（计算机应用技术专业论文）usb20+otg技术在嵌入式系统中的研究与实现.pdf

华东师范大学计算机科学技术系 摘要 多媒体，网络技术，海量数据存储等技术的发展对外设的数据访问速度提出了越来 越高的要求，同时也为嵌入式接口技术提供了非常好的发展空间。u s b 接口已经成为 p c 和外设之间的通用接口，u s b 2 o 更是达到了4 8 0 m b s 的传输速率。u s bo t g 规范 提出了脱离p c 的外设之间互联的概念，市场上的o r i g 设备也逐渐出现，研究这样一 种有发展前途的新技术还是很必要的，也是很有意义的。 u s b i f 提出u s b o t g 规范的主要目的是为了提高便携设备之间的互联性，这非常 适合嵌入式用途。3 2 位系列c p u ( 尤其是a r m ) 的迅猛发展，更是极大的促进了嵌入 式系统性能的提升，：。入式产品在保持可靠性、体积小、功耗低和适用性强等传统特点 的同时，c p u 速度也从几兆h z 提升到几百兆h z ，通用嵌入式系统逐渐进入高端应用 领域，这也促进了嵌入式系统接口的发展。本文将对u s b 2 oo t g 技术在嵌入式平台的 应用进行一些探索和研究。 嵌入式系统需要管理的软硬件资源越来越多，在一个复杂的系统中，无疑需要一个 管理者，那就是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统不同于p c 操作系统的面面俱到，是 可裁减的，只管理特定系统的现有软硬件资源，非常小巧和高效，同时实时性也是其重 要特点。目前，嵌入式操作系统主要有v x w o r k s 、p a h no s 、n e c u l e u s 、w i n d o w sc e 、 u c l i n u x 等。其中u c l i r m x 由于其免费开发源码，为众多厂商和爱好者所青睐，本文正 是在这一操作系统上进行嵌入式应用开发的。 目前，市场上虽然已经出现了一些o t g 产品，但是大部分都是采用简单的控制系 统，移植和适应性差。在当前嵌入式系统应用范围越来越广、越来越复杂的情况下，深 入地研究和分析0 t g 技术是目前所欠缺的。本文正是基于这样一个热点和前沿技术的 现状，在详细分析u c l i i m xu s b 子系统和u s b 协议的基础上，设计了一种实现方法并 选取a r m 系列c p u 和p h i l i p s i s p l 7 6 1 u s b2 o o t g 芯片实现了较完整的u s b 2 0 0 t g 协议，其中s r p 和m 婚协议以f s m 的形式得到了实现。 最后，本文对o t g 主从角色转换功能以及u s b 2 o 实际达到的传输速度进行了测 试，并详细分析了几种可能影响其传输速度的因素。 本文对于进行u c l i n u x 驱动程序开发、研究嵌入式u s b 2 0o t g 技术的同行都有一 定的参考价值。 关键词： u s b 2 0o t gs r ph n pe h c iu s b 子系统u c l i r l u x 华东师范大学计算机科学技术系 a b s t r a c t w i t hm ed e v e l o p m e n to fm l l l t i m e d i a ，n e t w o r k ，m a s s - s t o r a g et e c h n o l o g ya i l ds oo n ， t h ep e r i p h e r a ld e v i c e sn e e dam o r ea i l dm o r eh i 曲e rt r a n s f e rs p e e di m e r f 如e w i t ht h e c h a l l e n g c ，i ta l s ob r i n g sab r i 曲t c rf u t u r ef o r 也ee m b e d d e di n t e r f a c et e c h n o l o g y 。u s b i n t e r f a c eh a sb e e nl l i l i v e r s a lb e t 、v e e np ca n dp e r i p h e m ld e v i c e s ，a n d 恤e 订a n s f e rs p e e d d e f i n e di n 也eu s b 2 os p e c i f i c a t i o nh a sr e a c h e d4 8 0 m b s t h em o r ei m p o r t a m m 血gi s 协a t u s bo t g l 0s p e c 试c a t i o nd e v e l o p e dam c 也o dt oc o m m u l l i c a t eb e t w e e nt w ou s bd e v i c e s w i 廿1 0 u tp c ，w h i c hi si m p o s s i b l eb e f o r e s o m ek i n d so fo t gd e v i c e sh a v ea p p e a r e di nt t l e m a r k e t ，t od or e s e a r c ho ns u c hk i n do fn e wt e c h n o i o g yw i t h 掣e a t 如n l r ei sv e r ym e a n i n g m l ， e s p e c i a u y i ne m b e d d e ds y s t e mf i e l d n e m 萄o rp u r p o s eo fu s b i ft or e l e a s eu s b0 t g l os p e c 筛c a t i o ni st oi m 芦o v et h e c o n l l n u i l i c a t i o na b i l i t yb e t 、v e e np o n a b i ed e v i c e s 1 1 1 i sh a sas i g n i f i c a n tm e a n i n gi n e m b e d d e ds y s t e mf i e l db e c a u s eu s bi m e r f a c ei ss i m p l ea n de a s yt ou s e w i mt h ef a s td e v e l o p m e n to f3 2 b i tc p u s ( s u c ha sa r m ) ，t h ep e r f o m a n c eo f e m b e d d e ds y s t e mh a si m p r o v e dv e r ym u c h e m b e d d e ds y s t e mi su s u a i l ys t a b l e ，s m a l l ，l o w p o w e ra n d 眦i v e r s a l ，b u tt h ec p u s p e e dl l a sr e a c h e dh a n d r c d so fm h z 疗d ms e v e r a lm h z s o ，g e n e r a l p u r p o s eu s e de m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nu s e di nh i g h p e r f o n a n c ea r e a s t h i s i sh e l p 如lt oi i n p r o w 吐i et e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e mi n t c r f a c e t h i sp a p e ri sg o i n gt o d or e s e a r c ho nu s b 2 oo t gt c c h n 0 1 0 9 y ，w h i c hi su s e di ne m b e d d e ds y s t c m i ne m b e d d e ds y s t e m ，m o r ea n dm o r eh a r d w a r ea n ds o 行w a r er e s o u r c e sn e e dt ob e m a n a g e d ，s o ，ad e d i c a t e dm a n a g e ri sn e e d e di ns u c hac o m p l e xs y s t e m ，t 1 1 em a n a g e ri s s o c a u e de 1 b e d d e do s ( o p e r a t i n gs y s t e m ) e m b e d d e do si sn o ta sc o m p r e h e n s i v ea sp c o s ，i tc a nb em m m e dd o w na c c o r d m gt or e q u i r e m e n t no n l ym a l l a g e sh a r d w a r ea i l d s o 行w a r er e s o u r c et h a ti sc u r r e n t l yi i lu s e ，s om e0 si ss m a l l ，e 街c i e n ta r l dr e a lt i m e n o w a d a y s ，m e r ea r em a n ye m b e d d e d0 si nt h em a r k e t ，s u c h a sv x w o r k s ，p a l mo s ， n e c u l e u s ，w m d o w sc e ，u c l i 删xa 1 1 ds oo n u c l i n u xi sp o p u l a ra m o n gl i n u x sa 1 1 d m a n yc o m p a i l i e sb e c a u s ei t s s o u r c ec o d ei so p e na 1 1 d 行e e t 1 1 i sp 印e ri s g o i n gt od o r e s e a r c hi nu c l i n u xp l a t f b m b yn o w ，a l t h o u 曲t h e r ei ss 。m ek i n do fo t gp r o d u c t s 印p e a r e di i lt h em a r k e t ，b u t t h ec o n t r o is y s t e mo fm o s to fm e ma r es i m p l e s o ，i t si n c o n v e n i e mf o rm e mt ot r a n s p l a n t a 1 1 dr e d e v e l o p e m b e d d e ds y s t e mi sm o r ea i l dm o r ec o m p l e x ，p o w e r f u ia n d 、- v i d e l yu s e d a c c o r d i n gt 0t h ec u e ms i t u a t i o n ，i t sn e c e s s a r yt od e 印r e s e a r c ho no t gt e c h n o l o g y 证 华东师范大学计算机科学技术系 s u c hah o ta n d 丘o n ta r e a b a s e do nd e 诅i l e da n a l y s i so f 埘v e ra r c l l i t e c t u r eo fu c l i n u xus b s u b s y s t e ma 1 1 du s bs p e c i f i c a t i o n s ，t h i sp 印e rc h o o s ea r mc p ua i l dp h i l i p si s p1 7 6 l u s b2 0o t gt 0i m p l e m e mt h ew h o l eu s b 2 0o t gd r i v e r sp a c k a g ei n c l u d i n gm eo t g f s m f i n a l l y ，t 士l i sp a p e r 耐1 ld os o m e t e s to n 们n s f e rs p e e da n dr o l es w i t c ho f i s p l 7 6 1 ，a n d 、析1 1a n a i y s et h ef j c t st h a ta 丘j c t s 血e 仃a m f e rs p e e d t h j sp a p e ri sh e l p f u lt ot 1 1 0 s ep e o p l ew 1 1 0 、v i l ld or e s e a r c ho nu c l i n l l ) 【d r i v e r sa n d e m b e d d e du s b 2 oo t g t e c h n o l o g y k e y w o r d s ： u s b 2 o0 t gs r ph n pe h c iu s b s u b s y s t e m u c l i m l x 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示感谢。 作者签名：垒! 玺 日期：芝! ! ：! ：1 7 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留和使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家 主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并 允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容绲入有关数据库进行检索。有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：赵 幺一 日期：塑：! ：! j 导师签名邀 日期：出生 华东师范大学计算机科学技术系 1 1u s b 技术发展概述 第一章：绪论 1 9 9 6 年提出u s b l 0 规范以后，u s b i f ( u n i v e r s a ls e r i a lb u si m p l e m e n t e r sf o r u m s ) 又陆续公布了u s b l 1 、u s b 2 0 和u s b0 t g 等几个规范，其中u s b 2 0 的传输带宽达到 4 8 0 m b p s ，而u s bo t g 更使u s b 设备摆脱了原来主从架构的限制，实现了端对端的传输 模式，随着u s b 规范的不断完善，u s b 的应用领域也得到了拓展。 u s b 诞生的初衷是为了简化p c 和其外设的连接，最早是用在键盘和鼠标上，而现 在，u s b 的应用已经从p c 外设跨越到了消费电子产品和通信电子产品领域，最显著的 应用是在数码相机等消费电子产品上。目前，u s b 低功耗、便于连接和高速传输的特性 已经使它成为一个可方便应用的架构，它与其他技术结合便诞生出许多新的应用。如在 移动存储领域，u s b 与闪存结合，创造性催生了目前广为流行的移动存储设备一u 盘。 尽管u s b 有许多优秀的特质，但它同时也被许多问题困扰着。所面临的主要问题是， 速度仍然不够快，u s bl 。l 版的最高速度为1 2 p s ，因此当连接设备过多时，带宽共 享导致每个设备得到的有效带宽太小。所以u s b 所应用的范围仍然很窄，针对于这些缺 点，经过改进的u s b 2 o 规范诞生了。 u s b 2 o 将连接的速度从u s b l 1 的1 2 m b p s 提高到4 8 0 m b p s ，为下一代电脑周边设备 的升级换代提供了可能，比如大容量存储、影音设备等。u s b 2 o 与u s b l 1 完全兼容， 两者之间的转换对最终用户来说是无缝的。事实上u s b 2 o 和u s b l 1 使用同样的连接线 和接头。u s b 2 o 给周边设备供应商提供了提升u s b 设备功能的机会，而且使得他们的 产品可以适应市场上大量的支持u s b 设备的p c 。 u s b 技术的另外一个缺点是，所有的u s b 传输都发生在h o s t 和s l a v e 之间，一旦离 开了p c ，各设备间无法利用u s b 口进行操作，因为没有一个从设备能够充当p e 一样的 h o s t 。2 0 0 1 年1 2 月1 8 日u s b i f 又发布了一个补充规范，即u s bo t g ( 0 n t h e g o ) ， 目的就是实现在没有p c 的情况下，实现从设备间的数据传送。其最大魅力是与目前数 量庞大的现有u s b 设备兼容，包括p c 周边设备及各种各样拥有u s b 接口的p d a 、m p 3 播 放机、数码相机及录音笔等等。 从业界应用来看，高通公司( q u a l c o 唧i n c ) 已经宣布将在其最新的3 g 手机基带套 片中采用u s bo t g 。索尼电子( s 0 n ye l e c t r o n i c s ) 也宣布会选用飞利浦的u s bo t g 芯片 为其最新的便携式设备提供u s bo t g 连接性。索尼c l i e 是业内第一个具备u s bo t g 功 能的便携式产品，可以与其它u s b 设备实现点对点通讯。可以预见，u s b0 t g 产品会成 为未来电子产品的基本配置功能。 华东师范大学计算机科学技术系 1 2 论文研究的目的和意义 在p c 领域，u s b 已经成为通用接口之一，市场上出现了数以亿计的u s b 外设和接口 转换设备，在嵌入式系统中要充分利用现有的资源，最好的方式之一就是提供u s b 接口 功能。利用o t g 技术可以使得一个设备具有双重角色，既可以作为h o s t 又可以作为 s l a v e 。 随着网络、海量存储、流媒体以及s o c 等技术的发展，为嵌入式系统提供了广阔的 发展空间，同时也对接口技术提出了更高的要求。在影像消费电子中，通常i e 髓1 3 9 4 是主要的选择，但u s b 2 o 的推出，4 8 0 m b p s 的速率已经超过1 3 9 4 最初的4 0 0 m b p s 传输 速率，u s b 2 o 的用途将会更广阔。 因此，嵌入式系统中如何实现高速h o s t 功能? 如何在外设之间互联? 等等这样的问 题成为u s b 开发者讨论的兴奋点。本论文就是基于这样一个需求，在嵌入式系统中研究 如何实现u s b 2 oh i g h s p e e do t g 功能。 1 3 本论文的主要工作及创新点 在本论文中，进行的主要工作经总结有以下几个部分： 1 本文根据系统的整体软硬件需求，经过仔细分析，选取合适的芯片完成硬件平台的 搭建。 2 详细地分析了u c l i n u xu s b 子系统，并在此子系统下实现u s b 2 0o t g 驱动软件包 的设计。 3 利用c 语言实现了o t g 软件包的各功能模块。 4 利用有限状态机的方式实现了0 t g 规范描述的s r p 和h n p 协议。 5 对传输速率进行测试并对可能影响传输速度的原因做了分析。 本文的仓新点可以概括如下： 1 在目前o t g 技术推向应用的开拓时期，本文结合嵌入式系统的特点，积极探索，寻 求并实现一种新的o t g 技术的实现方法。 2 在当前时期，缺乏对o t g 技术的实现做具体而深入的分析。本文结合u c l i n u xu s b 子系统，对o t g 驱动的实现方法做了深入的分析。在o t g 技术应用的初期，无疑具 有重要的参考价值。 3 在从无到有搭建环境以及实现软件的同时，注意到了硬件特性对软件调试和运行的 影响并对其进行了充分的关注。 华东师范大学计算机科学技术系 2 1 平台组成 第二章：软硬件平台的设计和搭建 u s b 2 o 规范以及o t g 规范推出以后，各大厂商着手致力于u s b 2 o 和o t g 芯片的研 究，主要厂商有p h i l i p s ，c y p r e s s ，a 1 i ，v i a ，巨盛等公司。 p h i l i p s 公司的u s b 2 oo t g 芯片有i s p l 7 6 1 、i s p l 3 6 2 等。其中i s p l 3 6 2 仅支持全 速和低速。 a 1 i 公司的u s b 2 o 产品主要有m 5 6 3 7 、m 5 6 3 6 ，其中m 5 6 3 7 整合了i d e 控制器，主 要用于存储用途。 其他还有c y p r e s s 的c y 7 3 6 7 2 0 0 ，巨盛的c s c 2 0 0 0 、2 1 等芯片。 本论文选取了p h i l i p s 公司的i s p l 7 6 1 ，主要原因是其专门为嵌入式用途设计，去 掉了p c i 配置寄存器，不再依赖于p c i 总线，而目前大部分嵌入式系统中都不支持p c i 总线。下面简单介绍下i s p l 7 6 1 的主要特点如下 1 3 ： 符合u s b 2 0 规范，支持高速、全速、低速3 种传输速率 1 个0 t g 端口和2 个h o s t 端口 支持p i o 和d m a 3 2 位寄存器数据宽度 可配置的3 2 1 6 位数据总线 用于多任务的虚拟段技术( 最多4 个) 可连接绝大多数的r i s cc p u ，如：s t r o n g a r m 、m i p s 、d r a g o n b a l l 、p o w e r p c 、p h i l i p s x a 等等 双缓冲机制 主机控制器相关特性： 模仿e h c l l 0 规范 可配置的电源管理 集成了t t ( t r a n s a c t i o nt r a n s l a t o r ) ，用于全速和低速传输 集成了6 4 k b 的高速内存和t t 专用的2 ，5 k b 的分离内存 内置了过流检测电路 外设控制器相关特性 高性能的集成了s i e 的外设控制器、f i f o 内存和收发器 符合u s b 2 o 规范和大多数设备类规范 支持自动高速模式识别 华东师范大学计算机科学技术系 支持高速和全速传输 集成8 k b 内存 o t g 相关特性 符合u s b0 t g l 0 规范 支持h n p 年口s r p 高分辨率的可编程时钟，用于h n p 和s r p 等等。 与i s p l 7 6 1 相搭配，本论文选取了s i g i ad e s i g n 公司的e m 8 5 1 1 控制芯片，e m 8 5 l l 具有a r m 7 核，无删u ，c p u 主频在1 5 0 m z 左右，1 6 位数据地址总线，支持d m a p 1 0 模式，集成i d e 控制器和m p e g 解码器。 经过系统测试和分析，c p u 外围总线实际可以达到的速率在6 5 0 m b p s 左右，不会 成为系统的瓶颈。 另外整个开发环境还包括i d e 存储设备、c f 卡等。 由于系统中需要管理的软硬件资源比较多，本文选择了使用u c l i n u x 操作系统。 软件开发平台还包括l i n u x ，本文在p c 机端利用g n u 的交叉编译环境a r mt o o 卜c h a i n 进行驱动的编程，最后，利用u s b 2 o 优盘测试实现速率，并对o t g 功能进行了测试。 2 2 硬件电路板的设计 2 2 1 确定原理图 在u s b 接口电路中，e m 8 5 1 0 完成u s b 总线的枚举过程、中断服务例程、即插即用 功能、电源管理、u s b 协议层等功能，与e m 8 5 l o 相连的i s p l 7 6 1 完成所有u s b 传输功 能。e m 8 5 1 0 和i s p l 7 6 1 调试板通过i d e 口1 6 位总线连接。电路原理框图如图2 1 ： 4 华东师范大学计算机科学技术系 e m 8 5 1 0 和i s p l 7 6 1 调试板之间通过i d es l o t 连接，数据接口如图2 2 ?a a d d 0 1 1 5 5 ny em8510isp1761 图2 2i s p l 7 6 1 数据接口原理图 i s p l 7 6 1 内部具有过流检测和电源管理模块，结合电源开关m i c 2 0 2 6 2 芯片可以为u s b 端口提供过流保护，另外在u s b 端口的叶、d 一差分线上还加了i p 4 0 5 9 c x 5 静电保护模 块，电路原理图如图2 3 所示： 图2 3u s b 下游端口电路原理图 2 2 2p c b 图的制作要点 本文利用o r c a dc a p t u r e c i s 首先完成调设板原理图的设计，然后导入p o w e r p c b 对 电路板进行布局和布线。对于u s b 2 oh i g h s p e e d 传输，制作p c b 板的时候必须考虑 d + 、d 一高速、差分的特性，根据一些e m i 资料 7 、p c bl a y o u t 经验以及经过调试板的 5 华东师范大学计算机科学技术系 多次制版，本文主要总结出以下几个布线原则以提高传输信号的完整性和传输速率： 一般来说，推荐使用4 层板，t o p g n d v c c b o t t o m ，可以起到比较好的 屏蔽效果，使电流获得比较完整的回流路径。在布线顺序上，先布时钟线， 然后布高速的d + 、d 一信号线。差分线对d + 和d 一要走在同一层。 d + 、d 一走向保持在连续的地层或者电层上，不要穿过平面层的分界线。不要 在线上走过孔。如果走线靠近平面层边界，至少与边界保持2 5 m i l s 的间距。 保持d + 、d 一走线平行，等长。对于i s p l 7 6 1 来说，线长要小于1 8 i n c h s ，两 线之间的长度差不超过7 0 m i l s 。 i s p l 7 6 l 需要d + 和d 一保持9 0q 的差分阻抗，为达到这个要求，推荐8 m i l s 的线宽和8 m i l s 的间距。 差分数据线要远离i o 、电源、磁性器件、晶振。高速差分线对之间保持2 0 m i l s 以上间距，和晶振保持至少5 0 m i l s 以上间距。 避免在差分线上产生桩，如果必须通过器件，推荐走线在焊盘上。不能避免 桩的话，桩走线不得超过8 0 m i l s 。 端口的退藕电容要尽可能地靠近端口。 要达到一个理想的e m i 测试结果，对于4 层板，端口的外壳要连到一个完整 的地层。 硬件调试板的制作可能还会与其他一些因素相关，总之，本人在制作调试板的时候 尽量给予高速信号线一个理想的电气环境。 6 & 文 乱 艮 乱 扎趴 华东师范大学计算机科学技术系 第三章：u s b 2 0 以及0 t g l 0 协议概述 3 1 引言 随着u s b 接口越来越广泛的应用，u s b i f 推出的u s b 2 o 规范和随后发布的补充规 范相比u s b l 1 有了一些新的特征。但体系结构基本与u s b l 1 规范相同，完全兼容u s b l 1 设备。 3 2u s b 2 0 的基本特性 3 2 1u s b 基本架构 一般地，u s b 系统的基本架构可以分为三个主要的部分： 1 u s b 主机控制器根集线器。 2 u s b 集线器。 3 u s b 设备。 u s b 主机控制器负责激活u s b 系统上的处理动作，简而言之，就是整个u s b 系统的大脑。 目前，为了提供统一的u s b 2 oh c d ( h o s tc o n t r 0 1 l e rd r i v e r ) 软件接口设计，i n t e l 公 司针对u s b 2 0 主机控制器推出了e h c i ( e n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e 增强式 主机控制器接口) 规范。在u s b 系统中，根集线器提供u s b 连接端口给所有u s b 设备或u s b 集线器使用。一台计算机可以同时连接1 2 7 个u s b 设备，不可能由主机控制器去搜寻某个 设备，主机控制器只要对根集线器下命令，然后再由根集线器传到正确的设备地址。u s b 集线器的功用主要是提供另外的u s b 连接端口供用户串接设备，整个u s b 连接的方式像金 字塔型的结构。u s b 设备可以分为全速设备、高速设备、低速设备三种类型。 3 2 2u s b 的总线结构 在u s b 2 0 系统中，一个h c d 对应一个总线，所有的1 2 7 个设备( 包括所有的u s b 集线器、根集线器) ，系统中的u s b 设备必须通过u s b 集线器的下游端口连接在u s b 总 线上。u s b 2 o 集线器的所有下游端口都可支持高速设备、全速设备和低速设备。u s b 主 机管理这个总线带宽和所有连接在总线上的设备，并通过查询的方式与u s b 设备进行数 据传输。总线拓扑结构图如图3 一l 所示。 华东师范大学计算机科学技术系 3 2 3u s b 集线器 罅o r k 氇s h i g h s 蕾ee _ d ， 图3 1u s b 2 o 总线拓扑结构图 从根本上讲，u s b 集线器是u s b 总线拓扑结构的必然产物。总的来说，协议为集线 器定义了如下几个功能： 连接功能 - 电源管理功能 总线的错误检测和恢复功能 对高速和全速、低速设备的支持功能 对设备的插拔管理 集线器的挂起和恢复功能 如图3 1 所示，所有的设备都通过根集线器连接所有的主机和设备之间的数据通信都 通过集线器转发，每个集线器都有一个上游端口( 到主机) 和多个下游端口( 到设备) 。 根据规范，u s b 2 o 集线器由集线器转发模块( h u br e p e a t e r ) 、集线器控制模块( h u b c o n t r o l l e r ) 、事务处理转换模块( t r a n s a c t i o nt r a n s la _ t o r ) 、路由逻辑处理( r o u t i n g l o g i c ) 、集线器状态机( h u bs t a t em a c h i n e ) 等部分组成，当上游端口连接到全速端 口时，集线器不能工作在高速状态。1 u r 用于隔离高速数据传输和全、低速数据传输。 1 、集线器对速度的检测 集线器通过设备连接、断开时的电气信号来判断设备的插拔动作，并通过d + 和d 一 信号电平来判断设备类型。集线器的下游端口的d + 和d 一线上有一个1 5 k q 的下拉电阻， r 华东师范大学计算机科学技术系 全速设备的d + 线上有1 5 kq 的上拉电阻，低速设备的d 一线上有1 5 kq 的上拉电阻，高 速设备插上时候首先是以全速工作的。由于集线器下游端口的下拉电阻和设备的上游 端口的上拉电阻的不同配置，从而导致了不同的编码状态，u s b 系统对设备的速度检测 就是根据此完成的。 当设备插上以后，集线器给设备的上游端口供电，如果d + 为高电平，d 一为低电平， 表示插上的是全速设备：如果d 十为低电平，d 一为高电平，表示插上的是低速设备；高 速设备首先以全速设备的方式连接到u s b 2 0 集线器的下游端口上，在高速设备连接到 集线器端口以后，根据硬件信号协议，集线器进一步判断是否为高速设备，同时发送相 关的硬件信号，u s b 设备也可判断该集线器端口是否支持高速数据传输，握手信号( 叫 做线性调频脉冲序列) 如图3 2 所示。其中t 。为集线器驱动r e s e t 信号。 砒鲁h s p e e dm o d eb e g i n 图3 2u s b 高速设备检测序列信号示意图 2 、事务处理转换模块( t t ) 在u s b 2 o 集线器中，t t 主要用来隔离高速数据传输和全低速数据传输。t t 由高 速管理模块、全低速管理模块、数据传输缓冲区组成。数据传输缓冲区用来暂时存储 u s b 事务处理的数据包和跟踪事务处理状态。高速管理模块主要接收高速s s p l i t 事务 处理和响应高速c s p l i t 事务处理。全低速管理模块主要用来与连接在集线器端口上的 全低速设备进行数据传输。分离操作由三部分组成： 图3 3 分离操作流程图 9 华东师范大学计算机科学技术系 ( 1 ) u s b 主机首先以高速数据传输方式，将相关的全速低速设备的数据传输包发送到 集线器。 ( 2 ) 然后，集线器采用合适的通信速度完成与u s b 设备间的数据传输 ( 3 ) u s b 主机通过高速数据传输方式从集线器取得相关的数据传输状态，完成分离传 输过程 3 2 4u s b 2 o 主机 u s b 主机是u s b 总线的核心部分，它负责管理整个u s b 总线上的所有信息。从概念 上讲，u s b 主机是包含u s b 软件驱动和u s b 主机硬件功能接口的计算机系统实体。u s b 主机软件包括u s b 主机控制器驱动程序( h c d ) 、u s b 驱动软件( u s b d ) 和一系列设备的 客户端驱动程序。u s b 主机硬件是指u s b 主机控制器( u s bh o s tc o n t r o l l e r ) 。 | _ _ e l i 每】c ：【td f 。i e 士b1 4 謦”；霉雄：磊纛鬣i l u s b 口降蠹 = t r c 枷d 0 4 口鼻。9 1 。 一 ? ， = = | j jh c d 一抽f h ，；i 啦 净t t 剖 h 毡蓬毒i ， n 蔓，i c e 图3 4u s b 数据通信模型层次结构图 图3 4 显示了u s b 主机和设备通信模型的层次结构。两边都被划分了不同的通信层次。 1 、u s b 协议软件 u s b 协议软件通过主机控制器来管理和控制u s b 主机与设备之间的数据传输，相对 于主机控制器而言，它主要处理客户端驱动程序所见到的数据传输。u s b 协议软件和主 机控制器共同完成对u s b 系统中数据传输的处理，其功能的负责程度取决于主机控制器 的功能，如果主机控制器硬件强，协议软件的设计就相对简单。一般来说，u s b 协议软 件要实现对主机控制器硬件的管理、对系统总线的带宽管理、对四种传输方式的管理、 对u s b 设备的配置、对u s b 设备的配置和管理以及对客户端驱动程序的管理和维护等内 容。 u s b 协议软件包括2 个部分：u s b 主机驱动器控制程序( h o s tc o n t r o lle rd r i v e r ， 简称h c d ) 和u s b 驱动( u s bd r i v e r ，简称u s b d ) 。h c d 用于完成u s b 主机控制器的配 置和工作管理，包括帧管理、数据传输管理、容错性管理、总线供电和电源管理等。协 议软件将h c d 列为一部分的目的，除了表示它与控制器管理紧密之外，还是为了扫、展多 华东师范大学计算机科学技术系 个主机控制器。一个h c d 控制一个主机控制器，表示一个u s b 系统，控制器硬件通过 h c d 实现与u s b d 的通信。u s b d 为上层的客户端驱动程序提供了面向功能的接口界面， 简化了驱动程序的设计。例如u s b d 提供了以i 0 请求包为形式的数据传输，并将请求 包放到特定的管道中传输。 除了这些功能外，协议软件还提供了一种特殊设备的驱动，即对集线器的客户端驱 动程序。它的设计实现和普通的客户端驱动程序相似，只是它对上层应用没有意义，所 以u c l i n u x 操作系统将其放到u s b 协议软件层，以表示它的特殊地位。 2 、设备的客户端驱动程序 它主要实现对特定设备功能的管理和配置等操作。客户端驱动程序对应设备的某个 接口，不能直接访问设备的硬件，通过主机端的协议软件与设备的某个接口进行通信。 在逻辑数据交换层( 客户端驱动程序层和u s b 软件协议层) ，u s b 主机和u s b 设备是 通过管道( p i p e ) 的机制来进行通信。采用管道的机制可以实现u s b 主机端的某个功能 的驱动和u s 8 设备特定功能模块在逻辑上的点对点的连接。 3 2 5u s b 设备 u s b 设备是u s b 总线系统的重要组成部分。u s b 设备通过其设备描述符说明其相关 的属性和与u s b 主机之间数据传输的方式。u s b 设备必须支持u s b 规范定义的标准命令 和不同的类命令，同时u s b 主机端也必须提供对u s b 设备的配置和管理工作。u s b i f 根据不同的设备应用特性，将u s b 设备划分为不同的类型并制定了相关的设备规范( 如 h i d 类规范、打印机类规范等) 。 即插即用是u s b 总线区别于以往计算机接口的主要特征。因而在硬件接口设计上， u s b 设备需要让集线器的下游端口识别其插拔动作。一个典型的u s b 设备必须具有以下 特点： 拥有自己的设备鉴别字，设备鉴别字为主机识别设备提供了可能 必须具有相关协议定义的描述符，主机通过对设备的各种描述符的解释分析，来选择 设备的配置和驱动 必须支持规范定义的命令，根据主机的控制命令来完成自己的配置，设备本身没有配 置功能 l 、u s b 2 o 描述符 u s b 2 o 规范为u s b 设备定义了一套插述设备功能和属性的有固定结构的描述符，包 括标准的描述符即设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符， 还有非标准的描述符，如类描述符等。描述符的结构如图3 5 所示。u s b 设备通过这些 描述符向u s b 主机汇报设备的各种属性，主机通过对这些描述符的访问对设备进行类型 识别、配置并为其提供相应的客户端驱动程序，运行于u s b 协议栈上层的客户端驱动程 序通过这些信息正确地访问设备并与其通信，以实现即插即用的目的。因此，正确理解 华东师范大学计算机科学技术系 描述符中包含的不同信息对u s b 主机端协议栈的研究和开发有非常重要的意义。 图3 5u s b 描述符结构关系图 u s b 设备通过各种描述符来反映自己的设备特性。u s b 设备的描述符是由特定格式 排列的一组数据结构组成。u s b 主机通过描述符使得它对u s b 设备的配置变得简明，因 为每个设备配置都可能会重复使用其他有相同特性的配置描述符的部分或全部。用这种 方法，描述符用一个关系数据库就可描绘成一个个单独的数据结构。 在设备的枚举过程中，主机端的协议软件需要解析从设备读取的所有描述符信息。 在u s b 主机向设备发送读取描述符的请求后，u s b 设备将所有的描述符以连续的数据流 方式传输给u s b 主机。主机从第一个读到的字符开始，根据双方规定好的数据格式，顺 序地解析读到的数据。在数据解析的过程中，对于数据长度出错的描述符，协议采用不 同的处理方式：当读到的数据长度比期望的短时，认为该描述符非法：当读到的数据长 度比期望的数据长度长时，仅仅解析相关长度的信息而忽略长出的部分。 标准描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述 符。u s b 2 o 比u s b l 1 协议多增加的两种描述符是设备限定描述符和其他速度配置描述 符。每个设备只能有一个设备描述符，一个设备可以有多个配置描述符，即一个设备可 以有多种配置。设备的每一个配置由可以包含一个或多个接口描述符，即u s b 设备可以 支持多种功能( 接口) ，接口的特性通过接口描述符提供。为了和u s b 主机进行数据传 输，设备的每个接口又可包含一个或多个端点，每个端点有自己的端点描述符，描述端 点的类型、传输包的方向和大小等。 一个u s b 2 o 设备至少要包含设备描述符、配置描述符、接口描述符、设备限定描 华东师范大学计算机科学技术系 述符和其他速度配置描述符。如果没有端点描述符，则它仅仅能使用默认管道与u s b 主 机进行数据传输。 还有其他一些非标准的类描述符和厂商定义描述符，如集线器类描述符、h i d 类描 述符等。 2 、u s b 命令 为了更好地协调u s b 主机与设各之间的数据通信，u s b 规范定义了一套命令请求， 用于完成主机对总线上所有u s b 设备的统一控制。规范称之为r e q u e s t ，为了便于理解， 也翻译成命令。所有的u s b 设备都要求对主机发给自己的控制命令做出响应，一般来说， 命令都是通过设备的默认控制管道传输到设备的，有的时候也可以通过其他管道。命令 分为三类：标准命令、类命令和厂商专有命令。 u s b 2 o 协议定义了1 1 个标准命令( c l e a r f e a t u r e 、g 钆一c o n f i g u r a t i o n 、 g e t d e s c i p t o r 、g e t i n t e r f a c e 、g e t s t a t u s 、s e t a d d r e s s 、s e t c o n f i g u r a t i o n 、 s 钆一d e s c r i p t o r 、s 叽- i n t e r f a c e 、s e t f e a t u r e 、s y n c