（电路与系统专业论文）基于DSP和USB技术的微机图像处理系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于d s p 和u s b技术的微机图象处理系统设计 abs t ract t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e m e t h o d o f t h e e x p l o i t a t i o n o f i m a g e p r o c e s s i n g s y s t e m b a s e d o n u s b a n d d s p . wi t h t h e p e r f o r m a n c e o f h i g h s p e e d a n d p n p u s b i s a d o p t e d i n t h i s s y s t e m i m a g e p r o c e s s i n g s y s t e m c a n b e d i v i d e d i n t o f o u r p a rt s : i m a g e a c q u i s i t i o n , i m a g e p r o c e s s in g , i m a g e t r a n s f e r s a n d i m a g e d i s p l a y .i n t h i s s y s t e m , c p l d i s u s e d t o c o n t r o l i m a g e a c q u i s i t i o n , d s p t o p r o c e s s i ma g e i n t e r m o f w a v e l e t t r a n s f o r ma t i o n ,e z - u s b t o t r a n s f e r i m a g e t o c o m p u t e r o v e r u s b . i m a g e p r o c e s s i n g a n d t r a n s f e r i s r e a l i z e d i n m a s t e r - s l a v e s y s t e m c o m p o s e d o f d s p也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教 育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本 研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申 请学位论文与资料若有不实之处 本 人 签名 : 张兵 ，本人承担一切相关责任。 日 期: 丛毗丛 垒一 关于论文使用授权 的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即: 研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部 或部分内 容， 可以允许采用影印、 缩印 或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本 人 签 名 :张 兵 导 师 签 名 二 .矛韦 争 一 日期: 日期: a 0 0 4 1. l 一 公 币 子 子 二召， 第一章 绪论 第一章 绪论 1项目 的背景及意义 随着社会现代化程度的不断提高， 文字和语音己不能满足人们对信息的需求。 据统计， 人类从外界获取的信息中约有 7 0 % 是通过视觉系统，由此可见图像信息的 重要性。伴随着计算机技术和微电子技术迅猛发展出现的高速总线技术及大规模 集成电路技术，使得人们对图像进行高质量的获取、传输、处理成为可能。 在早期，图像处理系统采用机箱式结构所以系统的体积比较大，功能也比较 强，当然系统的造价也很贵。到了2 0世纪8 0 年代中期到 9 0 年代初期，随着大规 模集成电 路的实 用化，图像处理系统外型不再是 机箱式而是采用插卡方式。 人们 把这种插卡式的图象板级产品称为图象卡。自2 0世纪 9 0年代初期开始，以微机 p c i 总 线( p e r ip h e ia l c o m p o n e n t in te r fa c e ) 为图 象 压 缩 传 输为 特 点的 图 象 通 信 方 式 j l 几 始成为主流。 尽管， 这些系统仍是以图象卡的形 式出现，但是融进了许多 新的 东 西。图象处理硬件系统和微机之间的数据传输不再是通过 i s a总线来进行，而是 通过高性能的p c i 总线来进行。 目 前， u s b 总 线 作 为 一 种 新 型的 串 行 总 线 ， 其 速 度最 高 可 达4 8 0 m b p s ， 解 决了以 往串行通 信速度低的 弊端，同时 其在软件方面得到了wi n 9 8 . w i n 2 0 0 0 等 主流操作系统的 支持， 硬件上得到了 主板厂商的支持， 是当前计算机的 标配接口， 有着很好的普及性。由此，基于 u s b总线的外设不会对计算机有过高的要求。同 时，其即插即用的特性克服了i s a, p c i等卡式设备占用资源、使用不变的缺点。 1 . 2微机总线介绍 1 . 2 . 1 微机总线划分 计算机总线分系统总线、 外部总线、 内 部总线 三部分， 外部总线也称i / o总线。 为了和系统总线加以区分，也把内部总线和外部总线叫做局部总线。 ( 1 ) 系统总线:也 称微型机总线或板卡总线，用来和机系统、 插槽上各种扩 充板相连， 是微型 机系统 最重要的一种总线， 系 统总线有多 种标准， 如i s a , e i s a 和目 前流行的p c i 等。 ( 2 ) 外部总线: 用于系统之间的互连，如 微型机之间、 微型机与 仪器或其它 设备之间，常用的 外部总线有r s - 2 3 2 c , i e e e - 4 8 8 , v x i 等， u s b总 线也属于这 一总线类型。 ( 3 )内部总线:用于芯片一级的连接，将接口芯片与 c p u 相接时就用到这 基于d s p 和u s b技术的 微机图象处 理系统设计 种总线。 它一般是 c p u引脚的延伸，与c p u关系密切，负责与 c p u之间的通信。 比如 i 2 c 总线。 不同的总线技术是为了解决某一方面问题而产生的，侧重于某一种问题的处 理，因而它对用户所呈现的物理接口就不同，用户实现的难易程度亦不同。 1 . 2 . 2两种高速串 行总 线的比 较 u s b 发展到今天，总共有三种标准:1 9 9 6 年发布的us b l o , 1 9 9 8 年发布的 u s b 1 . 1 以 及刚刚发布的最新 标准u s b 2 .0 ，此三种标准 最大的差别就在于数据传输 率方面，当 然在其它方面也有不同程 度的改进。 总体来说， 就目 前的 u s b 2 . 0 而言， 己经十分完善了，速度也上了一个新台阶。 i e e e 1 3 9 4 接口又称火线 ( f i r e wi r e )接口，火线就是f i r e w i r e , i e e e 1 3 9 4 接口 的中译名，这种i e e e 1 3 9 4 接口 最早是 a p p l e 公司开发的一个名为 f i r e wi r e的高 速、实时串行标准。数据传输速率高，典型的数据传输速率为i o o m b p s ， 还有 2 0 0 m b p s , 4 0 0 m b p s 等多种更快的传输格式。 连接方式灵活并且在计算机运行期 l a 可自 由拔插。 即将推出的 p 1 3 9 4 b 标准，更将速度提升到8 0 0 m b p s 甚$1 .6 g b p ， 以 上。 将来 i e e e 1 3 9 4 的传输距离也将达到u s b 的2 0 倍，即1 0 0 米:并且仍然可级连。 表 1 . 1两种总线参数比较 us b 1 . 1usb2 . 0 i eee1 3 94 传输速度 1 . 5 m b p s 4 8 0 m b p s4 0 0 m b p s 支持长度5 米 5 米 ( h u b 3 0 米) 4 . 5 米 支持系统wi n 9 8 以上wi n 9 8 以上wi n 9 8 以上 支持特性p n p 、热拔插p n p 、热拔插 p n p 、热拔插 支持设备1 2 7 个1 2 7 个6 3 个 从表中可以 看出， i e e e 1 3 9 4 相比于u s b有很 大优势， 但目 前它没 有 u s b 普 及而且按术上还不够成熟。 3 u s b 设计方案讨论及可行性分析 1 . 3 . 1概述 通用串 行总线u s b ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ) 是由i n t e l . c o m p a q . d i g i t a l . i b m. m i c r o s o ft . n e c , n o r t h e r n . t e l e c o m等7 家世界著名的计算机和通信公司 共同 推 出 的一种新型接口 标准。它基于通用连接技术，实 现了 对外设的简单快速连接， 达到了方便用户、 降低成本、 扩展p c 连接外设范围的目的。 它可以为外设提供电 源，而不像普通的使 用串、并口 的设备需要单独的 供电系统。 另外， 快速是 u s b 技 术的 突出 特点之 一， u s b的全速传输速率 可达 1 2 m b p s . 最大传输速率可达4 8 0 第一章 绪论 m b p s 而且u s b还能支持多媒 体。 u s b 总线由于其极高的速度和即插即用的特点而越来越多的应用于系统设计 中，但由于us b总线本身的复杂性， 真正实现 u s b接口是有一定的难度的。 这主 要体现在: 1 , u s b总线接口 设计 要严格遵守u s b 总线规范、 电 器技术规范和机械技术 规 范。 2 , u s b总线接口 的实 现即 包含微控制 器程序设计还包含驱动程序设计。 要 求 设计人员对操作系统有一定了解，知识面要广。 3 、进行软硬件产品的制作调试阶段还需要很多开发工具，比如基于软件调试 的 s o f t i c e 、基于硬件的us b协议分析仪。有了这些开发工具进行 u s b总线接 口开发、定位故障就会方便的多。 1 . 3 . 2 u s b设备开发方法 目前， 开发 u s b总线接口一般有两种方式: 采用专用 u s b通信芯片设计和采 用具备 u s b通信功能的单片机设计。这两种开发方法各有长处，下面就对这两种 方法做一个简单的说明和比较。 1 ) 采用专用 u s b通信芯片设计 现在的专用芯片中 较流行的有 n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r公司的 u s b n 9 6 0 2 , s c a n l o g i c 公司的s l 1 1 等。这类器件只完成接口 工作，比如将串 行数据变为并行 数据， 采用这类器件构 成的u s b设备还需要一个微 控制器来完成输入输出 等控制 功能。 2 ) 采用具备u s b 通信功能的单片机设计 这类器件将微控制 器和u s b接口 集成在一起， 因而由其构成系统的电 路简单， 调试方便，电 磁兼容 性好， 如c y p r e s s 的e z - u s b系列、t i 的t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 等。 本 设 计 采 用的a n 2 1 3 1 q就 属于 这类 器 件 。 它 基于 增强8 0 5 1 核、 支 持自 动 指 针 、 i 2 c总线等。 传输速率可达1 2 m b p s o 1 . 3 . 3结论 比较上面两种u s b 接口设计方案可知: 采用 e z -u s b等专用芯片，可以 比较容易的实 现 u s b接口， 可以 让开发 者 避开复杂的u s b总线协议，减少工作量，降低设计难度，缩短开发周期。但是， 使用u s b专用接口 芯片也 存在一些问 题:它 价格太高、功能过全， 开发者一般 只 用了 其中一部分功能， 既造成了资 源浪费又不经济: 并且它接口固定，使 用起来 不太灵活。 基于d s p 和u s b技术的 微机图象处理系统设计 4本论文主要工作 在本论文中， 我主要做了以 下工作: 1 、研究有关的基本知识和相关理论 基于d s p 和u s b的数据 采集卡的设计应用到许多方面的知识， 其中包括图像 处理、小 波变换、 u s b协议、 d s p 系统设计原理、 v h d l硬件描述语言、 c / c + + 程 序编写、 wd m格式驱动程序开发等。 本论文的初期工作主要是阅 读大量的 相关 书 籍， 对项目的整体方案进行论证。找出并解决系统软 硬件设计中的关键技术。 2 ,硬件设计 硬件设计主要包括采集电路设计、可编程器件接口电路设计、d s p系统设计、 u s b 接口电路设计、 用v h d l 语言在可编程器件内 部对控 制模块的设计等。 在硬 件电路设计中， 使用先进的e d a开发工具、 可编程技术等， 大大提高了设计效率。 3 、软件设计 软件设计主要包括在 d r i v e r wo r k s 中开发 wd m格式的驱动程序以及用v c + + 设计主机应用程序界面。其中，wd m 即wi n 3 2 驱动程序模型，是 mi c r o s o ft力推 的全新驱动程序模型， 它 旨 在简化驱动程序的开发。在用v c + 十 编程时，采用了面 向对象的编程技术。 4 、系统调试 系统 调试 分 为固件程序和 驱动程 序 的编译调试 。驱 动程序 编 译采用 d r i v e r s t u d i o 集成开发环境。由 于驱动程序在整个设计中起 着连接器的作用， 并且 驱动程序又是操作系统信任的部 分， 它的错误很容易破坏操作系统， 使得整个u s b 设备无法工作，所以 必须进行详细调试。另外， 要对可 编程器件中的控制模块进 行时序及功能仿真， 验证逻辑设计的正确性。 最后， 还要将软件和硬件结合起来 进行调试，验证是否可以实现设计的要求。 第二章 u s b总线协议介绍 第二章 u s b总线协议介绍 2 . 1 u s b 的由来 u s b 是 英 文u n iv e r s a l s e r ia l b u s 的 缩 写， 中 文 含义 是 “ 通 用串 行总 线 ，。它 不 是一种新的 总线标准， 而是应用在p c 领域的 新型接口 技术。 在 1 9 9 4 年， 由i n t e l , c o m p a q , d i g i t a l , i b m, m i c r o s o ft , n e c , n o r t h e rn t e l e c o m等世界上著名的七家 计算机公司和通讯公司成立了u s b论坛，大概花了近两年的时间才形成统一的意 见，于1 9 9 5 年 1 1 月正式制定了u s b 0 . 9 通用串行总 线 ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ) 规 范，而把 u s b接口真正设计在主板上用了一年的时间。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 b i a是目前推出的支持 u s b的计算机与外设上普 遍采用的 标准。 新推出的u s b 2 . 0 规范向下兼容u s b 1 . 1 ， 数据的 传输率最高将达 到4 8 0 m b p s ， 预备支持宽带宽数字 摄像设备及下一代扫描仪、 打印 机及存储设备。 在软件方面: 1 9 9 7 年，微软在 wi n 9 5 0 s r 2 ( wi n9 7 )中开始用外挂模块提供对 u s b 的支 持，1 9 9 8 年后随着微软在w i n d o w s 9 8 中内置了 对u s b 接口的 支持模块， 加上 u s b设备的日渐增多，u s b逐步走进了实用阶段。 2 . 2 u s b 系统描述 开发 基于计算机总线的 设备， 往 往离不开计算机软 件开发。 开发基于u s b总 线的设备，对计算机软件就更为依赖一个 us b 系统可 以从三个方面加以描 述: u s b互联、u s b主机和 u s b设备. u s b 互联是指一个u s b 设备与u s b 主机相连并与其通信的方式. u s b 主机是整个u s b 系统的 指挥官。一 个系统只允许有一个主机。主计算机 系 统的u s b 接口 称之为u s b主控 制器。 主机负责发现总线上新插入的u s b设备， 并 在拨下某一u s b设备后释放先前为它分配的系统资源等操作。 u s b设 备是u s b协议的具体实 现。比 如集线器、 功能 部件鼠 标等。 2 . 3 u s b 拓扑结构 总线拓扑结构是指 u s b主机和 u s b设备的连接模型。总线拓朴结构包括四个 重要的组成部分: 主机和设备:u s b系统的基础组成部分。 物理拓朴结构:描述u s b 系统中的各组成部分是如何连接起来的。 6基于ds p和us b技术的微机图象处理系统设计 逻辑拓朴结构:描述u s b系统各种组成部分的 地位和作用，以及描述从主 机和设备的角度观察到的u s b系统。 客户软件层与应用层的关系:描述从客户软件层看到的应用层的情况，以 及从 应用层看到的客户软件层的 情况。 u s b系统物理拓扑结构描述如下: u s b设备和 u s b主机通过 u s b总线相连。 u s b的物理连接是一个星型结构， 集线器( h u b ) 位于每个星形结构的中 心， 每一段都是主 机和某个集线器， 或某一功 能设备 之间的 一个点到点的 连接。也可以是一个集线器与另一个集线器或功能 模 块之间的点到点的连接。 图2 . 1 u s b 物理拓扑结构 在这种结构中所有的通信都是在 u s b主机和其它 u s b设备之间进行的， 这时 就要明 确u s b 协议中两个基本概念端点 和管道。从而理解主机与设备之间 通信在 u s b 协议中 是如何实现的。 “ 端点( e n d p o i n t ) ”是主 机和设 备之间一 个逻辑的通道。 每一个 u s b设 备 都 支持几个确定的端点。 而每个 端点仅与一个方面的 数据传输相对 应， 所以 在u s b 主 机 和 其 它u s b 设 备 之间 的 双 向 传 输 就 要 有两 个“ 端 点e n d p o in t ” 相 对应。 总 之 ， “ 端点” 是所有u s b设备中唯一 可以 视为其相同的部分。 它与主机和设备之间 某 一方向的数据传输相对应。 “ 管 道( p i p e ) ” 是u s b主机上的一个功能软件和一个u s b设备之间建立的 一 个虚连接。 在 u s b 技术中 有两种类型的管道一一 流管道和消息管 道。 “ 流管道” 是指没有确定的总线帧结构而以 数据流的 方式进行数据传畅的 “ 管道” 。 “ 消息管 道”中 的数据具有一定的帧结构。 因而其数据传输就可以与 所需的带宽、传送类 型和端点 特征( 传送方向和缓冲区 大小) 相适应。 管道是在一 个设备插入系统后， 由 位于 u s b主机上的软件建立的。 所有的u s b设备都必须支撑 “ 管道 0 ”从而使 u s b主机可以利用该管道对 u s b设备进行配置。 第 二 章u s b 总 线协 议 介 绍7 接口是端点的集合，端点用来接受和发送数据，也就是说，接口就是u s b设 备发送或者接收数据集合，对于一个给定的 u s b设备，可能有一个或几个接口， 接口如果包含相同的端点则不能同时配置。 2 . 3 u s b 传输方式 2 . 3 . 1 控制 传送( c o n t r o l t r a n s f e r ) 控制传送允 许访问一 个设 备的 不同部分。 控制传送用于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 传送。 控制传送由以下 几个 事务组成:( 1 ) 建立联系，把请求信息从主机传到它的应用设备;( 2 ) 零个或多个 数据传送事务，按照( 1 ) 事务中 指明 的方向 传送数据;( 3 ) 状态信息回 传。 将状态 信息从应用设备传到主 机。当 端点 成功地完成了 被要求的 操作时，回 传的 状态信 息为 “ s u c c e s s 。u s b设备必须实现缺省控制通道，并将它实现成一个消息通道。 这个通道由u s b系统软件使用。 u s b设备的确认信息、状态信息以及控制信息山 该通道传送。在( 1 ) 阶段规定主机所要求的操作。在 u s b协议中规定了许多标准 s e t u p 包， 用户也可定义自 己的 包:但前提是必须在驱动程序和固件程序中 实现 在阶段 ( 2 ) 数据传输事务中传输方向和传输内容必须按照( 1 ) 中规定。控制传 送使用的 是消息通道上的双向 信息流。 控制传送的 端点决 定了 它所能 接收或发送 的最大数据净负荷区长度。u s b为高速设备定义的最大数据净负荷区长度为 8 , 1 6 , 3 2 或6 4 字节， 低速设备的 数据净负荷区的 长度只能是8 字节。 s e t u p 后的 所 有数据包都要遵守这个规定，这个规定是针对这些数据包中的数据净负荷区的， 不包括包中的协议要求的额外信息.主机控制器对高速设备的控制通道端点支持 8 , 1 6 , 3 2 , 6 4 字节的 最大长度， 对低速设备支持8 字节的 长度。 它不能支持更大 的 或 更 小的 其它 长 度 。 。 u s b 权 衡 所 有 控 制 通 道的 总 线 访问 频 率 和正 等 待的i r p . 从全局优化， 提供一个 最 佳” 传送方案。 u s b要求数据 帧中的一部分被留给 控 制传送使用。 2 . 3 . 2 批传送( b u l k t r a n s f e r ) 为了支持在某些在不确定的时间进行的相当大量的数据通信，于是设计了批传 送类型。 它可以 利用任 何可获 得的 带宽。 批传送有以 下几点特性: 以 可获得带宽访问总 线。 。 如果总线出现错误， 传送失败，可进行重发。 可以 保证数据必 被传送， 但不保证传送的带宽 和延 迟。 只当 有可获得的带宽时， 批传送才会发生。 如果u s b有较多的空闲带宽，则 批传送发生地相对频繁，如果空闲带宽较少， 可能有很长时间没有批传送发生。 基于d s p 和u s b技术的微机图象处理系统设计 批通道是一种流通道，所以总是单方向的。如果要进行双向传送，必须用两个通 道。只有高速设备可以使用批传送。对于控制传送 ，有可保证的传送时间，而对 批传送， 没有。只有当有可用的总线带宽时，批传送才发生。 2 . 3 . 3中断 传送( i n t e r r u p t t r a n s f e r ) 中断传送是为只传或收少量数据，而且并不经常进行传送，但它们有一个确 定的服务周期，这样的设备设计的。对中断传送有以下要求: 通道的最大服务期得到保证。 由于错误而引起的重发在下一服务期进行。 中断 通道是一种流通道， 所以是单向的。 端点描述信息指明了 通道的数据流 方向。高 速设备和低速设备均可使用中断传送。 u s b要求不能有多于 9 0 9 e 的顺时 间 用于阶段传送( 同步传送或中 断传送) 。 中断通道的端点可以指明它要求的总线访问周期。高速设备要求的时间周期 可以l m s 到 2 5 5 m s ，而低速设备从 l a m s 到 2 5 5 m s 。要在 u s b上进行中断传送 ，必 须在每个周期对端口 进行访问。 中断 通道的 端点决定自 己能接收和发送的 最大数 据区长度，高速设备允许最大不超过 6 4 字节 ( 或更少) 的数据区，而低速设备只允 许不超过8 个 ( 或更少) 字的数据区。 2 . 3 . 4 同步传送( i s o c h r o n o u s t r a n s f e r ) u s b 环境下，要求同 步传送能 提供以 下几点: 固 定的延迟下，确保对u s b 带宽的访问。 只要数据能提供得上， 就能保证通道上的 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。同 步通道是一种流通道， 所 以是单方向的。在对端点的描述中指明了与它相连的通道的数据流方向。如果设 备要同步的 双向流的话，只 好用两个同步通道，一个流进，一个流出。u s b限 制 了同 步 通道的 最大数据区长 度为1 0 2 3 字节只有高 速设备可以 使用同步方式。同 步 通道的端点 描述自己的总线访问 频率。 所有的同 步通道一般在一帧内 传一个包( 也 就是说，l m s一个包) 。但总线上的错误或者操作系统对客 户软件调度上的延迟会 造成一 个帧内一个包也没有的情况. 此时， 设备将一个错误指示信息作为状态信 息返回 给客户软件。设备可以通 过跟踪 s o f( 帧开始) 信号来测到此类错误。如 果两个 s o f 信号间无数据包，则出错。 2 . 4 u s b电 器特性 u s b 传送信号和电 源是通过一 种四线的电 缆， 图2 . 2 中的两根线是用于发送 第二章 u s b总线协议介绍 信号 。 vbus d十 d- gnd vb us d+ d- gnd 图 2 . 2 us b电缆 存在两种数据传输率: u s b 的高速信号的比 特率 定为1 2 m b p s ; 低速信号传送的 模式定为1 . 5 m b p s ; 低速模式需要更少的e m i 保护。 两种模式可在 用同一u s b 总线传 输的 情况下 自 动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式 只支持有限 个低带宽的设备 ( 如鼠 标) 。时钟被调制后与差分数据一同 被传送出 去， 时钟信号 被转换成n r z i 码， 并填充了比 特以 保证转换的 连续性， 每一 数据包中附 有同步信号以使得收方可还原出原时钟信号。 电缆中包括 v b u s , g n d二条线，向设备提供电源。v b u s使用+ 5 v电源 u s b对电缆长度的 要求很宽，最长可为几米。 通过选择合适的导线长 度以匹 配指 定 的ir d r o p 和 其它 一 些 特 性， 如 设 备能 源预 算 和电 缆 适 应 度。 为了 保 证 足 够 的 输 入电 压和终端阻 抗。重要的终 端设备应位于电缆的尾部。在每个端口 都可检测终 端是否连接或分离，并区分出 高速， 或低速设备。与 r s - 2 3 2不同的是 r s 2 3 2用 t x发送数据用 r x接收数据。而 u s b接口的这一对数据电缆时同时传送数据的. 不同方向的数据在不同的时间传送。这是因为u s b数据线利用两数据线上的电压 差值来传递数据， 而不是 象r s 2 3 2 利用绝对电 压， 这样u s b总线的 抗噪声 性明显 提高了。 2 . 5 u s b 设备结构 一个u s b设备的逻辑结 构可被划分三层: 底层是u s b 总线 接口 用来传送和接收 数据包的总线 接口 中间 层处理总线接口与 不同 端点之间的 数据路由 端端点 是数据的终结提供 处或使用处，它可被看作数据源或数据接收端 ( s i n k ) 最上层的功能由串行总线设备提供即实现设备的特定功能。 基于ds p和u s b技术的微机图象处理系统设计 2 . 6设备请求 所 有 的 u s b 设备 在 设 备 的 缺 省 控 制 通 道 (d e fa u lt c o n tr o l p ip e ) 处 对主 机 的 请求 发出 响应。这些请求是通过使用控制传输来达到的，请求及请求的参数通过 s e t u p 包 发 向 设 备，由 主 机负 责 设 置 s e t u p 包 内 的 每 个 域的 值. 每 个 s e tu p 包 有 s 个 字 节。 表2 . 1 s e tu p 数 据 包的 格 式 一偏 移 量 域大小值 描 述 一 一 b mr e q u e s t t y p e .1 位图 请求特征: d ? :传输方向 。 二 主机至设备 1 = 设备至主机 d 6二5 :种类 0 = 标准 1 = 类 2 = 厂商 3 二 保留 d 9 二0 :接受者 0 二 设备 1 二 接口 2 = 端 3 二 其 4 二3 1 = 保留 1 b r e q u e s t 1 值 具体请求( 参见文 献 2w v a l u e2 值 字长域， 根据不同 的请求含义改变. 4w t n d e x2 索引或偏移 字 长 域 根 据 不 同 一 的 请 求 含 义 改 变 i w l e n g t h 2 如有数据传送阶 段 此为数据字节 数. 第二章 u s b总线协议介绍 一个设备类可定义更多的请求。设备厂商也可定义设备支持的请求。 2 . 7描述符 u s b 设备通过描述符来反映它们的属性。描述符是有定义好的格式的数据结 构，每一个描述表以一个字节打头表明 本描述表的长度，紧跟其后是一个字节的 描述表类信息。如果描述表值中的长度域值少于本说明的定义，此描述表非法， 不能被主机接受。 如果返回的描述表中的长 度值大于本说明定义， 则过长部分当 被忽略，但下一个描述表的位置由返回长度而不是实际长度来决定。 2 . 7 . 1 设 备描述符 标准设备描述符包括设备描述符、配置描述符、端点描述符、接口描述符和 字符串描述符。其中字符串描述符不是必须有的。描述符 向用户提供一些可以阅 读的信息。如果设备不支持字符串描述符则相应域应置零。 设备描述表给出了us b设备的一般信息。这包括对设备及所有设备配置起全 程作用的信息。 一个 u s b设备只能有一个设备描述表。 所有的 u s b设备都有缺省 控制通道。缺省控制通道的最大包长在设备描述表中得到 了说明。一个配置的端 端点与接口定义在配置描述表中，一个配置和它的接口不包括端点描述表。除最 大包长外， 缺少通 道的 特性由 本说明 定义，并且对 所有的u s b设备都 一样。 b n u m b e r c o n f i g u r a t i o n域表明此设备支持的配置数。 表2 . 2 为 标准设备描述 表。 表 2 . 2 标准设备描述表 阿 域大 小 值 一 描一 ! b l .e n g t h 1数字 此 描 述 表 的 字 节 。一 1 b d e c r i p t o r t y p e 1常量 描 述 表 种 类 为 设 备一 一 b c dus b 2b c d码 此设备与描述表兼容的us b设备说明版本号( b c d 码) 。 一 b d e v i c e c l a s s1类 l 如果此域的值为。 则一 个设 置下每个接口指出 它自己的类，并个接口各自独立工作. 如果此域的值处于 i - f e h之间， 则设备在不同 基于d s p 和u s b技术的 微机图象处理系统设 计 的接口上支持不同的类，并这些接口可能不能独立 工作.此值指出了，这些接口集体的类定义。 如果此域设为f f h 则此设备的类由厂商定义。 b de v ic e s u b c la s s 子类 撇一妒 b d e v i c e p o rt o c o l id一id 勺1门 i d pr o d u c t b c d d e v i c ebcd 子类码 这些码值的具体含义根据b d e v i c e cia s s域来看. 如b d e v i c e c i a s s 域 为 零， 此 域 也 须为 零 如b d e v i c e c i a s s 域为f f h， 此域的所有值保留 协议码 这些码的值视b d e v i c e c i a s s和 b d e v ic e s u b c la s s的值而定. 如果设备支持设备荃础上的类相关的协议， 此 码标志了设备类说明上的值。 如果此域的值为零， 则此设备不在设各基础 仁 支持设备 类相关的 协议。然而， 它可能在接口 基础 上支持设备类相关的协议。 如果此域的值为f f h，此设备使用厂商定义的 协议. 端点0 的 最大 包大小 ( 仅8 , 1 6 , 3 2 , 6 4 为合法值) 厂商标志 ( 由u s e标准付值) 产品标志 ( 由厂商付值) 设备发行号 ( b c d码 。一10一珑 2 i 码 描述厂商信息的字串的索引。 描述产品信息的字申的索引。 刻-朝 描述设备序列号信息的字串的索引。 1 7! b nu mc o n f ig u r a t io n s可能的设置数 刘一解 i s e r i a lnu m b e r 2. 7. 2配置描述符 第二章 u s b总线协议介绍1 3 配 置 描 述 表 给出 了 一 设 备 配 置 的 信息 ， 描述 表 包 括一 个b c o n fi g u r a tio n v a l u e 域， 在s e t c o n f i g u r a t i o n ( ) 请时被用作 参数来设置所需配置。 此描述表给出了此配置下的接口数， 每个接口可以独立操作。 比如， 一个 i s d n 设备可能配置有两个接口， 每个都提供 6 4 k b / s的有独立数据源与数据接收者的双 向通道在另一个配置下 i s d n可能表现为单个接口， 将两个通道合成一个 1 2 8 k b / s 的双向通道。 当 主机发出 请求要得配置 描述表时，所有相关接口与 端端点的描述表都被返 回。 一个u s b 设备有一个或多个配置.每 个配置只有一 个或多个接口。 而每个接 口 又有 0个或多个端点。在一个配置下，一个端不会在接口之间共享，除非端点 被同 一个接口的不同 设置使用。 在不同配置中端点可无此限制。 一个配置好后，设备可支持对配置的有限调整， 如果一个接口 有备选设置， 在配置好后可选择不同设置。表 2 . 3 是标准配置描述表。 表2 . 3 标准配置描述表 !.偏 移 量域大小值一4a w - 一 一 d b l e n g th 1数字 此 描 述 表 的 字 节 ， 。一 一 b d e s c r ip t o r t y p e 1常量 配 置 描 述 表 类 。一 一 w t o t a ll e n g th 2数字此配置信息的总长 ( 包括配置，接日，端 点和设各类及厂商定义的描述表) 4bn u mi n t e r f a c e s 1 数字此 配 置 所 支 持 的 接 口 个 数一 5 be o n g fi g u r a t io n v a lu e 1数字 在s e t c o n f i g u r a t i o n () 请求中 用作参数来 选定此配置. 一 i c o n fi g u r a t io n 1 索引 描 述 此 配 置 的 字串 描 述 表 索 引 一 b ma t t r i b u t e s 1 位图配置特性; d 7 : 保留 设为一) d 6 : 自给电源 d 5 :远程唤醒 d 4.。 :保留 ( 设为一) 一个既用总线电源又有自给电源的设备 会在ma x p o w e r 域指出需要从总线取的电 量.并设置 。 6为一运行时期的实际电 基于d s p 和u s b技 术的微机图象处理系统设计 i 1 源模式可山g e t s t a tu s ( d e v i c e )请求得 到 。 匕一 mm p o w e r1m a 在此配置下的总线电源耗费量。以 2 m a 为一个单位. 2 . 7 . 3接口 描述符 此描述表在一个配置内给出一个接口的信息。如果一个配置支持不止一个接 口，端端点的描述表会跟在接口描述表后被返回，接 口描述表总是作为配置描述 表的 一部分 被返回。 接口 描述不可 直接用 s e t d e s c r i p t i o n o 和g e t d e s c r i p t o r ) 存取。 一个接口可能包含备选设置， 以使得端点或它们的 特性在设备配置好以 后能 改 变。 一 个接口的缺省设置总是可 选设 置o s e t i n t e r f a c e ( ) 与g e t i n t e r f a c e () 用来选择 与返回选择了的接口设置。 可选的接 口设置使得部分的设备配置能在其它接口进行操作的情况下改变。 如果一个配置对于它的一个或多个接口有备选设置，每一设置包括一个独立接口 描述表和相关结点。 如果一 个设备配置支持单个接口，并且此接口有两个可选设置，配置描述表 返回以 后会紧跟着返回b i n t e r f a c e n u m b e r 与b a l t e rn a t e s e tt i n g 域皆 为。 的第一个设 置的 接口 描述表及相关的结点 描述表，而随之后是另一个设置接口 描述表与结点 描述 表。 第二个接口描述表的b i n t e r f a c e n u m b e r 域也应为。 ， 但b a l t e r n a t e s e tt i n g 域应为 t o 一 如果一 个接口 仅使用端点0 ， 则接口 描述表以后就不再返回端点描述表， 并且 此接口 表示的 是一个请求接口 ， 它使 用连在端点 0上的缺省通道。在这种情况下 b n u m b e r e n d p o i n t s 域应被设置成0 . 一个 接口 描述表的 端点 个数不 把结点0 计在内。 表2 . 4 是标准接口 描述表。 表2 . 4标准接口 描述表 偏 移 量 域大小 值说明 bl e n g t h1数字 此表的字节数 1 b de s c r ip to t- t y p e 1常量 接 。 描 述 表 类 一 2 . b i n t e r f a c e n u mb e r 1 数字 接口号， 当前配置支 持的接口数组索引 ( 从零开始) 第二章 u s b总线协议介绍 b ait e ma t e s e tt i n g 1数字 。 选 设 置 的 索 。 .值 一 一 b n u m e n d p o i n ts 1 数 字 k id c7f m tw.a v2 .ku% ptp vliq19j一 a ll u9 hl liow a , 省 控 一 一 b l n t e r f a c e cla s s 1 类 类 值一 零值为将来的标 准保留. 如果此域的值设 为f f h，则此接u 类由厂商说明。 所有 它的值山 u s b 说明保留。 一 6 一 一 b l n t e r f a c e s u b c l a s s 1 了类 了 石马一 u l =g 07 x fa: b ln te rfa ce c lass va lfu 一 定 飞 o w b ln te rfa c cc las s 域 的 值 “ 零 则 此 域 的 值 必 须 “ 零 b ln te rfac e c la ss w + ! 为 f f h 则 br ff f fff 山 u s b所保19 . 一 b l n t e r f a c e p r o t o c o l 1 协议 协 议 码 :一 b ln te r f a c e c la s s 和 b l nl e r f a c c s u b cl a s s 域 的 值 而 定 如 果 一个 接 口 支 持 设 备 类 相关 的 请 求 此 域 的值 指 出 了 设 备 类 说 明 中所 定 义 的 协 议 . 8 i n t e r f a c e 索引 描 述 此 接 。 的 字 串 一 基于d s p 和u s b 技术的微机曳 象处理系 统设 计 一 兰 加 描述表的索引值. 2 . 7 . 4 端点描述符 每个接口 使用的结点都有自己 的描述表， 此描述表 被主机用来决定 每个端点 的 带宽需 求。每 个结点的 描述表总是作为配置描述的一部分返回的，结点 0无描 述表。 表2 . 4 为 标准端点 描述表。 表24标准端点描 述表 偏移量域大小 值说明 0 b l n 名 功 2 数字此描述表的宇节数 1 b d e s c r i p t o r ) p e 1 常量端点描述表类 2 b 助d p o i n t 八 d d r e s s 2 端点 此描述表所提述的端点的地址。 此地址的 码如下; b i t 3 _ _0:端点号 b it 6 . .4 : 保留， 为零 b i t 7 :方向如果控制端点则略， 0 言出端点 1 。入端点 3b m 人认 r 正b u tt s3 位图 此 域 的 值描 述 的 是在b c o n fi g u r a t i o n v a lu e 域 所指的配置下端点的特性。 b i t 1 . .0传送类型 0 0 = 控制传送 川= 同步传送 1