备都要进行上述的过程。如果连接的u s b 设备是功能部件，那么连接通知将被同该功能部 件相关的主机软件所处理。 1 4 6 2u s b 设备的拆卸 当u s b 设备从集线器的某个端口被拆卸屙，集线器便禁止了该端口，并且向主机报告该 设备已经被拆卸了。然厉拆卸报告被适当的u s b 系统软件所处理。 如果被拆卸的u s b 设备是集线器，那么u s b 系统软件必须对集线器及先前通过该集线器 连接到系统上的所有u s b 设备的拆卸情况进行处理。 1 4 7 数据流类型 u s b 支持在u s b 主机和设各之间，通过一组双向或单向管道进行功能数据和控制信号的 交换。其数据传输发生在主机软件和u s b 设备的某个指定的端点间，这种主机软件和u s b 设备端点之间的联系被称之为管道。总的来说，一个指定的u s b 设备可以拥有许多管道，各 管道之间的数据流动是相互独立的。例如，一个u s b 设备可以拥有一个支持从主机传输数据 到设备的管道的端点，同时还有一个支持从设备传输数据到主机的管道的端点。 u s b 的体系结构包含四种基本的数据传输类型：控制传输、批量传输、中断传输和同 步传输。对任何给定的设备配置，一个种管道只能支持上述四种传输类型中的一种。 1 4 7 1 控制传输 当u s b 设备刚被连接上时，u s b 系统软件通过控制管道使用控制数据对设备进行配置。 控制传输也能被用于u s b 设备的其它特定的目的，例如控制设备上其它的管道。控制管道上 的数据传输是无损的。 1 4 7 2 批量传输 批量数据是由大量的连续数据组成。在硬什级上，通过使用错误检测和进行有f 数量的 重试，可以保证可靠的数据传输。此外，批量数据传输占用的带宽可以变化，具体取决于其 它的总线活动。 1 4 7 3 中断传输 中断传输的数据是少最的，并且其延迟时间是有限的。这种数据可由设备在任何时刻发 送，并且以不慢于设备指定的速率在u s b 上传送。中断数据典型的由事件通知、字符或坐标 组成，一般只有一个或几个字节。一个典型的中断数据就是定点设备的坐标。尽管中断传输 不需要精确指定的传输速率，但这些交互数据必须有一个u s b 支持的响应时问界限。 1 4 7 4 同步传输 同步数据的建立、传送和使用是连续和实时的。同步数据的稳定的传输和接收速率暗含 了相关的定时信息。同步数据的传输速率必须与接收速率相同，以保持同步。同步传输除了 传输速率敏感外，对传输的延迟也非常敏感。同步管道要求的带宽典型的基于相应的功能部 件的抽样特性。要求的延迟时间与每个端点的可获得的数据缓冲区大小有关。 9 浙江人学硕士学位论文 媒体处理器中集成u s b 接口的研究 第二章u s b 协议规范 2 1u s b 通信模型【1 1 】【1 4 】 u s b 总线通过互连提供了在主机和设备之间的通信功能。不同层次的实现者对u s b 有 不同要求，故必须从不同的层次观察和了解u s b 系统。对u s b 的分层理解，能使不同层次 的实现者只关心u s b 相关层次的特性功能细节，而不必掌握从硬件结构到软件系统的所有 细节。下图2 - 1 展示了u s b 通信模型各层之间的基本信息流和互连关系： l 客户软件h 剖功能i 功能层 l 2 jjt 量 1lil lu s b 系统软件k 荆u sb3 墨辑设备 i u s b 设 ilt 各层 量- ili iu s b 主机控制器i 巾刊u s b 总线接u l u s b 总线 接u 层 _ _ = = 二二专 实际通信流 逻辑通信流 图2 - 】u s b 通信模型层次关系图 由图2 - 1 可见，主机与u s b 设备之间的连接是由许多层