（计算机软件与理论专业论文）嵌入式usb系统原理及对录仪的应用研究.pdf

摘要 摘要 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的提出最初是为了解决p c 上传统 总线的不足，因其速度快、支持热插拔、占用主机资源少等优点广泛应用于p c 外 设和移动数据交换与存储。 为了满足人们对移动数据交换需求的曰益扩大，迫切需要研究开发嵌入式的 u s b 主机系统，u s bo t g ( u s bo n t h e g o ) 技术是解决这个问题的一个不错的 选择。但是在实际项目中发现，有时需要将数据从一台外设复制到大量其他的相 同外设中( 对录) 。如果为每一台外设都设计o t g 功能，显然这样的做法不太合 理：一是这样的设计增加了成本，二是有些外设之间由于距离等因素无法互连。 解决这一问题的办法就是为这些外设开发具有主机功能的对录仪，利用对录仪实 现外设间的数据交换，达到节约成本，方便使用的目的。 本文正是针对上述问题，以嵌入式u s b 应用为主要的研究对象，在深入分析 u s b 协议的基础上，设计并开发符合要求的对录仪。本文的主要内容为： 1 阅读u s b 技术资料，详细分析和讨论u s b 协议，着重研究嵌入式u s b h o s t 技术及文件系统技术； 2 ，查阅芯片手册，完成了对录仪的总体方案设计，包括系统芯片的选型，原 理图设计和p c b 版的制作； 3 研究商用f f s 和f a t l 6 文件系统，并针对f l a s h 的特性和对录仪的特点， 提出了一种适合对录仪的专用f f s 文件系统，大大提高了f f s 的安全性和f l a s h 芯片的使用寿命； 4 嵌入式u s b 主机端和设备端的固件研究与开发。 本文在嵌入式系统中同时实现了u s b 主机和外设的功能，对嵌入式系统的研 究具有一定的理论价值，同时为移动数据交换提供了一个新思路，提出了一种新 的解决方案。 本文的对录仪现己量产，使用效果良好。实践证明本文提出的方案合理、确 实可行。 关键词：通用串行总线( u s b ) ，嵌入式系统，f l a s h f i l es y s t e m a b s t r a c t a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) w a sf i r s ta i m e da tt h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a lp c b u s u s bh a sb e e nu s e dw i d e l yi nd a t ae x c h a n g ea n ds t o r a g eo fp cp e r i p h e r a la n d m o b i l ef i e l d sb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so fr e l a t i v eh i 业s p e e d ，s u p p o r t i n go f “p l u g a n dp l a y ，r e l a t i v et e s sr e q u i r e m e n to f r e s o u r c e s i no r d e rt os a r i s f yt h er e q u i r e m e n to fm o b i l ed a t ae x c h a n g e ，i t sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ha n dd e v e l o pe m b e d d e du s bh o s ts y s t e m t os o l v et h i sp r o b l e m ，u s bo t g ( u s bo n t h e g o ) i so n eo f t h eb e s tc h o i c e s b u tw ef i n di np r a c t i c e ，s o m e t i m ew e n e e d t oc o p yd a t af r o mo n ep e r i p h e r a lt ol o t so fo t h e rs i m i l a rp e r i p h e r a l s i t sn o tag o o di d e a t oe m b e d d e do t gt oa l lt h ep e r i p h e r a l s b e c a u s ef i r s tt h i sm a yi n c r e a s ec o s t ，s e c o n d s o m e t i m et h e s ep e r i p h e r a l sc a nn o tb el i n k e de a c ho t h e r w ec a l ld e v e l o pan e wd e v i c e w h i c hc o n t a i n su s bh o s ta n dp e r i p h e r a l s i nv i r t u eo f t h i sk i n do f d e v i c e ，w ee a r le a s i l y s o l v et h i sp r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h eu s bh o s ta n dp e r i p h e r a lp r o t o c o lh a v eb e e na n a l y z e d t h e nw e r e s e a r c ha n dd e v e l o pan e wd e v i c en a m e d “u s bd a t ac o p ym a c h i n e ” t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 r e a dl o t so fu s bt e c h n o l o g yd a t ao rp a p e r s ，e s p e c i a l l ya b o u tu s bh o s t s y s t e ma n df l a s hf i l es y s t e m ； 2 r e a da n dr e s e a r c hc h i p s e td a t a s h e e t ，m a k eo u tt h es y s t e ms c h e m e ，c o n t a i n s c h i p s e ts e l e c t i n g ，s c h e m ep l a n n i n ga n dp c bm a k i n g ； 3 r e s e a r c hc o m m e r c i a lf f sa n df a t l 6 ，p r o p o s eas u i t a b l ef f s ； 4 r e s e a r c ha n dd e v e l o pe m b e d d e du s bh o s ta n dp e r i p h e r a lf i r m w a r e t h i sp a p e rr e a l i z e sa ne m b e d d e du s bs y s t e mw h i c hc o n t a i n sh o s ta n dp e r i p h e r a l f u n c t i o n i ti san e wm e t h o da n dan e b 7s e t t l ei nt h em o b i l ed a t ae x c h a n g ea r e a t h e “u s bd a t ac o p ym a c h i n e ”h a sb e e nb a t c h m a d e k e y w o r d ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) ，e m b e d d e ds y s t e m ，f l a s hf i l es y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 虢牟劾卜嘲枷彳年于月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢雒翮签箍 日期：护二年卵阳 第一章绪论 第一章绪论 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的规范是i n t e l 、c o m p a q 、n e c 、 m i c r o s o f t 、i b m 等多家公司联合制定的。u s b 总线规范草案最早于1 9 9 4 年底证式 提出，几经修改，推出了0 7 版( j f 式版) ，后来于1 9 9 6 年又推出了u s b l 0 的 正式版本，1 9 9 8 年又推出了修订的版本u s b l 1 ，目前广泛使用的版本就是u s b l 1 版。在这个版本中定义了两种速度的传输工作模式，低速( l o ws p e e d ) 模式的数 据传输速度为1 5 m b s ；全速( f u l ls p e e d ) 模式的数据传输速度峰值达到了1 2 m b s 。 到1 9 9 9 年，u s b 已经被大多数的计算机设计者和使用者所接受。2 0 0 0 年底，u s b 组织又推出了新版本的规范：u s b 2 0 ，将数据传输速度提高到了4 8 0 m b s 的水平， 这种速度的传输模式被称为高速( h i 曲s p e e d ) 模式。2 0 0 1 年，u s b 组织针对各 种不同设备刚的连接需要适时推出了u s bo t g ( u s bo n t h e g o ) 规范，它实际 上是传统u s b 的一个追加协议。最新版本的u s bo t g 直接建立在u s b 2 0 基础之 上，通过修改u s b 接口的定义，根据厂商的需要可以定义为主机、设备双重角色。 藉此解决不同设备间的数据交换问题。8 】【9 】【1 0 】【1 1 i 本章将从u s b 的发展概况开始，简要介绍论文的研究背景，研究意义、内容 和论文的创新点。 1 1 课题背景 个人电脑( p c ) 从诞生以来，大多数外设仍然采用的是基于i o 的接口方式。 由于成本、配置和个人电脑的连接等方面的原因，传统的i 0 接口方式存在比较严 重的缺陷。这种模式中外设消耗了大量的系统资源。 随着电脑应用的发展，p c 机的外设接v i 越来越多。迫切需要- , c o 高速、统一 的外设接口方式。在这个背景下，m i c r o s o f t 公司于1 9 9 4 年提出了即插即用( p l u g a n dp l a y ，p n p ) 技术方案。这种技术解决了用户为外设手工设置资源参数的困难， 改由系统自动进行设置。但新外设的安装仍然显得相对麻烦，而且扩充外设数量 的问题也没有解决。因此，在1 9 9 6 年c o m p a q 、i n t e l 和m i c r o s o f t 等提出了设备插 架( d e v i c eb a y ) 的概念，并于1 9 9 7 年正式制定了设备插架技术的规范。设备插 架技术的主要优点是：设备插入方式非常方便，设备接入时不影响应用程序的运 电子科技大学硕士学位论文 行，具有良好的可扩展性。基于这种技术，i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r n t e l e c o m 、i b m 等计算机业界的大厂商共同提出了适合中低速外部设备使用的通用 串行总线接口，即u s b 。1 4 1 u s b 用于将适用u s b 的外围设备( d e v i c e ) 连接到u s b 主 f l ( h o s t ) ，实现二者 之间的数据传输，它是一种快速、灵活的总线接口。它的优点主要有：自动配置 ( 不需要用户设置) ，易于连接和易于使用，支持热插拔，无须外接电源。此外， 在速度、可靠性、成本和功耗方面都有着其他接口不可比拟的优势。 1 1 1u s b 的发展 1 9 9 4 年1 1 月，以i n t e l 为首的7 家公司( i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 、i b m 、 d e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 和n e c ) 推出了u s b 协议的第一个草案，u s b 作为一种 新型的串行通信总线，揭丌了新一轮u s b 总线的革命，但这时，u s b 并不为计算 机技术人员所熟知。 1 9 9 6 年2 月，u s b 协议的规范1 0 版本发布，版权属于c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 等4 家公司，并同意任何人可免费使用。自此，u s b 开始逐渐被广大技术 人员和用户所认可，并逐渐开始成为p c 主板上的标准接口。 1 9 9 8 年1 0 月，u s b l 1 版本发布，集中修订了u s b l 0 中的问题，并进一步突 出了u s b 的优势。到目前，u s b l 1 仍是开发u s b 低速和全速设备的标准版本。 u s b 的低功耗、高速度、低成本、支持即插即用和维护方便等优势更加突出，u s b 开始成为鼠标、键盘、游戏杆、打印机、光驱、硬盘、显示器和数码相机等几乎 各种p c 外设与p c 连接的标准协议之一。各种u s b 外设产品如雨后春笋般出现。 一时间，u s b 成为了最为流行的p c 接口标准，嵌入式软硬件工程师也将u s b 应 用到自己的设计之中。 2 0 0 0 年4 月，c o m p a q 、l i p 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 和p h i l i p s 等7 家公司联合发布了u s b 2 0 协议规范版本。新版本最大的变化就是将u s b 的总线 速度提高到了4 8 0 m b p s ，开始支持高速设备( h i g h s p e e d ) 。由此，u s b 翻开了 新的一页，彻底打破了u s b 应用在视频等高速传输领域中的速度瓶颈，大大扩展 了u s b 的应用领域。u s b 几乎无所不能，可以应用到任何一种p c 外设中。u s b 取代串口、并口等传统p c 接口只是时间问题了。1 7 j l 引 从问世，到协议规范2 0 版本，u s b 不断的自我完善，走向成熟，u s b 外设 的种类不断丰富，应用领域也不断扩大。从普通计算机用户，计算机工程师，到 笫一章绪论 硬件芯片生产厂商，都已经完全认可了u s b 。厂商对于u s b 的硬件和软件支持也 越来越完备。随着u s b 技术的发展和嵌入式产品应用领域的f | 益增长，人们对u s b 的期望也越来越高，希望u s b 能够应用在各种计算机领域，尤其是在移动数据交 换领域，希望能通过p d a 直接和u s b 外设通信，使得u s b 能应用在没有p c 的 嵌入式领域中。 2 0 0 1 年1 2 月，u s b 组织发布了u s bo t g ( u s bo n t h e g o ) 规范，它实际 上是传统u s b 的一个追加协议。最新版本的u s bo t g 直接建立在u s b 2 0 基础之 上，通过修改u s b 接口的定义，根据厂商的需要可以定义为主机、设备双重角色， 糟此解决不同设备间的数据交换问题。【5 】【6 】 1 1 2u s b 的应用 表1 - 1 按照数据传输速率对u s b 的应用进行了大致分类。大体上说，全速传 输多用于同步设备，低速传输多用于交互设备。虽然u s b 设计的初衷是针对桌面 电脑而不是应用于可移动的环境下，但是目前的应用早已不局限于此。软件体系 通过对各种主机控制器提供必要的支持以保证将来对u s b 有良好的可扩充性。1 9 1 表1 - 1u s b 传输速率的应用 性能应用特性 低速 交互设备键盘、鼠标、游戏杆 低价格、热插拔、易用性 1 0 2 0 k b s 全速 低价格、易用性、动态插拔、限 电话、音频、压缩视频i s b n 、p b x 、p o t s 定带宽和延迟 5 0 0 k b s 1 0 m b s 高速 音频、磁盘音视频、磁盘 高带宽、限定延迟、易用性 2 5 4 8 0 m b s 1 1 30 8 1 3 的特色 u s b 的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系 统和部件及相应不同的功能，其主要特色可归结为以下8 点： 1 ) 终端用户的易用性： 为电缆和连接头提供了单一模型； 电气特性与用户无关； 自动地进行设备驱动、设置； 电子科技火学硕十学位论文 外设可以动态连接，动态重置。 2 ) 广泛的适用性： 适应不同设备，传输速率从几千比特率到几十兆比特率： 在同一线上支持同步、异步两种传输模式； 支持对多个设备的同时操作； 可同时操作1 2 7 个物理设备； 在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流； 支持多功能的设备； 利用底层协议提高总线利用率。 3 ) 同步传输带宽： 确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用； 同步工作可以利用整个总线带宽。 4 ) 灵活性： 直接发送一系列指定大小的数据包，允许对设备缓冲器大小进行选择； 通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率； - 通过协议对数据流进行缓冲处理。 5 ) 健壮性： 在协议中使用差错处理差错恢复机制： 完全实时热插拔； 可以对有缺陷设备进行鉴别。 6 ) 与p c 产业的一致性： 协议的易实现性和完整性； 与p c 机的即插即用体系结构一致； 对现存操作系统接口的良好衔接。 7 ) 性价比 - 以低廉的价格提供1 5 兆比特率的子通道； 将外设和主机硬件进行了最优化的集成； 促进了低价格外设的发展； 廉价的电缆和连接头； 运用商业技术降低成本。 8 ) 可升级性： 体系结构的可升级性支持在个系统中同时存在多个u s b 主机控制器。 4 第一章绪论 1 1 4u s bh o s t 的嵌入式化 u s b 的拓扑结构中居于核心地位的是h o s t ，任何一次u s b 的数据传输都必须 由h o s t 来发起和控制，所有的u s b 外设都只能和h o s t 建立连接，任何两个外设 之问或者是两个h o s t 之l 司都无法直接通信。而目前，大量扮演h o s t 角色的是p c 。 因此， “如何将u s b 技术应用到嵌入式领域? 如何实现嵌入式u s b 的点对点通 信? ”等问题，丌始进入了u s b 开发者的讨论议程。正是在这种新的需求之下， u s bo n t h e g o 应运而生。2 0 0 1 年1 2 月，u s bo t g ( o n t h e g o ) 版本协议1 , 0 正式发布。作为应用在便携式移动设备领域中的u s b 技术，u s bo t g 作为u s b 2 0 的补充协议，基本上符合u s b 2 0 规范，主要用于不同设备之问的连接，最大限度 的进行数掘的快速交换。u s bo t g 协议组增加了以下新特性：在传统的外围设备 上增加了h o s t 功能，从而适用于外设间点对点的连接，既可以作为主机也可以作 为外设，并能够在两者之间动态切换。与传统u s b 应用有所不同的是符合u s b o t g 的设备完全抛开了p c ，既可以作为h o s t ，义可以作为外设，而与另外一个 o t g 设备直接实现点对点通信。1 1 2 】 1 2 研究意义 移动数据的交换和存储，是近年来i t 行业的热点。如今各式各样的移动存储 设备有如雨后眷笋般出现。可以说，数据交换的可移动性和便捷性是整个数字化 时代的基石。 u s bo t g 是移动数据交换的一种解决办法。但是如图1 1 所示，在实际项目 开发中发现，有一类移动数据交换，需要将数据从一台设备中复制到大量其他的 相同设备中( 对录) ，如果为每一台设备都设计o t g 功能，显然这样的设计是很 不合理的，最主要的原因是这样的设计大大增加了产品的成本，其次，并不是每 一个设备都必须具备h o s t 功能，采用o t g 方案将造成很大的资源浪费，再次， 如果外设在使用中不能随便挪动位置，相互之间几乎不能采用u s b 电缆连接，或 者根本就无法连接。解决这一阃题的根本办法就是单独为u s b 设备开发具有主机 功能的对录仪，利用对录仪实现外设问的数据交换，达到节约成本，方便用户使 用的目的。 本课题来源于实际需要，旨在解决大量应用的u s b 设备间的数据高速对录问 电子科技人学硕士学位论文 题，设计并实现一个既可以充当u s b 主机又可以当作u s b 设备的对录仪。当和 p c 机交换数据时，对录仪工作在设备端，p c 机可以上载u s b 设备的数据进行后 期分析处理；而当和u s b 设备交换数掘时，对录仪工作在主机端，可以实现数据 在不同的u s b 设备之间相互对录。 图1 - 1 对录仪的工作原理 本文在嵌入式系统中同时实现了u s b 主机和外设的功能，对嵌入式系统的研 究具有一定的理论价值，同时为移动数据交换提出了一个新的思路，提供了一种 新的解决方案，不但解决了实际的工程应用问题，降低了产品成本，方便了用户 使用，而且也具有广阔的应用前景，其中有很多的创新思路值得借鉴。 13 内容及创新点 从确立课题以来，主要完成了以下几方面的内容： 1 ) 阅读并分析了大量有关u s b 的资料及相关学术论文，对u s b 协议的技术 特点进行详细的讨论和分析，熟悉u s b 的系统结构和数据通信模式，着 重研究了u s bh o s t 技术及文件系统技术，并在此基础上规划u s b 对录 仪的软硬件； 2 ) 通过查阅相关芯片的资料手册，完成了对录仪的总体方案设计，包括系 统芯片的选型，原理图设计和p c b 版的制作； 3 ) 通过查阅相关文献，研究商用f f s 和f a t l 6 文件系统，并针对f l a s h 的 第一章绪论 特性和对录仪的特点，提出了一种适合对录仪的专用f f s 文件系统并完 成了该文件系统的编码调试，并成功应用于对录仪中，大大提高了f f s 的安全性，延长了f l a s h 芯片的使用寿命； 4 ) 实现嵌入式u s b 主机端固件研究与丌发，使之可以完成对插入的u s b 设 备的被举、配置和通讯，并能有效地和其交换数据； 5 ) 实现嵌入式u s b 设备端固件研究与开发，使之可以和p c 主机完成数据 交换。 本文的创新点主要体现在： 1 ) 系统的阐述了u s b 对录仪的总体方案设计，硬件电路设计和主机端与设 备端的固件，f ：发； 2 ) 针对广泛使用的u s b 主控芯片s l s l l h s t ，设计了智能主从模式转换电 路，使得用户无需作任何选择，对录仪即可白行作为主机或者设备工作， 大大的方便了用户使用； 3 ) 基于广泛使用的f a t l 6 文件系统研制适合对录仪的专用f f s 文件系统。 电子科技大学硕十学位论文 第二章u s b 技术概述 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之问进行数 据传输。由主机预定的标准协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和主机在 运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 u s b 总线协议正是以软件的复杂性换取硬件的简化和通用，对协议的深入理 解和掌握，不论对u s b 设备的丌发还是u s b 主机的开发而言，都是最基本和最重 要的。本章将首先从整体上介绍u s b 的总线体系结构，然后分析u s b 的数据通信 协议，最后介绍u s b 协议栈的主机和设备框架。尽可能使用简短的篇幅和简洁的 语言+ ，展示u s b 庞大的技术体系，以期对u s b 技术有一个概览。本章后续内容主 要参考了文献 1 】 2 1 1 3 1 4 1 1 5 】等，以下不再注明。 2 1 体系结构 一个u s b 系统主要包括三个部分：u s b 的互连、u s b 的设备和u s b 的主机。 u s b 连接了u s b 设各和u s b 主机。在任何u s b 总线系统中，只能有一个主 机。主机系统中提供u s b 总线接口驱动的模块，称作u s b 总线控制器。主机系统 中整合有u s b 总线的根( 节点) 集线器，通过次级的集线器则可以连接更多的外 设。u s b 总线的外设可以分为网络集线器和功能外设两大类。 u s b 总线连接外设和主机时，利用菊花链的形式对端点加以扩展，形成了如 图2 1 所示的金字塔型的外设连接方式，有效她避免了p c 主机上插槽数量对扩充 外设的限制，减少了p c 机v o 接口的数量。 每个网络集线器在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或外 设，或从集线器到集线器或外设。 2 2 物理接口 2 2 1 电气机械特性 第二章u s b 技术概述 捌f rc、 蕖磐 、 、 m j b u s b 设备 i 【i b l， f 、r 、 羹瓣iu s b n ：名： 卜备l ( 舳 卜刮 ， 一 鬃磐l 卜备i 卜刮 图2 1u s b 总线的拓扑结构 标准的u s b 电缆由3 部分组成：a 型插头，b 型插头和线缆( 如图2 - 2 ，图 2 3 所示) 。关于接插件的尺寸，协议中都有严格规定，因此，不同厂家生产的 u s b 电缆是可以互换使用的。 a 型插头位于u s b 电缆的一端。从方向上来看，它上行指向并连接到主机系 统，来自于u s b 设备。a 型插座位于u s b 主机或者是u s bh u b 上，用于为下层 的设备提供连接点。由此可以得出这样一个简单的结论：如果一个u s b 的硬件系 统只带有a 型插座，那么它肯定是u s b 主机，而u s b 主机和u s bh u b 则肯定带 有a 型插座。a 型插座是u s b 主机或者u s bh u b 提供给下层设备的接口。 b 型插头位于u s b 电缆的一端，从方向上来看，b 型插头指向并连接到下层 设备，来自于主机或者u s bh u b 。b 型插座位于u s b 设备或者h u b 上。由此可以 得出这样一个简单的结论：如果一个u s b 的硬件系统只带有b 型插座，那么它肯 定是u s b 设备；而u s b 设备和u s b h u b 则肯定带有b 型插座。 所有设备都有一个上行的连接器。上行连接器和下行连接器不可简单的互换， 这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接。 电子科技人学硕士学位论文 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) 实现的。其中 一对是互相缠绕的标准规格的信号线，另外一对是符合标准的电源线。连接器有 四个方向，具有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 a 型插孔 a 型插头 一画 b 型插头 罔 图2 2 u s b 接插件 u s b 总线的数据传输采用差分信号传输方式来减少噪声。信号在数据线接收 端被接收和放大的同时，数据信号本身的噪声同样也会被普通的信号接收器接收 和放大。但差分驱动器则有所不同，它是将差分数据放在d + 并t ld 一数据线上，使其 相位差正好差1 8 0 度。这样，在数据的接收端，差分信号接收器对d + 和d 一数据线 之间的信号差进行放大时，由于信号本身噪声在一条数据线上被放大，在另外一 条数据线上被削弱，两相抵消后实际未被放大，这样相对被放大了的有效信号而 言，也就减弱了信号噪声。 v b u s d + 1 ) 一 g n d v b u s d + d g n l ) 图2 - 3 u s b 电缆 全速模式下使用的信号线是带屏蔽和双绞的电缆，总长度不得超过3 米，而 低速模式则不需要带屏蔽和双绞，总长度上限为5 米。低速模式需要更少的e m i 第二章u s b 技术概述 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f 如鼠 标1 。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 填充了比特位以保证转换的连续性，每数据包中附有同步信号以使得接收方可 以还原出时钟信号。 电缆中包括v b u s 、g n d 两条线，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 i rd 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。 u s b 标准中规定u s b 电缆的4 根线有固定不变的数字编号以及不同的颜色，这 为电缆线的识别和使用提供了方便。表2 1 列出了数字编号和颜色，这些数字与 p c b 尺寸标注中的编号是一致的。 表2 - 1 u s b 连接线定义 编号信号颜色 ，v b u s 红色 zd - 白色 。d + 绿色 4g n d 黑色 2 2 2 即插即用 即插即用技术包括两个技术层面，即热插拔和自动识别配置。热插拔的关键 技术在于电路接插件在插、拔期间强电流的处理。u s b 在电缆以及接插件的设计 上充分考虑了这一点，使得这个瞬时的强电流被安全的吸收，从而使u s b 设备实 现了热插拔。 自动识别配置，主要是指设备在插入u s b 的端口后能被主机自动识别并进行 信息交换，最终使设备在整个u s b 系统中可以正常工作。也就是说，主机系统在 没有人工干预的情况下，能够自动检测到设备的接入并能自动配置该设备，也能 够自动检测到设备的拔出，从而释放系统资源。这一功能主要依靠u s b 的软件协 议来完成，具体来说，就是u s b 的总线枚举过程。 在u s b 的4 线电缆中传输信号的是d + 和d 这对差分信号线，该线上使用 电子科技人学硕十学位论文 的是+ 3 3 v 电平，而v b u s 上使用的是+ 5 v 电平。 在u s b 协议中规定，u s b 主机或者h u b 的下行端口的差分信号线d + 和d ， 上均连接一个下拉电阻( 如图2 - 4 ，图2 - 5 所示) ，即图中的r p d ，其阻值为1 5 k 欧姆。r p d 端连接d + 或者d 一，另外一端接地。这样，当该端口没有连接任何 u s b 设备时，d + 和d 信号线上的电平都恒为o 。 三。 1 3 彳“p u d + 鑫融黯 亨兰g l j 皇违收发器 d _ 一l - 1 d ， 。专审 r 删= 7 5 # ( 0 士5 主机椰 古 r 。= 5 k n 士5 哩矗磁口 幽2 - 4 高速设备电缆利电阻连接 飞 r 一 d + d + j 低速收发器 鑫融孵 辜b园 f 队 d - 一ij 、f 。专v r 删= 5 k n 5 i r 。户，5 k q 媸 主机栅 守 低速设备 图低速设备电缆和电阻连接 主机和根集线器是通过监视差分数据线来检测设备是否已经连接。设备 的收发器在数据线d + 或d 上有一个上拉电阻，与集线器端口上的下拉电阻 组成分压器，当设备连接好后，由于下拉电阻为1 5 干欧，而上拉电阻仅为1 5 千 欧，所以数据线d + 或者d 一上将会有接近2 o v 之的电压，当集线器检测到端口 数据线上的电压接近而其他保持低电压时，则知道有设备连接到总线上，全速 设备的上拉电阻在d + 上，低速设备的上拉电阻在d 一上，通过这样的方式，主机可 以判断设备是全速设备还是低速设备。 第二章u s b 技术概述 同样的，在设备拔出的过程中，也会检测到d + 或者d 一上电平的变化( 由高到 低) ，然后收回为设备分配的资源，著卸载相应的驱动程序。 全速设备的插入探测 低速设罄的插入探测 图2 - 6 设备的插入探测 有了即插即用这一特点，u s b 设备可以随时插入和拔出，在使用上极其方便 这正是u s b 最吸引普通用户的地方。 2 3 电源管理 2 3 ，1 电源分配 每个u s b 单元通过电缆只能提供有限的电能。主机对那种直接相连的u s b 设 备提供电源供其使用，每个u s b 设备也可能有自己的电源。那些完全依靠电缆提 供电能的设备称作“总线供电”设备。相反，那些可选择电能来源的设备称作“自 供电”设备。此外，集线器也可由与之相连的u s b 设备提供电源。这一点很重要， 它说明u s b 的电源分配方式很灵活，在对录仪中，我们正是利用了这一点通过u s b 设备给u s b 主机( 对录仪) 供电。 2 3 2 供电模式 u s b 设备和集线器有两种供电模式：即自供电和总线供电。所谓自供电，是 指u s b 设备或者集线器能够自己提供电源，而无需要从v b u s 上取电，这样做的 好处是该设备在工作时功率不必受u s b 协议的限制，可以根据自身电源的能力任 电子科技大学硕士学位论文 意提取电流，但该设备必须额外设计供电电路，增加了体积和成本。而总线供电 模式则为耗电量小的设备提供了一种方便的连接方式，能够完全从u s b 总线的 v b u s 获取所需的电流，但是这样的设备运行时所消耗的功率也受到u s b 协议的 限制，不能无限制的从总线上取得电流。对于低功率设备，最高只能从上行端口 获取1 0 0 m a 的电流，对于大功率设备，最高只能从上行端口获取5 0 0 m a 的电流。 2 3 3 工作状态 u s b 供电的工作状态也分为两种：即正常工作状态和挂起状态。如果总线供 电设备在3 m s 内没有总线操作，即u s b 总线处于空闲状态的话，该设备就需要自 动进入挂起状态，这时从总线上提取的电流必须小于5 0 0 u a 。实际上，5 0 0 u a 的 电流中还包括了集线器和主机端1 5 k 欧的终端匹配电阻的电流，这个值通常为 2 2 0 u a 。因此，对于总线供电的设备而言，在进入挂起状态后，总的电流功耗不得 超过2 8 0 u a 。 在设备进入挂起状态后，可以通过唤醒操作来恢复到正常工作状态，唤醒操 作既可以由主机发送唤醒或者复位信号来触发，也可以由设各自行通过远程唤醒 来实现。处于挂起状态的设备通过发送信号给主机，使得主机恢复处理其u s b 事 务。 2 4 总线通道 数据和控制信号在主机和u s b 总线设备间的交换存在单向和双向两种通道。 u s b 总线的数据传输是在主机软件和一个u s b 总线上指定设备的指定端点之间进 行的。这种主机软件和u s b 总线设备的联系称作设备通道。u s b 总线可以支持多 达1 2 7 个设备通道。一个指定的u s b 总线设备通道还可能有多个微通道，也就是 端点。全速设备最多可以有3 2 个端点，所有的数据传输都是针对端点操作的。总 的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。 2 4 1 端点 每一个u s b 设备在主机看来就是一个端点( e n d p o i n t ) 的集合，主机只能通 过端点与设备进行通信，以使用设备的功能。每个端点实际上就是设备硬件具有 的一个一定大小的数据缓冲区，这些端点在设备出厂时就已经定义好了。在u s b 第二章u s b 技术概述 系统中，每一个端点都有一定的特性，其中包括：传输方式、总线访问频率、带 宽、端点号、数掘包的最大容量等等。端点必须在设备配置后才能生效( 端点0 除外) 。端点0 通常为控制端点，用于传输初始化参数等，其他端点一般用作数 据端点，存放主机与设备间的往来数据。 2 4 2 管道 管道( p i p e ) 只是一个逻辑上的概念，是主机端驱动程序的个数据缓冲区与 一个外设端点的连接，它代表一种在两者之问移动数据的能力。一旦设备被配蒿， 管道就存在了。管道有两种类型，数掘流管道( 其中的数据没有u s b 定义的结构) 与消息管道( 其中的数据必须符合u s b 定义的结构) 。 所有的j 曼备必须支持端点0 以构筑设备的控制管道。其实，它可以归结到消 息管道中。通过控制管道，主机可以获得描述u s b 设备的完整信息，包括设备类 型、电源管理、配置及端点描述等。作为u s b 即插即用特点的典型体现，只要设 备连接到主机上，端点o 就可以被访问，即与之相应的管道也就存在了。 2 5 传输协议 u s b 总线属于轮询方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。 按照传输前制定好的协议，在每次传输开始时，主机控制器发送一个描述传 输动作的种类、方向以及u s b 总线设备地址和端点号的u s b 数据包，这个数据包 通常称为标志包f t o k e np a c k e t ) 。u s b 设备从解码后的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。在传输开始对， 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。 事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制，从而在硬件级上防止了对缓 冲区的高估或低估，通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度。当不 确认信号发送后，若总线有空闲，数据传输将再做一次。这种流控制机制允许灵 活的任务安排，可使不同性质的流通道同时正常工作，这样多种流通常可在不同 间隔进行工作，传送不同大小的数据包。 电子科技人学硕+ 学位论文 2 5 1 通信模型 u s b 的核心内容是数据通信协议部分，这也是u s b 协议中晟多最复杂的部分。 这里先给出一个数据通信模型的层次关系图。如图2 7 所示。 数据传输：、控制，中断，同步，批量传输 j ， 、 、 事务：输入，输出，设置事务 c i 一；包：“争牌每，数据包，握手包 ，域：标识域。数据域，姣验城等 剀2 7u s b 数据通信模型 u s b 包含四种传输类型：控制，中断，同步，批量传输。其中中断，同步和 批量传输用于端到端的数据传输，控制传输主要用于识别设备并配置设备使其能 够与u s b 主机通讯。控制传输是最为重要也是最为复杂的传输类型，它是u s b 枚 举阶段最主要的数掘交换方式。 传输是由事务组成的，而事务按其特点分为三种：输入事务，输出事务和设 置事务。任何一种传输都是由这三种事务组成，不同的只是这三种事务的组合和 搭配情况。 事务是由包组成，这些包主要有：令牌包，数据包，握手包。对于低速设备 还有特殊包前导包。每个事务一般由二到三个包组成。 包则由底层的域组成，主要有标识域，数据域，校验域，同步域，地址域， 端点域，帧号域等。 2 5 2 比特位发送顺序 在串行数据传送机制中，二进制数的发送存在一个顺序问题。般将该数最 左边的位称为最高有效位m s b ，将最右边的位成为最低有效位l s b ，不同的总线 标准发送数据的顺序可能不同。u s b 协议规定：u s b 总线上首先发送l s b ，然后 依次发送下一位直到m s b 。本节的后续图中，都按数据位通过总线的顺序来显示 域与包中的数据位，先送到总线上的数据位在前。 箱二章u s b 技术概述 2 5 3 域格式 同步域( s y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e ，简称s y n c ) 同步域用于本地时钟与输入信号的同步，长度为8 位，其最后两位既是同步 域结束的标志，又表明标识域的丌始，同步域主要是由硬件来处理。 标识域( p a c k e ti d e n t i f i e r ，简称p i d ) 又称为标识符，由4 位标识符和紧跟的4 位标识符反码组成的校验字段组成。 对于每个包，标识域紧跟在同步域之后，标明包的类型及格式。由于同步域主要 是由硬件来处理的，因此，标识域就是u s b 软件机制最先收到并处理的包。 包标识符指出了包的类型，并由此隐含地指出了包的格式和包上所用错误检 测的类型。包标识符的校验字段是通过对包类型字段的二进制位求反码产生的。 如果4 个p i d 检验位不是它们的各自的包标识符位的补，则说明存在p i d 错。包 标识符的4 位校验字段可以保证包标识符译码的可靠性，这样包的余项也就能被 正确地解释。 i p i d - 3p i d t p f d 2p i o p i do i p i d l p | d2 p i d ， 图2 - 8p i d 格式 u s b 协议中定义了1 0 种标识符类型，如表2 2 所示 表2 - 2p 1 d 类型 数据包类型标识域名称 p i d 3 ：o 标识符意义 令牌包输出( o u t ) 0 0 0 1 b 主机与设备之间的数据传输 ( t o k e n ) 输入( i n )1 0 0 1 b 主机与设备之间的数据传输 帧开始( s o f )0 1 0 1 b帧开始标记和帧号 建立( s e t u p ) 1 1 0 1 b 在主机和外设间建立控制管道 数据包( d a t a )数据0 ( d a t a o ) 0 0 1 l b 偶数据包p i d 数据i ( d a t a i )1 0 1 1 b