（通信与信息系统专业论文）基于高速usb+otg的嵌入式文件系统设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着嵌入式系统的广泛应用，嵌入式系统的研究已成为热点。信息存 储的内容的增加，存储方式的多样化，对嵌入式操作系统中的文件管理已 提出了越来越高的要求，u s b 接口具有的通用性好、带宽大以及热插拔等 优点，因此它得以迅猛的发展，并逐渐应用至嵌入式平台。因此，针对u s b 的嵌入式文件系统的研究很有必要，并有较强的现实意义和应用前景。 本文是基于数码相框讨论的。在数码相框中，对诸如s d 卡，c f 卡， u 盘等存储器的支持是必不可少的，为了能够很好的对这些存储设备进行 兼容，本文根据嵌入式平台z e v i o1 0 3 0 的特点，主要迸行以下研究： 首先，对现有的嵌入式操作系统进行了研究，为节约成本选择u c o s i i 作为数码相框的操作系统，设计一个基于u s bo t g 的文件系统。对u s b 协议进行研究，重点是u s bo t g 标准的高速通信协议，同时对u s b 的数 据包格式、数据传输方式也进行了研究。遵循z e v i o1 0 3 0u s b 数据通信的 e h c i 标准，因此也对e h c i 接口规范做了必要的研究。 其次，本文设计并实现了数码相框的p c b 电路板。在实现过程中，对 u s b 接口进行了扩展，使得该接口能够支持多种存储卡。并就电路设计中 的电磁兼容问题进行了深入的研究，以避免因为电磁兼容导致的数据传输 速度下降，电路不稳定等现象。 再次，在电路正常工作的基础上，本文就软件开发环境进行了介绍， 并移植了嵌入式操作系统u c o s i i ，对移植过程进行了深入研究，给出了如 何定制用户需要的系统的方法。 最后，根据e h c i 接口特点，基于u s bo t g 的通信协议，设计并实现 了u s b 的驱动，在此基础上，结合b u l k o n l y 协议，设计并实现了f a t 格 式的文件系统。 关键词：e h c i ；u s bo t g ；u c o s i i 操作系统；f a t 文件系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m s ，t h er e s e a r c ho n t h ee m b e d d e ds y s t e m sh a v e a l r e a d y b e c o m et h ef o c u s b a c a u s eo ft h e i n c r e a s i n gi n f o r m a t i o ns t o r a g e a n dd i v e r s i f i c a t i o no fs t o r a g ef o r m s ，t h e d o c u m e n t m a n a g e m e n t i nt h ee m b e d d e d s y s t e m s s h o u l dm e e tt h e e v e r - i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s b a c a u s et h eu s b h a v es om a n yf e a t u r e s ，s u c ha s t h ev e r s a t i l eo fi n t e r f a c e ，t h e 研d eb r o a d b a n da n ds u p p o r t i n gh o t - s w a p p a b l e ，i t h a v ed e v e l o p p e dr a p i d d l y , a n dg r a d u a l l yb ea p p l i e di nt h ee m b e d d e ds y s t e m s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hi ne m b e d d e ds y s t e m so fu s bi sn e c e s s a r y , a n dh a s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h i sa r t i c l eb a s e do nt h ed i g i t a lp h o t of r a m e i nt h ed i g i t a lp h o t of r a m e ， t h es u p p o r to ft h em e m o r ys u c ha ss dc a r d ，c fc a r da n du s bf l a s hd i s ki s e s s e n t i a l t h e r e f o r e ，i no r d e rt om a k et h em e m o r yc o m p a t i b l y , b a s e do i lt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee m b e d d e dp l a t f o r m s z c v i ol0 3 0 ，t h i sa r t i c l ei sm a i n l yo n t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： f i r s t l y , s t u d i e do nt h ee x i s t i n ge m b e d d e ds y s t e m s c o n s i d e r i n gt h ec o s t ， f i n a l l y , w es e l e c t e du c o s - i ia st h eo p e r a t i n gs y s t e mo ft h ed i g i t a lp h o t of r a m e a n dd e s i g nap r o g r a mt h a tb a s e do nt h eu s bo t gf i l es y s t e m s t u d i e do nt h e u s bp r o t o c o l ，e s p e c i a l l yo nh i g h - s p e e du s bo t gs t a n d a r dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，a n ds t u d i e do nt h ef o r m a to ft h eu s b p a c k e ta n dt h em o d eo fd a t a t r a n s m i s s i o n f o rt h eu s bc o n t r o l l e ri nz e v i ol0 3 0f o l l o w e s 也ee h c is t a n d a r d ， a l s os t u d i e do nt h ee h c ii n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s e c o n d l y ，t h i sa r t i c l e h a v ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h ep c bc i r c u i t b o a r do fd i g i t a lp h o t of r a m e ，i nt h ec o b r s eo ft h ei m p l e m e n t a t i o n , t h eu s b i n t e r f a c ei se x p a n d e da n di sa b l et os u p p o r tav a r i e t yo fm e m o r yc a r d s a n di n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o r d e rt oa v o i dt h es p e e do fd a t at r a n s m i s s i o nd e c l i n i n ga n dt h eu n s t a b l ec i r c u i t s i t u a t i o n ，w h i c ha sar e s u l to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , s t u d i e do nt h e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yi nt h ec i r c u i td e s i g ni nd e p t h t h i r d l y ，a tt h ef o u n d a t i o no nt h en o r m a lw o r ko fc i r c u i t ，t h i sa r t i c l eh a v e i n t r o d u c e dt h ee n v i r o n m e n to ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，a n dt r a n s p l a n t e dt h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c o s i i ，a n dm a d ei n d e p t hs t u d yo nt r a n s p l a n t p r o c e s s ，a n ds h o wh o w t oc u s t o m i z i n gt h er e q u i r e ds y s t e mo ft h eu s e r f i n a l l y ，a c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so fe h c ii n t e r f a c e ，b a s e do nt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h eu s bo t gh a v ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h e d r i v e ro fu s b o nt h i sb a s i s ，c o m b i n e dt h eb u l k o n l yp r o t o c o l ，h a v ed e s i g n e d a n di m p l e m e n t e dt h ef i l es y s t e mi nf a tf o r m a t k e yw o r d s ：e h c i ；u s bo t g ；u c o s i io p e r a t i n gs y s t e m ；f a tf i l es y s t e m 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、数据和文献的引用已在 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) 孝芬 ，1 日期：功嘭年朋卅日 | 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( 在授予学位后即可在授予学位1 2 个月后解密 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) ： 铲智导师( 签字) ：乡b 7 咆钵 日期：弦9 年j - 月由 夕u 97 年j 月钼 l i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 我国嵌入式系统应用产品日益丰富，市场呈现快速增长趋势，尤其在家 电、电子、汽车、通信、交通、金融、网络、监控、工业自动化等领域应用 更加广泛。随着数码相机与高像素照相手机的日益普及，用各种存储器( 电 脑硬盘、半导体存储器及可刻录光盘) 保存照片成为人们习惯做法。即使打 印照片，其来源也大多来自数码相机或照相机。拍摄下来的数码照片开始呈 现出了集合级数的增长。但是要想把这些照片都冲印出来回味、欣赏，不仅 浪费大量金钱，传统的相框、相册更无法再承担数量巨大的保存重任。 数码相框由概念型产品进入市场至今，已经历了5 、6 个年头。作为伴随 数码相机及互联网不断飞速发展的衍生产物，在今天已经被愈来愈多的普通 消费者所接受近年来。数码相框的出现克服了传统相框带来的问题，它不仅 拥有传统相框轻便、随意摆放的功能，而且彻底解决了传统相框不便随时更 换新照片的局限，除此之外，还拥有多媒体娱乐的功能。这些都使得数码相 框有更好的市场前景。 本课题就是来自于基于l s il o g i c 公司的z e v i o1 0 3 0 芯片的某型数码相框 系统的设计【l 】。z e v i o1 0 3 0 芯片是一款高性价比的多媒体专用芯片，提供了丰 富的外设接口和强大的图像、声音处理能力。它采用a r m 9 2 6 e j s 作为主控制 器，集成了z s p4 0 0 数字信号处理器，提供诸女f l u s b ，摄像头等外设接口伫1 1 2 国内外研究现状 1 2 1u s bo t g 概述 u s b 的全称是u n i v e r s i a ls e r i a lb u s ，即通用串行总线。可以看出，u s b 从 制定一开始就有取代其它串行数据传输方式的决心。目前高达4 g b p s 的u s b 3 0 标准虽已制定完成，由于工艺等原因，目前市场上尚无基于该标准的产品， 占主导地位的依然是u s b2 0 t 3 1 。u s b 作为市场的主流产品，已经得到普遍的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 认可与应用，从p c 端到消费电子市场都已有众多产品，应用领域也己得到很 多的支持，其广阔的应用前景与高速的整合效应己成为新世代的产业趋势 【4 】嗍。 尽管u s b 有许多优点，但之前由于速度不够快，例如u s b1 1 版的最高速 度为1 2 m b p s ，当连接设备过多时，过小的带宽会影响各个设备的有效运行。 所以当时u s b 所应用的范围仍然很窄，针对这些缺点，经过改进u s b 2 0 规范诞 生了。u s b 2 0 将连接速度提高至r j 4 8 0 m b p s ，还支持宽带数字摄像设备及下一 代电脑周遍设备：如扫描仪、数码相机、数码摄像机、音频系统、显示器、 输入设备等等，以及可以用做大容量存储、影音制品、视频捕捉等等。u s b2 0 对u s b1 。l 向下兼容，两者之间的转换对最终用户来说是无缝的。u s b2 0 和 u s b1 1 使用的连接线和接头也完全一致。u s b2 0 给周遍设备供应商提供了 提升u s b 设备功能的机会，而且使他们的产品可以适应大市场大量的支持 u s b 设备的p c 。 其次，由于所有的u s b 传输都发生在h o s t 和s l a v e 之间，以前的产品在离 开了p c 的情况下，由于缺少一个设备能够充当p c 一样的h o s t ，各设备之间无 法利用u s b 口进行操作。2 0 0 1 年1 2 月u s b i f 发布补充规范，即u s b o t g ( o n - t h e g o ) ，目的就是实现在离开p c 的情况下，实现设备间的数据传输。 其最大特点在兼容目前数量庞大的现有u s b 设备，包括p c 周边设备以及拥有 u s b 接口的数码相机、m p 3 播放机、p d a 以及录音笔等。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 又可以充当s l a v e 。即在实现嵌 入式系统中接口的u s b h o s t 功能。 嵌入式系统如何实现高速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。本论文就是基于这一要求，在嵌入式系 统中实现u s b 2 0h i g l a - s p e e d o t g 功能。 1 2 2 嵌入式系统概述 根据计算机系统的应用可分为两大类，通用计算机系统和嵌入式计算机 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统【6 j 。嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统 中，以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统是继i t 网络技术以后，又一个新的 技术发展趋势 】。国内普遍将嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机 技术为基础，软硬件可裁剪，适应于应用系统并对功能、成本、体积、功耗、 可靠性等有严格要求的专用计算机系统 s l 。国际电气和电子工程师协会 ( e e ) 对嵌入式系统的定义是：嵌入式系统是用于控制、监控或辅助操作 机器与设备的装置【9 】【l o l 。 嵌入式系统同p c 系统相比较有如下的特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的。通常都具有低功耗、体积小、集 成度高等特点，从而有利于其设计趋于小型化，增强移动能力，跟网络的藕 合也越来越紧密。 2 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或者单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统要精简。操作系 统一般和应用软件集成在一起。 4 对软件代码质量要求很高，应该尽最大可能避免“死机 的发生。 5 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 不能对其中的程序功能进行修改，必须有专门的工具和环境才能进行开发。 目前嵌入式系统主要的有：l i n u x 、u c l i n u x 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s 和 u c o s i i 等。其中l i n u x 、u c l i n u x 、w i n d o w sc e 和v x w b r k s 都支持u s b 系统， 并且这些系统中，都提供了各自支持的文件系统。u c o s i i 是一种可移植、可 固化、可裁剪的多任务实时内核，可u c o s i i 系统目前还不具备u s b 功能和文 件系统，如何在u c o s i i 系统中设计u s b 主机系统和f a t 文件系统，有着现实 的意义1 0 】【l l 】。 1 2 3 嵌入式文件系统 随着嵌入式存储器的发展使得外部存储空间越来越大，对信息的存储和 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 管理，成了一个很重要的问题。因此，就提出了嵌入式文件系统。但与普通 文件系统相比，有着共性之差别2 1 。 1 2 3 1 文件系统 文件系统是操作系统的重要组成部分。从外部看来文件系统是文件和目 录的操作n 3 1 。文件可以被读写，目录可以被创建或删除。在内部看文件系统 主要是考虑对存储区如何进行分配、系统如何纪录文件，使用哪些块，如何 迅速找到文件所在的块或扇区等问题u 4 1 。文件系统主要实现功能如下瞰j0 6 j ： 1 文件存储空间的分配与回收。 2 按名存取，完成从文件名到文件存储物理地址的映射。 3 对文件和目录进行管理。 4 提供操作系统与用户的接口。 5 提供有关文件自身的服务。 信息以文件的形式存储在磁盘或外部介质中。需要时进程可以读取这些 信息或者写入新的信息。它不会因为进程的创建何时终止而收到影响，只 有当用户显示删除它时，文件才消失。文件系统必须提供操作系统必要的用 来创建文件、删除文件、读文件和写文件相应的系统调用。文件的存放通过 目录完成，所以对目录的操作就成了文件系统功能的一部分。随之就对文件 系统的创建目录、删除目录和层次结构等功能提出要求n 射。 综上所述，从系统的角度出发，文件系统具有以下功能：建立和删除文 件的能力；提供对文件和目录分层组织形式；文件的动态增长与数据的保护 世 寸。 从用户的角度来看，文件系统重要的是文件系统的用户接口。即一个文 件由什么组成，以及文件命名、文件保护、文件操作等等。 1 2 3 2 嵌入式文件系统的功能和特点 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 文件系统用于控制对设备的存取以及数据文件读写。它提供了对文件和 目录的分层组织形式、数据缓冲以及对文件存取权限的控制。 实时应用要求迅速，可靠的操作系统支持。嵌入式文件系统通过低代价 的i o 功能提供这种支持，它包括许多快速，高效、简捷的功能。这就使得一 个应用程序可以快捷有效完成它只需要的那些功能】。部分典型功能的简单 描述如下，其余的部分我们将在以后的章节详细介绍。 1 短中断等待。嵌入式文件系统对于设备中断采取高速的处理方式，使 得紧急情况的实时设备中断不会丢失。 2 嵌入式文件系统使用一些桌面操作系统使用的通用设备，如标准输入 和输出设备，工作目录，描述符和一些缺省设各。 3 支持通用的系统调用结构，这种结构可以将设备的操作和界面管理简 单化，同时，可以使用这种系统调用方式驱动任何设备。 4 文件系统提供了多样的设备驱动程序，包括标准的p c 设备；如硬盘、 d o c 、c o m p a c tf l a s h 等等。 实时操作系统的文件系统的设计目标： 1 操作简便、安全可靠。用户只需要知道文件名，路径等文件的简单特 征信息，就可以方便地使用文件。确保文件系统安全性，一致性、有效性的 规范，提供基于该规范的大量应用程序，取保文件的安全和数据的有效。 2 实时响应。系统的实时性能是嵌入式实时操作系统最重要的特性之 一，它该满足时系统的实时性要求，提供缩短响应时间的机制和策略，能够 为硬件的管理和操作提供较短时间的响应。 3 对多任务的支持。嵌入式文件系统利用操作系统提供的信号量机制允 许有多人任务同时打开文件和读文件。( 但是不允许多个任务同时写文件) 4 接口标准的开放性和可移植性。支持m 小d f l a s h 、u s b 接口等嵌入 式设备，使文件能够根据不同需要方便的存储在外设存储设备上。 5 。可伸缩性和可配置性。嵌入式设计具有特定性，因此，相应的软件应 该非常灵活，以适应变化的硬件环境，并只包含特定应用所需要的不部分。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 支持文件类型多样性。由于嵌入式应用的差异性，文件系统应该能支 持多种文件类型，包括正规文件、目录、设备文件、通道和f i f o 以及符号链 接和网络文件系统( n p sn e t w o r k f i l es y s t e m ) 等。 7 体系结构的开放性。文件系统组件应该具有开放的体系结构，支持各 种具体的文件系统，并提供对目前主流文件系统的支持。 1 3 本文的主要研究内容 本文在基于u c o s i i 的基础上实现嵌入式文件系统，其中u s b 接口为符合 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 ) 的u s bo t g 控制器，本文主要工作 有： ( 1 ) 根据数码相框的要求，设计其电路图。 ( 2 ) 对u c o s 操作系统进行移植； ( 3 ) 分析u s b 协议和e h c i 接口规范，研究在z e v i o l 0 3 0 的数码硬件平台 下，如何构建嵌入式文件系统； ( 4 ) 根据硬件的说明文档，对u s b 接口进行应用编程，实现u s b 接口的 功能，在此基础上，通过移植u c f s ，实现f a t 文件系统，同时对多任务 的访问机制进行规定； ( 5 ) 对完成的文件系统进行测试，实现高速u s b 数据传输。 基于以上内容，本文的章节安排为： 第1 章：绪论。提出了本文研究的背景以及开发平台。在此基础上，对嵌 入式系统，尤其是文件系进行了研究。同时，说明了本文研究内容的重要性 和前瞻性。 第2 章：对e h c i 接口规范和u s bo t g 进行了深入研究。 第3 章：硬件实现。针对芯片的特点和系统方案，合理的设计了硬件电路 图。 第4 章：操作系统移植。基于对硬件平台的特点，移植了嵌入式实时操作 系统u c o s i i ，同时对u c o s i i 的一些特点进行了研究。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章：对遵循e h c i 规范的u s bo t g 进行驱动程序的开发，包括主机控 制器驱动，u s b 驱动，以及u s b 设备的驱动。同时，设计并移植嵌入式文件 系统。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章u s b 协议及e h c i 规范概述 u s bo t g 标准化作为u s b2 o j ；b 充，在完全兼容u s b2 0 的标准的基础 上，新增加了诸如会话请求协议( s r p ) 和主机交换协议( m 岬) 等，在硬 件上新定义了o t g 专用接口】。 2 1u s b 总线规范 u s bo t g 规范是u s b2 0 规范的一个补充，文章首先对u s b 协议进行研 究。 2 1 1u s b 系统的结构 u s b 系统由硬件和软件两部分组成。其中硬件由u s b 主控制器根集线 器、u s b 集线器、u s b 设备组成。软件包括：u s b 设备驱动程序、u s b 驱动 程序、u s b 主控制器驱动程序忙5 】【2 6 1 。 u s b 主控制器负责初始化事务( t r a n s a c t i o n ) 。u s b 的每一次传输 都是由一个或几个事务组成的，这些事务由主机软件安排好，由主控制器驱 动程序在内存中建立一个数据结构的连接列表，该数据结构称为传输描述符。 主控制器负责从内存中将数据调出，传输到目标设备阱j 。 根集线器接收来自主机控制器的事务的作用，其作用是为u s b 设备提供 连接点，控制u s b 端口的电源，识别下行方向的设备，设置每一个端口的状 态，以及当主机查询时报告状态提供不同速度的设备总线互联i z s 。 u s b 集线器主要是作为根集线器的扩展，其功能和根集线器大体相同。 u s b 设备的主要功能是满足客户软件的要求，为用户服务。具体地说， 设备中包括有关u s b 设备的特征和能力的一系列描述符，设备通过控制传输 报告主机这些描述符，用于定位u s b 设备驱动程序。主机知道了设备的类型 和特性，就可以按客户软件的要求，对设备进行操作。 u s b 设备驱动程序通过请求包( i i 冲) 将请求发送给u s b 驱动程序，同时 它将建立一个内存缓冲区，为发送的数据或需要的数据进行暂存服务【2 9 1 。 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u s b 驱动程序接收i r p ，并将该请求组织为若干个专门的事务。 u s b 主控制器驱动程序根据事务的长度、类型以及设备的要求，将它们 安排在一系y l j l m s ( 1 2 5 u s ) 的时间片中进行执行。 2 1 2u s b 的数据传输类型与包格式 2 1 2 1u s b 的数据传输类型 u s b 把总线的时间划分为固定大小的帧( f l a m e ) 或者微帧( m i c r o f r a m e ) ， 帧的大小随着通信速度的不同而不同，对于全速和低速设计，帧大小是l m s ， 对于高速设备，帧大小是1 2 5 u s ，称为微帧。每个( 微) 帧以“帧开始”( s o f ： s t a r to f f r a m e ) 作为数据传输的开始，在每个帧内可以有信息包的传输。主机 和设备之间的传输主要有应用信息的传输和u s b 为维持总线的运行所需要的 “控制状态信息，这些信息的传递称为一次“传输”。按照信息不同，分 为4 种类型：批量传输( b u c kt r a n s f e r ) 、控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 、中 断传输( i n t e m l p tt r a n s f e r ) 和实时传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 【3 0 】。 1 批量传输 批量传输用于传输大块数据，并且数据的传输不要求有周期性或一定的 数据传输速率。批量传输能够占用总线的任何空闲带宽传输数据，如果总线 带宽被其他传输方式占据时，批量传输可以等待。批量传输采用数据检错和 数据重传等方法来保证数据正确到达目的地，是一种可靠的数据传输方式。 批量传输只能用于高速设备，允许数据包容量为8 、1 6 、3 2 、6 4 或5 1 2 字节。 2 控制传输 控制传输是u s b 协议中唯一传输u s b 命令函数的传输类型。控制传输是 由u s b 主机发起的，旨在完成对系统中u s b 设备的配置、状态查询和管理等 操作。u s b 命令的整个完成过程都是以控制传输的方式来实现的，因此所有 的u s b 设备都必须支持控制传输，而且控制传输也是一种可靠的数据传输。 同批量传输一样，控制传输也是一种非周期性的数据传输方式，不要求总线 具有一定的传输速率，但它要求比批量传输更优先占用总线带宽。另外，为 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了更方便地完成命令，u s b 设备的控制传输的管道是双向的，其他的传输方 式的管道则是单向的。 3 中断传输 中断传输是为这样一类设备设计的，它们只发送或接收少量的数据，并 且不经常进行数据传输，但它们具有一个确定的传输周期，每隔一定的周期 要求传输一次。同批量传输一样，中断传输的事务处理过程也是以错误检测 和重传的方式保证主机和u s b 设各之间传输数据的正确性。所有设备都支持 中断传输，中断传输的操作只有输入这一个方向，具体格式与批量传输的输 入情况类似。 4 实时传输 实时传输主要用于与时间紧密相关的信息传输，它能保证设备与u s b 主 机之间恒定的数据传输速率，确保发送方与接收方的速率能够匹配，是一种 周期性数据传输方式。为了节省总线带宽、提高数据的传输速率、保持收发 两端的同步，实时传输省去了数据重传和出错检测等方法，是一种不可靠的 数据传输方式。 2 1 2 2u s b 包结构 1 包的组成【2 7 1 包( p a c k e t ) 是u s b 系统中信息传输的基本单位，所有数据都是经过打 包后在总线上传输的。所有的u s b 包都是由6 个部分组成，即同步( s 岖) 字段、包标识符( p i d ) 字段、地址字段、帧号字段、数据字段和循环冗余 校验( c r c ) 字段。 ( 1 ) 同步( 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 ) 字段 任何类型的u s b 包都必须以同步字段作为起始。同步字段用于数据包位 同步，由8 个数据位组成，其作用与以太网中的前同步码相似，目的是使u s b 设备与总线的包传输率同步。字段里的最后两个位是同步字段结束的记号， 同时还标志着包标识符的开始。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 昌i i 置；i 暑i m u ih i ；宣昌；昌暑；宣 ( 2 ) 包标识符( p i d ，p a c k e ti d e n t i f i e r ) 字段 所有u s b 包的同步字段后都紧跟着包标识符( p i d ) 。包标识符由4 位包 类型字段和其后的4 位校验字段构成。包标识符指出了包的类型、格式及包上 所用错误检测的类型。主机和所有设备都必须对得到的p i d 字段实行完整的 译码。如果任何收到的包标识符含有失败的校验字段，或者译码后得到未定 义的值，则该包标识符将被认为是损坏的，而且包的余项将被包接收机忽略。 如果一个设备收到了包含它不支持的事务类型或者方向的包标识符，即使接 收无误也不必应答。 ( 3 ) 地址字段 设备端点使用两个地址字段，分别是设备地址字段和端点地址字段。这 两个地址字段都需要进行译码。如果任何一个字段不匹配，那么此标记包都 必须被忽略。设备地址( a d d r ) 字段指定设备的地址，至于地址是数据包 的发出地还是目的地，取决于标记p i d 的值。a d d r 共7 位，指定了1 2 8 个地址。 设备刚复位和加电的时候，设备的地址默认值为“0 ”，作为缺省地址，不可 被分配作任何别的用途。 ( 4 ) 帧号字段 帧号字段是一个1 1 位的字段，主机每过一帧( 1 m s ) 就将其内容加一。 帧号字段达到其最大值7 f f h 时归零。帧号字段仅在每个帧的最初时刻发送。 ( 5 ) 数据字段 数据字段长度可以在0 - - 1 0 2 3 b 之间变动，但必须是整数个字节。每个字 节范围内的数据位移出时都是最低位( l s b ) 在前。数据包的大小随着传输 类型而变化。 ( 6 ) 循环冗余校验( c r c ) 字段。 循环冗余校验( c r c ) 用于检验标记包和数据包中除p i d 字段以外的所 有字段。这些字段是保护字段。 2 包的类型 根据p i d 类型，u s b 协议支持四种类型的数据包：令牌包、数据包、握手 哈尔滨工程大学硕士学位论文 包和前导包。 ( 1 ) 令牌包( t o k e np a c k e t ) 根据p i d 的不同，令牌包又分4 种：起始令牌包( s o f ) 、输入令牌包( i n ) 、 输出令牌包( o u t ) 和控制传输的设置令牌包( s e t 【j p ) 。对于s o f 令牌包， 数据字段为1 1 位帧序列号，而对于i n o u t s e t u p 令牌包，数据字段则由7 位设备地址和4 位端点号组成。 ( 2 ) 数据包( d a t ep a c k e t ) 数据包有两种类型，其中p i d 分为d a t a 0 和d a t a l 。这两种数据包是为 了支持数据问切换而准备的。在数据传送时，这两种数据包将交替出现。 ( 3 ) 握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 握手包的结构如表2 1 所示，没有数据字段和c r c 字段。握手包有以下3 种类型： ( a ) 确认包a c k ( a c k n o w l e d g e ) ：表明数据接收成功。 ( b ) 无效包n a k ( n oa c k n o w l e d g e ) ：表明设备暂时不能接收或传输数 据，但无需主机介入，可以解释为设备忙。 ( c ) 出错包s t a l l ：表示外设不能接收或传输数据，或者不支持一个 控制管道请求。主机不能返回s n 址l ，只能有外设返回。 表2 1 握手包结构 s y n c p i de o p 8 位8 位2 3 位 ( 4 ) 前导包( p r e a n m b l ep a c k e t ) 前导包和握手包一样，没有数据字段和c r c 字段。其结构如表2 2 所示。 前导包是为了使系统区分全速传输和低速传输而产生的，它的目的就是为了 提醒u s b 集线器系统要传输的下一个包是低速包。 表2 2 前导包结构 s y n cp l de o p 8 位8 位2 3 位 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 3u s b 的控制传输 当u s b 设备接入主机时，在主机和设备之间都要经历控制传输阶段，而 且控制传输有着相同的内容和方式。接受主机的枚举( e n u m e r a t i o n ) 和配置 ( c o n f i g u r a t i o n ) f 3 l 】。目的是让主机知道该设备具有什么功能、是哪一类的 u s b 设备，需要占用多少u s b 资源，使用了那些传输方式以及传输的数据量 有多大，只有主机完成了控制传输，设备才能真正的开始工作，这些信息是 通过存储在设备中的u s b 描述符来体现的。 2 1 3 1 标准描述符 标准描述符有5 种，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描 述符和字串描述符。 1 设备描述符 设备描述符给出了u s 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符。所有的u s b 设备 都有缺省控制管道。 在设备描述符中给定了缺省控制管道的最大包长度。一个配置的端点与 接口定义在配置描述符中。除最大包长度信息外，缺省管道的特性由u s b 规 范定义，并且对所有的u s b 设备都一样。 2 配置描述符 配置描述符包括一个b c o n f i g u r a t i o n v a l u e 域，在s e t c o n f i g u r a t i o n 请求时用 作参数来设置所需的配置。此描述符给出了此配置下的接口数，每个接口可 能独立操作。当主机发出要得配置描述符的请求时，该配置下所有接口和端 点的描述符都将随配置描述符一起发送给主机。 3 接口描述符 接口描述符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，则端点的描述符会跟在接口描述符后返回。接口描述符总是作为 配置描述符的一部分被返回。接口描述符不可直接用s e t d e s c 邱t i o n 和 哈尔滨工程大学硕士学位论文 g e t d e s c r i p t o r 存取。 4 端点描述符 接口下的每个读写端点都有自己的描述符，此描述符被主机用来决定每 个端点的带宽需求。每个端点的描述符总是作为配置描述符的一部分返回的， 而控制端点0 无描述符。 5 字串描述符 字串描述符是可有可无的。如前所述，如果一个设备无字串描述符，所 有其描述符中有关字串描述符的索引都必须为0 。 2 1 3 2 枚举过程 枚举是在为了让主机识别一个u s b 设备，并对设备状态变化进行管理所 必须经历的过程1 2 9 】。总线的枚举过程如下： ( 1 ) 设备连接。u s b 设备接入u s b 总线。 ( 2 ) 设备上电。u s b 设备可以使用u s b 总线供电，主机使用总线枚举来 识别设备是否可以使用外部电源供电。 ( 3 ) 主机检测到设备，发出复位信号。设备连接到总线后，主机通过检 测设备是否有新的设备连接，并确定该设备是全速设备或是低速设备，然后 向该端口发送一个复位信号。 ( 4 ) 设备默认状态。设备要从总线上接收到一个复位信号后，才可以对 总线的处理操作做出响应。设备接收到复位信号后，就使用默认地址( o o h ) 对其进行寻址。 ( 5 ) 地址分配。当主机接收到有设备对默认地址( 0 0 h ) 相对应的时候， 就对设备分配一个空闲的地址，以后设备就只对该地址进行响应。 ( 6 ) 读取u s b 设备描述符。主机读取u s b 设备描述符，确认u s b 设备的 属性。 ( 7 ) 设备配置。主机依照读取的u s b 设备描述符来进行配置，如果设备 所需的u s b 资源得以满足，就发送配置命令给u s b 设备，表示配置完毕。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 8 ) 挂起。为了节省电源，当总线保持空闲状态超过3 m s 以后，设备驱 动程序就会进入挂起状态。在挂起状态时，设备的消耗电流不超过5 0 0 m a 。 当被挂起时，u s b 设备保留了包括其地址和配置信息在内的所有内部状态。 完成以上8 个步骤后，u s b 设备即可使用。在枚举的过程中，设备不一定 要求进入挂起状态。 2 2u s bo t g $ i 充规范 u s bo t g 在数据传输类型以及数据包格式、枚举过程等方面完全兼容之 外，还对u s b2 0 协议有所补充p 2 1 。主要有以下内容： u s bo t g 作为传统u s b 接口的一个追加协议，是直接建立在u s b 2 0 基础 上的，它是u s b 2 0 规范中的新功能，旨在让u s b 技术可以方便地应用在便携 式移动设备领域中，在彻底摆脱p c 的情况下实现各种不同的设备之间的连接 和数据交换。u s bo t g 修改了u s b 接口中的针脚定义和接口外形，它的主要 特点是可以使每一个符合o t g 规范的u s b 装置，完全抛开p c ，以它不同需要 规划成即可作u s bh o s t ，也可以作u s bs l a v e ，也就是说可以不再需要p c 主 板上根集线器的连接来完成u s b 资料的交换。 u s bo t g 的两个补充协议s r p 和h n p 协议如下： s r p ( s e s s i o nr e q u e s tp r o t o c 0 1 ) 即会话请求协议和h n p ( h o s tn e g o t i a t i o n p r o t o c 0 1 ) 即主机交换协议，是u s bo t g 规范补充的核心协议。 在u s b 系统中，无论总线是否空闲，p c 主机向外设提供5 v 电压和5 0 0 m a 总线驱动电流。这对于有固定电源的p c 机来说不是问题，但便携式设备( 如 数码相机、手机等) 受电源限制，不能像p c 机那样为外设供电，所以o t g 规 定，作为主机的双重角色设备只需提供8 m a 的总线驱动电流。为了节省能源， s r p 允许a 设备( 主机) 在总线空闲时关闭v b u s ，并提供b 设备( 从机) 启动 总线活动的方法。任何一个b 设备都可以发起s r p ，任何一似设备都可以响 应s r p ，该协议要求每个