（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式平台的usb和以太网技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着数字信号处理平台性能的不断提高，如何将大量的处理结果实时上 传给p c 机是系统设计中必须解决的一个问题，本论文以某定位系统和图像 声纳系统的研制为背景，旨在解决两系统开发中数据实时上传给主机的问题。 由于两个系统都采用t i 公司高性能定点数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 作为 其主处理器或协处理器，根据系统自身的特点，分别选择u s b 和以太网作为 其通讯链路。 u s b 接口开发的主要工作包括u s b 接口硬件设计、u s b 固件程序的编 写、u s b 驱动程序的编写及主机应用程序的编写。 网络接口开发设计了两套方案：硬件t c p i p 协议栈实现和软件t c p i p 协议栈实现。硬件实现方案主要工作包括网络接口芯片w 5 3 0 0 外围电路设计 及其控制程序的编写；软件实现方案包括网络接口芯片d m 9 0 0 0 a 外围电路 设计、t t c o s i i 嵌入式操作系统的移植、l w i p 协议栈的移植及d m 9 0 0 0 a 驱 动程序的编写。 经过反复测试，上述接口都调试通过，并成功地应用到项目中，实现了 预期目标。 关键词：u s b ；i s p l 5 8 1 ；t c p i pw 5 3 0 0 ；d m 9 0 0 0 a ；i t c o s i i ；l w l p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hc o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c eo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g p l a t f o r m ，h o wt ou p l o a dm a s sp r o c e s s i n gr e s u l t st op ci nr e a lt i m ei saq u e s t i o n t h a tm u s tb e s o l v e di nt h ed e s i g no fs y s t e m t a k i n gt h ed e v e l o p m e n to fx x x p o s i t i o n i n gs y s t e ma n di m a g i n gs o n a rs y s t e mf o rb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e ra i m sa t r e s o l v i n gt h ep r o b l e mo fu p l o a d i n gd a t a t op ci nr e a lt i m ed u r i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h et w os y s t e m s b e c a u s eb o t ho ft h et w os y s t e m sa d o p tt i sh i g h p e r f o r m a n c ef i x e d p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 c 6 4 16 ) a sm a i n p r o c e s s o ro rc o p r o c e s s o r , u s ba n de t h e m e ta rec h o s e na st h e i rc o m m u n i c a t i o n l i n kr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt oe v e r ys y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c s m a i nw o r kf o rd e v e l o p m e n to fu s bi n t e r f a c ei n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g no f u s bi n t e r f a c e ，u s bf i r m w a r ec o m p i l i n g ，u s bd r i v e ra n dm a i n f r a m ea p p l i c a t i o n c o m p i l i n g t w os c h e m e sf o rd e v e l o p m e n to fn e t w o r ki n t e r f a c ea r ed e s i g n e d ：r e a l i z a t i o n o fh a r d w a r et c p i pp r o t o c o ls t a c ka n dr e a l i z a t i o no fs o f t w a r et c p i pp r o t o c o l s t a c k d e s i g no fp e r i p h e r a lc i r c u i tf o rn e t w o r ki n t e r f a c ec h i p ( w 5 3 0 0 ) a n d c o m p i l i n go ft h ec o n t r o lp r o g r a m ea r et h em a i nw o r ko ft h ef i r s ts c h e m e t h e s e c o n ds c h e m ei n c l u d e sd e s i g no fp e r i p h e r a lc i r c u i tf o rn e t w o r ki n t e r f a c ec h i p ( d m 9 0 0 0 a ) ，t r a n s p l a n to fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ( i - t c o s i i ) ，t r a n s p l a n to f l w l p p r o t o c o la n dd m 9 0 0 0 a d r i v e rc o m p i l i n g a c c o r d i n gt or e p e a t e dt e s t i n gr e s u l t s ，t h ei n t e r f a c e sa b o v eb a s i c a l l ym e e t r e q u i r e m e n t s t h e ya r ea p p l i e dt ot h ep r o j e c t ss u c c e s s f u l l ya n dt h ed e s i r e dg o a l s a r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：u s b ；i s p l5 8 1 ；t c p f l p ；w 5 3 0 0 ；d m 9 0 0 0 a ；i t c o s - i i ；l w i p 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、数据和文献的引用己在文 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已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。 作者( 签字) ： 勘c ys 击 日期：d 哆年雪月加日 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( 口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。 作者( 签字) ： 期西蛮导师( 签字) ：忝蒂施岛 一 1 日期： d 矿年专月加日矽1 ：年：；月挪日 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 现代信号处理系统常常涉及到上位机与信号处理机之间的数据通讯，如 何建立信号处理机与上位机的通讯接口成为系统设计中必须解决的一个问 题。通常情况下，对于数据传输速度要求不太高的应用，可以使用普通串行 接1 5 1 作为其通讯链路。但在本论文所涉及的系统中，由于都采用t i 公司高性 能定点数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 作为主处理器和协处理器，产生了大 量的处理结果，并且要求实时传输处理结果，因此传输速度必须达到每秒几 兆字节的数据量，显然普通的串行通讯接口已经不能满足要求。若采用处理 器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 自带的p c i 接口，虽然在速度上可以满足要求，但是仍然 存在很多缺陷：安装麻烦；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩 展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致 采集的数据失真：容易受到机箱内环境的影响；在使用中也会因为其不具备 热插拔功能而相对繁琐。考虑到这些因素，本论文所涉及的系统中分别选择 u s b 接口和网络接口作为其通讯链路，因为它们都具有传输速度高、使用简 单方便等优点。 1 2u s b 2 0 的优越性 随着p c 机性能越来越高，其外围设备加入了更多的功能，为了把计算 机和日益复杂的外围设备高性能地连接起来，产生了支持高传输速率的 u s b 2 0 协议标准。u s b 2 0 将设备与p c 机之间的数据传输速度提高到 4 8 0 m b p s ，具有多种速度的周边设备都可以被连接到u s b 2 0 的线路上，而且 无需担心数据传输时发生瓶颈效应。u s b 2 0 兼容所有的u s b l 1 外部设备、 线缆与连接件，在高速的前提下一样保持了u s b l 1 的特色，并且u s b 2 0 设 备不会和u s b l 1 设备在共同使用的时候发生任何冲突。u s b 2 0 规范有以下 主要优点1 1 ： 1 速度快 接1 5 1 的传输速度高达4 8 0 m b p s ，和u s b l 1 接口的1 2 m b p s 传输速度相比， 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 相当于u s b l 1 接口速度的4 0 倍，完全能满足需要大量数据交换的外设要求。 2 连接简单快捷 所有的u s b 外设利用通用的连接器可简单方便地连入计算机中，安装过 程高度自动化，既不必打开机箱插入插槽，也不必考虑资源分配，更不用关 掉计算机电源，即可实现热插拔。 3 无须外接电源 一些采用普通串口或并口的设备，比如打印机、扫描仪等都需要相应的 外接电源系统，而u s b 电源能向低压设备提供5 v 的电源，新的设备就可以 不需要专门的交流电源，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。 4 支持多设备连接 利用菊花链的形式对端口加以扩展，避免了p c 机上插槽数量对扩充外 设的限制，减少了p c 机i 0 接口数量。 5 抗干扰性强 由于u s b 外设置于计算机箱外，不受机箱内的板间电磁干扰。若在电磁 干扰比较严重的环境下，可以很容易设计屏蔽方案。 6 u s b 设备不涉及主机中断请求( i r q ) 冲突问题 u s b 接口单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用p c 机有限的 资源，同样为用户省去了硬件配置的烦恼。 7 良好的兼容性 u s b 2 0 接口标准有良好的向下兼容性，u s b 2 0 版本能很好地兼容以前 u s b l 1 的产品。系统在自动检测到1 1 版本的接口类型时，会自动按照以前 的1 2 m b p s 的速度进行传输，而其它采用2 0 版本的设备，并不会因为接入一 个1 1 标准的设备而减慢它们的速度，它们还是能以2 0 标准所规定的速度进 行传输。 1 3 以太网技术的发展 从二十世纪八十年代开始以太网就成为最普遍采用的网络技术，它“统 治 着世界各地的局域网和企业骨干网，并且正在向城域网发起攻击。随着 万兆以太网标准的推出，以太网为征服广域网、存储和宽带领域中的新领地 做好了准备。从1 0 m 、1 0 0 m 、千兆到万兆以太网，以太网技术的发展，在速 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率呈数量级增长的同时，其应用领域也在不断拓宽。而不同应用领域各自的 应用需求，又促进了在这些领域内以太网技术的个性化发展。主要表现在以 下几方面瞄1 ： 1 、实时性 在学术上，e t h e m e t 用于自动控制的致命弱点是c s 燃d 通讯协议所 具备的d o n d e t e r m i n i s m 特性。传统的以太网结构使用总线将各个节点连在一 起，允许同时将数据发送到网上，这样就发生了冲撞，必须采用重发机制以 达到相对高的成功率。这种机制导致非确定性( n o n d e t e r m i n i s t i c ) ，而控制系 统需要确定性，以太网技术的发展增强了其通信的确定性。 首先，在网络拓扑结构上，采用星形连接及交换式h u b 。交换式h u b 提 供数据缓冲及具有确定接收数据的网段智能，使数据冲撞及重发机会最小化； 其次，快速以太网( 1 0 0 m b p s ) 的发展及网络冗余技术使以太网更适应 于实时应用； 另外，改进的通信协议克服了t c p i p 协议中的缓冲器满再发送及冲撞控 制中的允许“丢包等缺点。 2 、稳定性 e t h e m e t 介质从同轴电缆，到双绞线，再到光纤。尤其是光纤网络己逐 渐从电信的主干网络，延伸到终端设备。光纤不受噪声干扰，适合使用在实 时监控的高噪声现场环境。 3 、通用性 t c p i p 是一套定义各计算机如何通过网络进行通讯的协议，是目前所实 现的最成功的网络协议，是i n t e m e t 互联网的基础。对该通讯协议的支持内 置于所有操作系统中，在数据链路中所用硬件对t c p i p 应用均是透明的。 t c p i p 已经成为网络上进行数据传输的事实标准。具有t c p i p 接口的现场 设备可以无须透过现场的计算机，直接连接i n t e m e t ，实现远程监控或远程维 修的功能。 1 4 论文主要工作 本论文主要完成两个系统与外界通信接口部分的开发，包括接口芯片选 型、接口部分硬件设计、硬件调试、软件编程以及系统联调。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 某定位系统主处理机平台作为干端部分，选择u s b 2 0 接口技术，它不 仅可以满足高传输速度的要求，还可以实现即插即用等其它的一些功能。其 开发过程大致可以分为以下几项工作： u s b 通信协议的研究： u s b 接口芯片选型及其外围电路设计； 接口部分硬件电路调试； u s b 固件程序开发； 、 上位机u s b 驱动程序及u s b 测试应用程序开发； d s p 应用程序开发； 数据采集显控程序开发。 。 图像声纳信号处理平台作为湿端部分，选择了以太网技术，1 0 0 m 以太 网最高传输速度可以达到1 0 0 m b p s ，利用双绞线传输，距离可以达到1 0 0 多 米，在速度和距离上都能满足要求。在图像声纳数据传输系统的开发中，设 计了两套方案，大致可以分为以下几项工作： 以太网通信协议的研究； 网络接口芯片选型及其外围电路设计； 网络接口部分硬件调试； 硬件t c p i p 协议栈实现网络通信，主要完成网络接口芯片w 5 3 0 0 控制程序的编写； 软件t c p i p 协议栈实现网络通信，主要工作包括g c o s i i 嵌入式操 作系统的移植、l w l p 协议栈的移植及网络接口芯片d m 9 0 0 0 a 驱动 程序的编写； 上位机网络测试程序的编写( w i n s o c ka p i 程序的编写) ； d s p 应用程序的开发：包括用户层通信协议的实现、扇形变换和图 像数据的发送； 系统联调。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章某定位系统u s b 接口的硬件设计 2 1u s b 2 0 体系结构及规范 u s b 是计算机上的一种新型接口技术，它使得计算机和外部设备的连接 十分方便。目前，很多设备都采用u s b 接口实现，比如鼠标、键盘、移动硬 盘、打印机等。在实际设计工作中，也越来越多的采用u s b 技术，比如数据 采集等，u s b 的设计与应用已成为现代电子设计的一个很重要的部分。 2 1 1u s b 2 0 的体系结构 2 1 1 1u s b 系统的描述 u s b 系统主要包括三个部分p 1 ：u s b 互连、u s b 设备和u s b 主机。 1 总线拓扑 u s b 将u s b 设备与u s b 主机连接在一起。u s b 物理连接是一个分层的 星形拓扑结构，集线器在每个星形的中心。每段线路都是主机与集线器或功 能设备之间，或者是集线器与另一个集线器或功能设备之间的点对点的连接。 图2 1u s b 总线拓扑图 7 哈尔滨一1 ：程大学硕士学位论文 由于集线器和电缆的传播时间有定时限制，允许最大层数是7 ( 包括根 层) 。在这七层中，主机和任何设备之间的通信通路最多可支持5 个非根集 线器。一个复合设备占用两层，因此如果它被连接在第七层就不能运转。第 七层只能连接功能设备。u s b 总线拓扑图如图2 1 所示。 2 u s b 设备 u s b 共有两种主要的设备类型：集线器和功能设备。集线器可以提供额 外的u s b 连接点，使得一个u s b 端口可以扩展连接多个设备，而功能设备 可以向主机提供额外的性能。 3 u s b 主机 任何u s b 系统都只有一个主机。主机系统的u s b 接口被称为主控制器。 主控制器可以是硬件、固件和软件的组合。根集线器集成在主机系统，它提 供了一个或多个连接点。 2 1 1 2u s b 物理接口 u s b 传送信号和电源是通过一条四线电缆实现的，信号在两条点对点连 接的线上传输，如图2 2 所示m 1 。 v b u s d + d g n d 图2 2u s b 电缆 它支持三种数据传输速率： 高速传输：4 8 0 m b p s ； 全速传输：1 2 m b p s ； 低速传输：1 5 m b p s 。 电缆中的d + 矛i jd 是对差分数据线，它不仅用来传输数据流，对于集 线器来说，还可用来判断所连接的设备是否为高速设备。因为u s b 协议要求 低速设备在其d 端接接地电阻，而高速设备则要求在d + 端接同样的电阻。 电缆中的v b u s 和g n d 两条线，可向设备提供电源，v b u s 使用+ 5 v 电源，能提供的最大电流为5 0 0 m a 。为了提高数据传输的可靠性和系统兼容 性，协议对u s b 电缆提出了严格的要求，如用于高速传输的u s b 电缆，最 长不应超过5 米。 6 哈尔滨工程火学硕+ 学位论文 2 1 2u s b 2 0 的通信模型 图2 3 中显示了一个多层次结构的u s b 通信模型，它也表明了端点和管 道所扮演的角色，需要注意的是，所有的传输事务都是由主机发起的p 1 。 丰机物理设备 客户软件 u s b 系统软件 f 望兰呈主型! 丝叠! 塑 俐仗际通信流 逻辑通信流 数据餐；道 应j | j u s b 接口电缆 u s b 总线接u 图2 3u s b 互连通信模型 u s b 物理设备：u s b 上的一种硬件，可以运行一些用户程序。 主机客户软件：为一个特定的u s b 设备而在主机上运行的软件。 u s b 系统软件：此软件用于在特定的操作系统中支持u s b ，它由操作系 统提供，与具体的u s b 设备无关，也独立于客户软件。 u s b 主控制器：总线在主机方面的接口，是软件和硬件的总和，用于支 持u s b 设备通过u s b 连接到主机上。 2 1 3 传输类型 u s b 具有4 种传输类型，定义多种传输类型的目的是为了适应众多u s b 设备对传输速率和响应时间方面等不同要求。 1 控制传输 控制传输是u s b 传输中最重要的传输，惟有正确地执行完控制传输，才 能进一步执行其它传输模式。它是突发的、非周期性的。这种传输是用来提 供介于主机与设备之间的配置、命令和状态的通信协议。s e t u p 传输的数据 交换格式如图2 4 所示。 哈尔滨一r ：程大学硕十学位论文 闲置 令牌阶 数据阶 状态阶 口毛机 口设备 闲鬣 图2 4s e t u p 传输的数据交换格式 2 批量传输 批量传输只能用于全速或高速u s b 设备，适合于传输大量且对传输时间 和传输速率均无要求的数据。在数据传输过程中，当总线带宽紧张的时候， 会自动为其它传输类型让出自己所占用的帧微帧时间，而本身的数据将被推 迟，这时，批量传输的传输速率比较低、占用的传输时间长：当总线空闲的 时候，它将以很快的速率传输，占用的时间短。批量传输的数据交换格式如 图2 5 所示。 扒、 l jj ：机l 设备 图2 5 批量传输的数据交换格式 3 中断传输 中断传输是为那些只传输少量数据并且请求传输的频率不高的一类设备 设计的。它们都有一个确定的服务周期，对中断传输有以下的要求：一是管 道的最大服务期要得到保证；二是由于错误而引起的重发要在下一个服务期 进行。中断传输需要快速地向主机报告当前的状态，这是由设备的属性和使 用的场合所决定的。中断传输是发生在主机轮询设备的时候，并不是由设备 触发的硬件中断。中断传输的数据交换格式如图2 6 所示。 8 哈尔滨j r 程大学硕十学位论文 ，。刚苴、 。， l r 擞l 设衢 图2 6 中断传输的数据交换格式 4 等时传输 等时传输适用于固定速率或在固定时间内的传输。只有全速和高速设备 才支持等时传输。在全速情况下，等时传输每个帧传输的数据要比中断传输 的多。等时传输是保证大量数据可以迅速通过繁忙总线的一个很好的方式。 与批量传输不同，一旦等时传输开始之后，主机会确保在预期的时间内完成。 因此，等时传输是可以预测的。等时传输数据交换格式如图2 7 所示。 i j 缀 牌阶 数摄阶 口盘机 口设舔 图2 7 等时传输的数据交换格式 2 2u s b 2 0 功能设备的开发流程 根据u s b 系统的组成，u s b 系统的开发可以分为3 类：u s b 主控制器 的开发、u s b 集线器的开发、u s b 功能设备的开发嘲。 u s b 功能设备开发流程如图2 8 所示，整个开发过程分为以下5 个步骤： 1 ) 分析u s b 设备的功能：首先要对所设计的产品的功能进行全面了解， 比如数据传输速率、传输类型、所需要的硬件资源等。 2 ) 选择u s b 接口芯片：对所开发的产品有了完整的了解后，便可以选 择合适的u s b 接口芯片，此时，需要对各种u s b 芯片的资源和使 用比较熟悉。 9 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 3 ) u s b 开发：u s b 选型结束后，便可以进行u s b 设备的软硬件开发， 这里的软件丌发最为复杂，涉及到u s b 芯片的固件程序、u s b 主机 驱动程序和主机的用户界面操作程序等。这些软件的设计和调试不 是分立的，而是相互联系的，有时在修改一个程序的同时，需要对 其它几个程序进行相应的修改。 4 ) 软硬件综合调试：所设计的u s b 设备是一个软硬件综合体，最后需 要对整个软硬件系统进行综合调试，以确保功能的完整和完善。 5 ) 完成u s b 设备：最后u s b 设备设计完成，可以投入项目应用。 图2 8u s b 功能设备的开发流程 2 3u s b 接口设计 2 3 1u s b 接口芯片选型 在进行u s b 功能设备开发时，首要的任务是定义其性能指标并选择一款 合适的u s b 接口芯片，如果选择的好，可以大大节省开发时间和费用。 u s b 接口芯片是一种集成了u s b 协议的微处理器，能自动对各种u s b 事件做出响应，以处理u s b 总线上的数据传输。所有的主机和设备上都至少 含有一块实现其功能的u s b 接口芯片。按照不同的标准，u s b 接口芯片有 如下几种分类方式m 1 ： 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 一、按支持的规范进行分类 1 u s b1 o 早期u s b 版本，主要应用在鼠标、键盘等h i d 设备，传输速度为1 5 m b p s ( 低速) ，比如c y 6 3 0 0 1 a ，u s s 3 4 4 等。 2 u s b1 1 现在市场上大多数u s b 设备都采用该标准，应用领域广泛，传输速度为 1 2 m b p s ( 全速) ，比如p d i u s b d l 2 ，a n 2 1 3 1 q c 等。 3 u s b2 o 主要用于高速数据采集场合，如图像传输，传输速度为4 8 0 m b p s ( 高速) ， 比如c y 7 c 6 8 0 1 3 ，i s p l 5 8 1 等。 4 u s bo t g 作为u s b 2 0 协议的补充，主要应用在点对点通信，传输速度为4 8 0 m b p s ， 比如s l 8 11 h s ，i s p l 3 6 2 等。 二、按功能进行分类 1 主控制器芯片 负责实现主机与u s b 设备间的物理数据传输，是构成u s b 主机的必需 部件，比如s l 8 11 h s ，i s p l 5 6 1 等。 2 集线器芯片 负责将一个u s b 上行端口转化为多个下行端口，是构成u s b 集线器的 必需部件，比如c y 7 c 6 5 0 1 3 ，u p d 7 2 0 11 0 等。 3 功能设备芯片 负责实现功能设备与u s b 主机间的物理数据传输，是构成u s b 功能设 备的必需部件，比如p d i u s b d l 2 ，i s p l 5 8 1 等。 三、按使用方式进行分类 1 带u s b 接口的专用m c u 这类m c u 有自己的系统结构和指令，从底层专用于u s b 控制，比如 c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 ，这类m c u 的开发需要用专用工具； 2 带u s b 接口的通用m c u 这类m c u 只是基于一般芯片内核增加了u s b 接口，比如c y p r e s s 公司 的e z u s b 系列等，这类m c u 的开发语言和开发工具都和一般m c u 相似； 哈尔滨下程大学硕士学位论文 3 纯粹的u s b 接口芯片 通过外加m c u 对其控制，如p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 、i s p l 5 8 1 以及 c y p r e s s 公司的s l 8 11 h s 等，这类u s b 接1 ：3 芯片价格较低、接口方便、灵活 性高，针对不同的硬件环境可以配合多种m c u 使用，如单片机、d s p 、f p g a 都可以。 当然在芯片的选择过程当中，功耗、电源、内存容量及封装等也是必须 考虑的。综合考虑各方面因素，本设计中选用了p h i l i p s 公司的u s b 2 0 接口 芯片i s p l 5 8 1 。 2 3 2i s p l 5 8 1 特性简介 i s p l 5 8 1 是一种价格低、功能强的u s b 接口器件，它符合u s b 2 0 规范， 并为基于微控制器或微处理器的系统提供了高速u s b 通信能力。i s p l 5 8 1 与 系统的微控制器微处理器的通信是通过一个高速的通用并行接口来实现的。 其内部结构如图2 9 所示。 i s p l 5 8 1 主要特性如下刚1 ： 完全符合u s b 2 0 规范； 高性能的u s b 接口器件，集成了串行接口引擎( s i e ) 、p i e 、f i f o 存储器、数据收发器和3 3 v 的电压调整器； 支持u s b 2 0 的自检工作模式和u s b l 1 的返回工作模式； 高速的d m a 接口； 完全自治的多结构d m a 操作； 7 个i n 端点、7 个o u t 端点和1 个控制i n o u t 端点； 集成8 k 字节的多结构f i f o 存储器； 端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输； 同大部分的微控制器微处理器有单独的总线接口； 集成了5 v 到3 v 的内置电压调整器； 可通过软件控制与u s b 总线的连接( s o f t c o n n e c t ) ； 可通过内部上电复位和低电压复位电路复位，也可通过软件复位； 工作在扩展u s b 总线电压范围( 4 0 - 一5 5 v ) 内，i o 端口最大可承 受5 v 的电压。 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 j0e u i 3 3 v d m 管己d l n t r o i 1j但；： d m a l t ，r i ，y ， r 一 j s b 2 ，l 。 p h i l i p s 接口 d a t 1 1 5 ：0 | s i e ，p l e ， 旦 ：收发器 矧台l i l i 墨管q 一- - - d m a 肖 t ； f f u sc o k f r e s n ；id ，n n 陋描t 2 付 爿刖无 鬈竺兰虫一1 | r l 。l 7 1【 i ! 1 r l 三 d y l 微挖制 1 t 一1 3 3 v 键成微拧制器己：0 鉴j l i l a d ( 7 i v c c | 5 0 ) 系统栉镧器 7 | 懿器 ，jv k m 管删嚣吲 +t ， l n t ， s x i n d o n dj 3 v a ，3 v 。r f - g tw a k e u p 图2 9i s p l 5 8 1 内部结构图 2 3 3i s p l 5 8 1 外围电路设计 i s p l 5 8 1 与d s p 直接相连，d s p 和i s p l 5 8 1 的连接采用通用处理器模式， 即8 位地址总线和1 6 位数据总线分离模式，读写选通信号采用8 0 5 1 类型模 式。上电时，通过b u s c o n f 、m o d e l 和m o d e o 对接口进行设置， b u s c o n f 设为1 ，微控制器接1 2 1 为通用处理器模式，b u s c o n f 设为o ， 接口为断开总线模式；m o d e 0 设为1 ，读和写选通信号为8 0 5 1 类型，m o d e 0 设为0 ，方向和数据选通信号为m o t o r o l a 类型阳刁。 p 2 m 5 卜 ，i a 4 0 “” 9 d - 泓f 3 j ) w c ( 3 3 ) 抖一 r 1 m 0n 。 灯u嘲3 3 ) ，7l 去r 盈中i 。 四，j ) 封一一_ c 3 _ 3 ) n u 0 c ( 3 】) t 卜_ p 叫 鼢1 一 y 。d r l 。 蛐一 b i j $ o d ! q 刊d a od 口 m o d e 0 d & id 荨j d 2 d g n d 鹾篓辜 i l r 瑚d c n d 口f d 捌u 州j i o s d ya 枞 - 一小 节 好强掣监竖墅 器器毛笔 z a fr p u ；”。c 摇l 。：“ d啦rw d c 口：盯 d i o 皇山e 1 5 2 d i o w 生型! ! 笺 datjii$舯 3 9 山- - i t o 、 垫! 业l 一d tld6 * _ 口 妇乙竺坚l j 蔓一d 盯 l ，d 5 3 5m # 坐。竺坐；竺 dat12】) 舢也- 一7 ntlld， 山p - 曲 n t l od 2 ，2a | - 耻d d t ，a d l 3 lmu “ 业堂翌 dt 争耐蕞麓：一_ n t l e & 0 2 7t f 二e 吼 dtwr，ds d a t a 5 曩i 娟j 2 u + pr d dtcs 2 5 口二：s n t ，i l 盯 嚣u s fl h t d t 2 娜p 6 2u ：ew 珏u p n t ln r s p e n d 6 3u 踞s u ：p m p d a t 0 图2 1 0i s p l 5 8 1 外围电路图 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 d s p 的a c e o 作为i s p l 5 8 1 的片选信号，即i s p l 5 8 1 映射到d s p 的地址 空间为0 x 8 0 0 00 0 0 0 - - 一0 x 8 f f ff f f f ；i s p l 5 8 1 的中断输出管脚i n t 与d s p 的 外部中断管脚e x ti n t 6 相连，d s p 与i s p l 5 8 1 的数据交换采用中断驱动方 式；r e s e t 管脚为i s p l 5 8 1 的复位引脚，采用上电复位方式；d 和d + 通过 电缆线与计算机连接。设计中采用外部电源模块供电模式，芯片外部晶振时 钟是1 2 m h z ，通过内部锁相环可以使芯片的收发时钟达到4 8 0 m h z 。i s p l 5 8 1 外围电路设计如图2 1 0 所示。 2 4 系统结构图 某定位系统主要由信标、接收电路、采集电路、显控平台以及提供方位 姿态、经纬度等数据的辅助设备组成。其系统结构如图2 1 1 所示，实物结构 见附录图1 。虚线方框内为主处理机部分，主要完成数据的采集，主处理机 与外界的信息交换主要通过串口和u s b 接口来完成。 图2 1 1 某定位系统结构图 2 5 本章小结 本章从u s b 2 0 体系结构及规范出发，详细介绍了u s b 2 0 功能设备的开 发流程及某定位系统u s b 接口的硬件设计。u s b 接口硬件设计包括u s b 接 口芯片选型、i s p l 5 8 1 特性介绍及i s p l 5 8 1 外围电路设计，并给出了外围电 路设计原理图。 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第3 章某定位系统u s b 接口的软件实现 从前章的介绍中可知，u s b 接口开发包括硬件设计和软件实现两部 分，软件实现又分为三大部分：u s b 固件程序开发、u s b 设备驱动程序开发 和u s b 应用程序开发。本章将对u s b 接口的软件实现进行详细的阐述。 3 1u s b 固件程序的设计与实现 3 1 1 固件程序的架构 固件程序是写入m c u 内的程序，使m c u 可以完全按照u s b 协议，识 别接收到的信息包类型，对包的内容、意义进行分析，并按照要求完成相应 的动作。通过这些不同类型包的传递，完成m c u 与接口芯片的命令及数据 交换，进而实现主机与设备间的通信。 固件程序设计成中断驱动模式，采用模块化设计，其总体结构如图3 1 所示q 。 图3 1 固件结构和数据流向 各模块的主要工作如下： 主程序：完成m c u 的初始化、u s b 接口芯片的初始化、数据发送接收 标志位的判断及中断请求等待等。 中断服务程序：当i s p l 5 8 1 向d s p 发出中断请求时，根据中断寄存器的 值调用相关处理程序或设置相应标志位。 请求处理程序：对u s b 的标准请求及用户添加的厂商请求进行处理。 1 5 哈尔滨下程大学硕士学位论文 数据接收发送程序：完成数据的发送和接收。 硬件接口访问程序：实现对i s p l 5 8 1 寄存器的访问。 3 1 2 固件程序的实现 固件程序的编写就是利用c 语言实现固件结构中各个部分的功能，下面 将从下到上分别介绍每个模块的实现n 3 h 1 5 1 ： 1 硬件接口访问程序 硬件接口程序负责完成d s p 对i s p l 5 8 1 的读写操作，它是整个固件程序 中最底层也是使用最频繁的部分，在这里主要定义了两种类型的函数： i s p l 5 8 1 常用寄存器访问函数和数据端口寄存器访问函数。 i s p l 5 8 1 常用寄存器访问函数： v o i do u t p o r t ( u n s i g n e di n t 木r e g _ a d d r , u n s i g n e ds h o r tv a l u e ) ； u n s i g n e ds h o r ti n p o r t ( u n s i g n e di n t 木r e g _ a d d r ) ； o m p m 为寄存器写函数，其中参数r e g ，a d d r 为要访问的寄存器地址，由 基地址+ 寄存器地址构成，参数v a l u e 为要写入寄存器的值；i n p o r t 为寄存器 读函数，参数含义与o u t p u t 函数相同，返回值为读出的寄存器的值。这两个 函数对单字节或四字节寄存器的访问也是可用的，对于单字节寄存器来说访 问时忽略高字节的值，对于四字节寄存器来说则是分两次进行。 数据端口寄存器访问函数： v o i dw r i t e e p ( u n s i g n e ds h o r t a d d r , u n s i g n e ds h o r ts i z e ) ； u n s i g n e ds h o r tr e a d _ e p ( u n s i g n e ds h o r t 宰a d d r ) ； w r i t e e p 为写端点发送缓冲区函数，其中参数* a d d r 为指向待发送缓冲区 的起始地址指针，参数s i z e 为要发送数据的字节数：r e a de p 为读端点接收缓 冲区函数，参数含义与w r i t e 印函数相同，返回值为接收数据的字节数。 2 。中断服务程序 中断服务程序是整个固件程序设计的重点。首先通过读取i s p l 5 8 1 中断 寄存器的值判断所发生中断的类型，然后根据具体的中断类型进入相应的处 理子程序或设置相应的标志位。中断服务程序中需要处理的中断有总线复位 中断、高速状态变化中断、s e t u p 中断及端点的玳o u t 中断。中断服务程 序流程如图3 2 所示，中断寄存器的清除在中断处理程序中完成。 1 6 哈尔滨t 程火学硕士学位论文 ， 图3 2 中断服务程序流程 在所有的中断处理程序中，最重要的中断处理既是e p o s e t u p 中断处理， 它是u s b 设备与p c 机间建立通讯链路的基础。s e t u p 事物的数据字段长度 为8 字节，数据字段格式如表3 1 所示嘲。 。 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 表3 1s e t u p 事物的数据字段格式 地址偏移字段名 长度( 字：1 了)说明 0 b m r e q u e s t t y p e 1 指明控制请求的特性 1 b r e q u e s t 1 指明控制请求的请求号 2w v a l h e 2 指明控制请求的参数 4w l n d e x 2 指明控制请求的参数，主要h j j 于 传送索引值或偏移量 6 w l e n g t h 2 指明该控制传输数据阶段所要 传输的字节数 对s e t u p 包进行分析并做出相应处理是s e t u p 包处理程序的主要工 作，s e t u p 包处理程序的流程如图3 2 所示。 图3 2s e t u p 包处理流程 3 标准请求处理程序 u s b 标准请求处理程序负责处理枚举阶段主机发给设备的标准请求，以 及正常工作时主机发送的厂商请求。u s b 2 0 协议中规定了1 1 种u s b 标准请 求，对这1 1 种标准请求作出正确的响应是设备成功枚举的重中之重。 u s b 2 0 协议中规定的1 1 种u s b 标准请求如下【“： 1 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 g e t s t a t u s ：读取u s b 设备、接口或端点的状态； c l e a r f e a t u r e ：清除或禁止u s b 设备、接口或端点的某些特性； s e t f e a t u r e ：设置或使能u s b 设备、接口或端点的某些特性； s e t a d d r e s s ：分配u s b 设备地址； g e t d e s c r i p t o r ：读取设备的描述符； s e t d e s c r i p t o r 更新已有的描述符或添加新的描述符； g e t c o n f i g u r a t i o n ：读取设备当前的配置值； s e t c o n f i g u r a t i o n ：为u s b 设备选择一个合适的配置； g e t i n t e r f a c e ：读取u s b 指定接口的当前可替换设置值； s e t i n t e r f a c e ：为u s b 指定接口选择一个合适的可替换设置值： s y n c h f r a m e ：读取u s b 同步端点所指定的帧序号。 当固件接收到第一个s e t u p 中断后，就进入u s b 枚举过程，其过程是 由主机发出一系列u s b 标准设备请求并要求及时得到设备响应，如果不需要 进行操作，也必须指示一个空响应，使主机能为该设备准备其所请求的资源， 建立好两者之间的信息沟通机制。 u s b 设备的枚举具