（测试计量技术及仪器专业论文）usb及cpld技术研究及其在测控系统中的应用.pdf

四j i l 大学硕t 论文 u s b 及c p l d 技术研究及其在测控系统中的应用 测试计量技术及仪器专业 研究生：顾光武指导老师：赵世平 接口电路是测控系统的重要组成部分，用来解决信息的传输和处理，如信 息的传输速度、信息的传输方式、信息的编码格式和逻辑电平。以p c 机为核心 的测控系统中，接口一般是p c i 卡或i s a 卡，也有部分接口使用r s - 2 3 2 总线和 并行打印机端口。这些接口存在很多缺点，例如安装繁琐，价格昂贵，数据传 输速率低，不能即插即用，接日不能共享，尤其是受计算机插槽数量、地址、 中断资源的限制，可扩展性差。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 简称u s b ) 是一种新型的计算机接 口总线，已经发展到了u s b 2 0 版本，具有即插即用、传输速率快，易连接、成 本低、自供电等特点，已被广泛应用到打印机、扫描仪、数码相机、摄像头、 m p 3 、移动硬盘等设备。 复杂可编程逻辑器件( 简称c p l d ) 由用户编程来配置芯片内的触发器、逻辑 门等硬件资源，实现专用的用户逻辑功能。它的逻辑程序可以被多次改写，并 且在满足专用的、个性化的设计需求方面表现出巨大的灵活性和竞争力。使用 c p l d 实现数字系统，有研制周期短、先期投资少、无风险、p c b 面积小、系统 可靠性高、修改逻辑方便和小批量生产成本低等优势。 为了克服传统接口电路的缺陷，本文深入研究u s b 2 0 协议及c p l d 开发技 术，利用u s b 和c p l d 的优点，研制了小型、智能化、多功能、能即插即用的通 用测控模块。该模块具有8 0 个i 0 端口，实现8 通道的数据采集和8 通道的模 拟信号输出，而且使用方便。 论文介绍了设计通用测控模块的过程。其中，硬件电路设计部分讨论了测 控模块的设计，包含了内置u s b 2 0 模块的增强性8 0 5 1 内核单片机c y 7 c 6 8 0 1 3 、 1 6 位a d 转换器m a x l1 6 6 b c u p 、8 通道8 位d a 转换器t l c 5 6 2 8 c n 、c p l d 芯片 e p m 3 2 5 6 a 以及其他集成电路的详细应用，并给出了各部分硬件电路的原理连接 塑坐查兰竺丝兰 图；软件设计部分讨论了固件设计、驱动程序设计以及应用程序与驱动程序之 间的通信。 实验证明，该测控模块的i 0 端口工作正常，a d 转换器稳定输出为1 3 位， d a 转换器输出的线性好，满足现代测控系统的要求，具有推广价值。 关键词： u s b 2 0 复杂可编程逻辑器件固件驱动程序测控接口 暇j i i 太学硕十论文 r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fu s b & c p l da n d a p p l i c a t i o ni nm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m s m a j o r ：m e 龇e m e mt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t p o s t g r a d u a t e ：g ug u a n g w u a d v 虹o r ：z h a os h i p i n g a sa p a r to f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m s ，t h ei n t e r f a c e sp l a ya ni m p o r t a n t p a r to f t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n g ，s u c ha st h et r a n s m i s s i o n - m o d e ， t h et r a n s m i s s i o n - s p e e da n dt h ec o d e f o r m a to fi n f o r m a t i o na n dt h el o g i cl e v e l s i n t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep c t h ei n t e r f a c e sa r em a i n l yp c i b u so ri s ab u s s o m e t i m e sr s - 2 3 2b u sa n dp a r a l l e lp o r t sa r ea l s ou s e d b u tt h e s e i n t e r f a c e sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s f i r s t l y ，t h e ya r ef u s s i e rt os e t u p ，m o r et oc o s t a n ds l o w e rt ot r a n s m i t s e c o n d l y , t h e ya r en o tp l u ga n dp l a ya n dc a nn o tb es h a r e d m o s ti m p o r t a n t l y , t h e ya r er e s t r i c t e dt ot h en u m b e ro fs l o t , a d d r e s sa n di n t e r r u p t r e s o u r c e si nc o m p u t e r s u s b 。c a l l e du n i v e r s a ls e r i a lb u s ，i san e wc o m p u t e ri n t e r f a c eb u s a n di th a s b e e nd e v e l o p e dt ot h eu s b 2 0 w h i c hi sp l u ga n dp l a y , f a s t e rt ot r a n s m i t , e a s i e rt ob e c o n n e c t e d ，l e s st oc o s ta n dt op o w e ri t s e l f e t c a st h er e s u l to f i t sm a n ym e r i t s ，i th a s b e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c h 勰p r i n t e r s ，s c a n n e r s ，d i g i t a lc a m e r a s ， i n d u s t r i a lc a m e r a s ，m p 3a n dm o b i l eh a r dd i s k s t or e a l i z et h es p e c i a ll o g i cf u n c t i o n , t h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) a l l o w sp r o g r a m m e r st op r o g r a ma n dc o n f i g u r et h et r i g g e r sa n dl o g i cg a t e s i n s i d e n 壕l o g i cp r o g r a mo f c p l d c a nb em o d i f i e da g a i na n da g a i n s oi t sn o to n l y m o r ef l e x i b l ea n dm o r ec o m p e t i t i v e ，b u ta l s oc a nm e e tm a n ys p e c i a la n di n d i v i d u a l d e s i g n s f o ri t sl e s sp e r i o d st ob ed e v e l o p e d ，l e s sc o s tt ob ei n v e s t e d ，n or i s k ，l e s s a r e ao fp c b ，t h eh i g hr e l i a b i l i t yo fs y s t e m ，e a s i e rt ob em o d i f i e d , l e s sc o s ti nt h e s m a l lp r o d u c t i o na n dm a n yo t h e rm e r i t s ，c p l dh a sb e e na p p l i e dt od i g i t a is y s t e m s t oo v e r e n m et h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a li n t e r f a c e s ，t h et h e s i sh a s u i i nt h ee x p e r i m e n t ，i th a sb e e np r o v e dt h a tt h em o d u l ec a l ls a t i s f yt h en e e d so f t h em o d e mm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m s f i r s t l y , t h ei op o r t sw o r kc o r r e c t l y s e c o n d l y , t h ea i ) c o n v e r t e rc a l lo u t p ms t e a d i l yt h e1 3 b i td a t a l a s t l y , t h el i n e a r i t y o f t h ed a t aw h i c hi so u t p u t t e db yt h ed ac o n v e r t e ri se x c e l l e n t k e y w o r d s ：u s b 2 0 ，c p l d ，f i r n l w a r e ，d r i v e r , i n t e r f a c eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m s i v 四j i i 大学硕 论文 1 绪论 1 1 引言 测量和控制足人类认识世界和改造世界的两项工作任务，丽测控系统则是 人类实现这两项任务的基本手段。测控系统的基本特征表现为测控系统特性与 输入、输出的关系。测控系统可分为三大类：以检测为目标的检测系统、以控 制为目标的控制系统、检测和控制一体化的测控系统【l l 。传统的测控系统主要 由测控电路组成，因此，具备的功能少而弱。随着计算机的发展并在测控系统 中的应用，使传统的测控系统发生变革。计算机代替了传统测控系统中的电子 线路，成为了测控系统的主体和核，t l , ，解决了传统测控系统不能解决的问题。 目前，测控系统已经发展到了计算机自动测量与控制系统( 计算机测控系统) 。 它是自动控制技术、计算机科学、微电子学和通信技术有机结合、综合发展的 产物。计算机测控系统包含了数据采集和处理系统、自动测量系统，生产过程 控制系统，导弹与卫星的检测及发射控制系统等，被广泛用于航空、航天、核 科学研究，工厂自动化、实验室自动测量和控制、办公自动化、商业自动化、 家庭自动化等各领域。测控系统在很大程度上推进了人类社会的进步和发展。 计算机测控系统由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包含了计算机主机、 被检测和控制的对象、模拟输入和输出通道、开关量输入和输出通道、人机接 口设备等。软件部分包含了系统软件和应用软件。系统软件是指操作系统和支 持软件，应用软件则是用户根据需要自己编制的测控程序、控制算法程序以及 一些服务程序等。 计算机接口技术是采用硬件和软件结合的方法，研究微处理器与外围器件 进行通讯，实现c p u 与外围器件进行高效可靠的信息交换的一门技术。它应用 于数据采集、实时控制、通讯、智能仪器等方面。计算机接口类型有很多，如 i j s b ，p c i ，r s 2 3 2 c ，并行打印机接口，f i r e w i r e ，m i d i ，以太网接口，i d e ，a g p 等，用于工程中的接口还有s p i ，i ，r s 4 8 5 等。随着c p l d 技术发展，许多的 计算机接口都可以通过c p l d 技术实现，而且c p l d 技术实现的接口具有体积小、 可靠性高，方便调试等优点【2 1 【3 l f 4 1 ，这给计算机接口技术注入了新的活力。目前， 计算机接口技术正向高速度、高可靠性、高性能、通用性等方向发展。计算机 接口技术的发展是测控技术发展的强大动力。在飞速发展的计算机接口技术推 婴坐查堂堡主丝苎 动下，测控系统已经从2 0 世纪5 0 年代静的“基地式仪表系统”发展到了如今 的“工业过程计算机集成制造测控系统5 】”。目前，测控系统正向网络化、智能 化、数字化、总线化、微型化的方向发展。 1 2 课题开发背景 接口技术是测控系统的一个重要组成部分，通过测控接口把测控系统中的 所有仪器设备连接成为一个有机的整体。测控接口的主要任务是解决信息传送 和处理问题，如信息的传递方式、信息的编码格式、信息的传递速度和逻辑电 平等。测控接口一般有i s a 总线接口、并行打印机接口、r s - 2 3 2 c 接口、i e e e - 4 8 8 接口、p c i 总线接口等。 1 2 1 传统测控系统常用的接口及特点 i s a 总线是工业标准体系结构总线的简称，是由美国i b m 公司在6 2 线的p c 总线上扩展3 2 线而开发出来的系统总线。它是1 6 位数据总线，数据传输速率 为1 6 m b s ，具有2 4 位地址总线，可以寻址存储空间1 6 m 字节，i o 地址空间为 6 4 k b 。计算机的主板提供插槽的形式让i s a 总线与外围设备接口通信。i s a 总 线接口主要被广泛用于数据采集系统和控制系统，同时也被用于存储系统1 6 1 1 7 1 。 测控系统使用i s a 总线时候，总是把电路板做成插卡的形式插入计算机主板的 i s a 插槽，维护和更换板卡很不方便，而且容易造成地址冲突、中断被占用等 一系列问题。我系研制的电感传感器和电涡流传感器接口板都使用了i s a 总线 接口，使用该接口板时，需要手动配置资源。目前的计算机主板基本不提供i s a 插槽，而是提供p c i 插槽，甚至最近出现了p c i e 插槽提供给p c i e 接口的显卡 使用。在p c 为核心的测控系统中，i s a 总线基本被淘汰，i s a 插槽只有在专业 的工控机中才能找到。 并行打印机接口也叫并行打印机适配器。它使用1 7 个信号线，其中8 个数 据信号线被称为d a t a 端口，5 个输入状态信号线被称为s t a t u s 端口，另外4 个控制信号线被称为c o n t r o l 端口。并行打印机接口采用2 5 针的d 型连接器与 p c 机连接。计算机自动为并行打印机适配器端口分配地址1 8 1 ：d a t a 地址为3 7 8 h 或者2 7 8 h ，s t a t u s 地址为3 7 9 h 或者2 7 9 h ，c o n t r o l 地址为3 7 a h 或者2 7 a l 。 并行打印机适配器端口与外部设备的数据传输速率不超过2 0 0 3 0 0 k b p s 。e p p 和e c p 新模式的数据传输速率比传统的并行端口速率提高2 0 5 0 倍，但是，e p p 2 婴型查兰堡堡苎 模式也只能实现数据传输速率为5 0 0 k b p s 2 f o p s 。并行端口解决了传统的插入 式接口电路板的使用不方便等缺陷，因此，在过去的工业发展中被广泛应用， 特别是在测控仪器仪表行业中，并行端口应用较为广泛。但是，它的数据传输 距离有限，数据传输速率也不能满足现代仪器发展的要求，仍然不能实现测控 仪器系统的“热插拔”功能。目前，大部分打印机及扫描仪的接口已经是u s b 接口，工业中的许多设备已经不再使用并行端口。 r s - 2 3 2 c 是一种串行通信总线标准，它适合数据传输速率在o 2 0 0 0 b s 范 围内的通信。r s 一2 3 2 c 总线标准定义了2 5 条信号线，实际使用时，最多使用了 9 条信号线。所以r s - 2 3 2 c 连接器有d b 2 5 和d b 9 两种。最简单的系统，只需t x d 和r x d 两条信号线就可以实现通信。r s - 2 3 2 c 总线标准使用的t x d 和r x d 逻辑 高电平为+ 3 v + 1 5 v ，逻辑低电平范围是- - 3 v - - 1 5 v 。这些逻辑电平范围和 t t l 电平不兼容，使用r s 一2 3 2 c 总线标准接口时，需要用专门的电平转换芯片 实现r s 一2 3 2 c 的逻辑电平与竹l 电平之间的转换【9 1 。通常使用的转换芯片是 m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 。r s 一2 3 2 c 总线接口具有信号少，传输率有多种选择、抗 干扰能力强、传送距离较远等优点，它的缺点是数据传输速率已经不能满足现 代测控系统发展的需要，接口不能通用，某段时间内只能让一个设备连接在串 口上，使用r s 一2 3 2 c 总线接口的测控系统不能实现“热插拔”和“即插即用” 的功能。 p c i 总线标准是i n t e l 、c o m p a q 、i b m 、n e c 、h p 等公司在1 9 9 3 年联合推出 的高速总线标准。它是一种高性能的3 2 位或6 4 位的、地址线与数据线复用的 总线，不依赖于任何具体的c p u ，具有良好的兼容性。当数据总线宽度为3 2 位 时，数据传输速率最高可以达1 3 2 m b s ；当数据总线宽度为6 4 位时，最高的数 据传输速率可以达到2 6 4 m b s 1 0 l 。p c i 总线提供了地址和数据的奇偶校验功能， 从而保证了数据的完整性和可靠性。它提供自动配置能力，每个p c i 接口卡中 都有2 5 6 个字节的配置寄存器。在操作系统启动或者p c i 接口卡刚插入计算机 主板时，p c i 总线驱动程序会访问这些寄存器，以便对其进行初始化，并装入 相应的设备驱动程序，实现即插即用。p c i 总线接口的缺点是：测控系统与p c 机的通信，仍然是以板卡的形式插入p c i 插槽中，更换和维修不方便；p c i 总 线接口信号线多达1 2 0 条，设计相对复杂；p c i 设备连接p c 机时，仍然是地址 映射方式将外设地址映射到p c 机的地址中，容易造成中断冲突和地址冲突：p c i 总线接口也不具有通用性。 四j 大学硕士论文 1 2 2 传统测控接口的局限性 以p c 机为核心的大部分传统测控系统接口一般被设计成为板卡的形式，接 口卡插入微机的i s a 或者p c i 扩展槽中，通过p c 系统的i s a 总线或者p c i 总线 与p c 机通信。例如，我系研制的活塞环外圆轮廓测量仪、活塞环综合测量仪中， 大多采用i s a 总线接口设计传感器接口板，采用p c i 总线接口控制卡输出控制 信号。随着单片机的发展，也有部分系统的接口模块被设计成为“外接式”接 口模块。这种测控模块通过r s 一2 3 2 或者并行打印机接口总线与p c 机系统通讯， 我系最近研制的干簧管性能参数检测仪中，使用单片机技术实现数据采集，采 用r s - 2 3 2 接口与p c 机通信。 在传统测控仪器系统中，存在如下几方面的局限性： ( 1 ) 测控仪器系统的i l o 通常被映射为p c 机的i o 地址空间，并为之分 配固定的中断请求，占用系统地址资源和中断资源。 ( 2 ) 测控接口卡受到p c 机主板上扩展槽数量的限制。 ( 3 ) 不能实现“即插即用”和。热插拔”，使用很不方便。 ( 4 ) 数据传输速率受到限制，r s - 2 3 2 接口数据传输率最大为2 0 k b p s ，并行 接口也只有8 m b p s 。 上述问题已经成为了测控技术领域急需解决的问题。传统的测控接口已经 不能满足日益发展的测控技术的要求，因此，研究新型的测控接口已经成为了 测控科研人员的重大课题。 1 2 3 新型接口技术在测控系统中的应用 近几年出现了i e e e l 3 9 4 和u s b 两种新型接口技术。i e e e l 3 9 4 协议是i e e e 于1 9 9 5 年正式制定的总线标准。其速率高达l o o m b p s 、2 0 0 m b p s 和4 0 0 m b p s ， 即将推出的i e e e l 3 9 4 b 的速率可达3 2 g b p s 。i e e e l 3 9 4 具有占用空间小、数据 传输速率快、数字接口、支持热插拔、支持异步和同步传输模式、支持点对点 通信等优点【r i l l l 2 l 。微软公司的w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w sx p 等操作系统都已经提 供对i e e e l 3 9 4 协议接口的支持，但是，目前很少有主板芯片组直接对i e e e l 3 9 4 提供支持，只有少量的高端主板，例如台湾的华硕主板生产商在其高端的少量 主板中融入了i e e e l 3 9 4 技术。要实现i e e e l 3 9 4 就必须外接控制芯片，这样开 发的产品成本相对较高，所以，i e e e l 3 9 4 在p c 方面的应用还不广泛。目前， 4 婴型查兰堡主丝塞 i e e e l 3 9 4 主要应用到信息家电和高端服务器等高端外围设备中，例如三菱公司 的i e e e l 3 9 4 机顶盒、富士通公司的磁光驱动器d y n a m o1 3 0 0 f e 。工业测控领域 还未采用i e e e l 3 9 4 协议接口。 u s b ( 通用串行总线) 是一种应用在计算机领域的新型接口技术。它最先是由 c o m p a g 、i n t e l 、m i c r o s o f t ，n e c 、h e w l e t t p a c k a r d 、l u c e n t 、p h i l i p s 等公 司共同提出，目的是解决传统计算机接口存在的局限性，用u s b 接口取代p c 现有的各种外围接口，使得外围设备的连接具有单一化、即插即用、热插拔等 特点。u s b - i f 在9 6 年公布了u s b l 0 协议，此后在9 8 年公布了u s b l 1 协议。 2 0 0 0 年又公布了u s b 2 0 协议。u s b 所有的数据传输是在主机的控制下完成，设 备只是被动的响应主机的请求。为了使设备具有像主机一样的数据传输功能， u s b - i f 又定义了u s bo t g 协议。u s b i i 协议实现了两种传输速率：低速和全速。 u s b 2 0 协议实现了高速传输。低速传输速率为1 5 m b s ，全速传输速率为 1 2 m b s ，高速传输速率为4 8 0 m b s 。这样的传输速率基本涵盖了所有的应用场 合，使得u s b 可以适应于多种应用。u s b 接口具有热插拔、即插即用、接口通 用、接口体积小、节省系统资源、成本低，性能可靠、兼容性强、数据传输速 率快等优点【1 3 1 ，而且w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w sx p 、w i n d o w 2 0 0 3 等操作系统以及 p c 机主板都提供对u s b 技术的支持。 目前，u s b 接口技术已经被广泛推广，如打印机、移动硬盘、数码相机、 扫描仪、鼠标等设备都已经使用了u s b 接口。工业中的许多测控系统已改用u s b 接口。然而，u s b 总线接口技术相当复杂。u s b 技术的开发及应用需要开发人员 深刻的理解u s b 总线的抽象协议以及一些计算机底层操作，同时也要求开发人 员熟悉u s b 系统固件的编程和u s b 设备驱动程序的编程。这些因素使得u s b 技 术在测控系统中还没有得到广泛的应用。测控系统中使用u s b 接口技术已经是 一种趋势，u s b 总线技术在测控技术领域的应用将推动测控技术的继续向前发 展。 1 2 4c p l d 技术在测控系统中的应用 复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是可 编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 之一，其内部的触发器、逻 辑门等硬件资源可以由开发人员根据实际需要而配置，从而实现不同的功能。 c p l d 可以在线进行编程加载程序，不需要使用专门的编程器，通过程序下载线， 婴型查兰堡主丝苎 用软件工具对芯片装载程序，而且芯片可以反复多次擦写，提高了系统设计的 灵活性。用户可以将大量的数字系统设计集成到一块大容量的c p l d 芯片中，实 现系统的微型化和提商系统的可靠性。c p l d 使得电子系统的设计、开发、更新 与维护更方便，便于装配和批量生产。利用c p l d 可以缩短设计周期，减少设计 费用，降低设计风险，减小p c b 面积，提高设计能力和设计效率。 使用c p l d 技术开发系统时，可以使用电路图、硬件描述语占等多种输入方 式输入设计文件，经过c p l d 开发工具进行编译、逻辑综合、优化、资源分配( 布 局、布线) 后，开发人员可以对设计的目标系统进行功能仿真，以初步验证设 计的正确性。然后，通过程序下载线把目标程序加载到c p l d 芯片中。最后，借 助专业的分析仪器( 例如，逻辑分析仪) 或者联机调试目标系统，验证系统设 计的正确性。反复修改程序并调试，直到设计的目标系统正常工作。 目前，c p l d 已经在通讯、d s p 及微机测控系统中广泛应用，例如，c p l d 被 用来实现远程多路数据采集系统、毫米波雷达测距、频率测控系统、测控系统 中的g p i b 接口以及光纤传输系统中的编码器等口9 i i 加i m l l f 4 2 l 【4 3 l 。随着c p l d 技术 的发展，片上系统s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 已成为电子设计的趋势。高集成度 的c p l d 芯片及其开发技术将会掀起测控系统中接口技术的一场革命。 1 3 课题主要任务 本课题在调研国内外测控仪器系统发展状况的基础上，针对传统测控系统 接口的局限性，深入研究u s b 及c p l d 测控接口开发技术，开发一种集u s b 和 c p l d 优点于一体的小型、智能化、可热插拔的通用测控模块，完成数据采集和 i o 控制，解决传统测控仪器系统存在的问题，使测控系统能够实现即插即用 和热插拔等功能，系统运行更可靠，使用更方便。该通用测控模块计划用于我 系正在研制的云母叠片机系统。 论文主要目的和工作： ( i ) 为了解决传统测控仪器接口的数据传输速率低、不能即插即用、占用 系统资源、使用不便等问题，本文利用u s b 及c p l d 技术的优势，开发一个可靠 性高、智能化、多功能、可热插拔的通用测控模块，具有一定的实用性。 ( 2 ) 查阅文献，研究u s b 及c p l d 开发技术，提出基于u s b 及c p l d 的通用 测控模块硬件设计方案。首先深入研究u s b 2 0 协议，介绍u s b 的优势、基本概 念、信息编码与数据传输等问题。接着详细论述了c p l d 开发技术及通用测控模 6 四川大学硕论文 块硬件电路的设计思路和具体实现过程。 ( 3 ) 在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下，编写、调试通用测控模块的软件系统。 该软件系统包含单片机固件代码、设备驱动程序和w i n 3 2 应用测试程序。 ( 4 ) 测试通用测控模块的工作性能参数。 7 四j i l 大学硕士论文 2u s b 2 0 协议概述 2 1u s b 产生的背景 在u s b 产生之前，外围设备与p c 机的通信主要是通过p c 机主板提供的各 种接口来实现，如i s a 接口、p c i 接口，p s 2 接口、串口、并口等。这些传统 设备通常被映射到c p u 的输入输出地址空间，并且占用一根专用的中断请求线 ( i r q ) ，或者是直接存储器存取( d m a ) 通道【l ”。例如i b mp c 只使用1 0 位的 地址线，所以仅具有1 0 2 4 个端口地址。这些端口地址有的被固定分配给主板上 的设备，有的被分配给i o 扩展板。i o 空间、i r q 以及d m a 通道都为有限的系 统资源，当外围设备数目增加时，这些资源就很快被耗尽，从而限制了外围设 备的数量，而且容易产生i o 地址冲突、所使用的i r q 已经被别的设备占用等 问题。用户使用这些接口时，需要打开机箱，重新启动计算机，使用相当繁琐。 另外这些传统的接口是非共享式接口，体积庞大，接口舰格也不统一。 为了克服以上缺点，p h i i i p s 与数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n t c o r p o r a t i o n ) 借鉴i 总线的优点制定了a c c e s s b u s 规范。a c c e s s b u s 与主 机的连接使用4 条线缆，即电源线、地线、数据线和脉冲线。a c c e s s b u s 主要 是让计算机外围低速设备，如键盘、鼠标等，以简单线缆插入式连接来进行低 速( 1 0 0 z b p s ) 工作。这就是u s b 发展的雏形。 经过i n t e l 、微软等著名公司的努力开发，1 9 9 6 年1 月，u s b i 0 版本正式 发布。1 9 9 6 年9 月，u s b i 1 版本正式发布。2 0 0 0 年4 月，u s b 2 0 版本正式发 布随后，作为u s b 2 0 版本的补充版本u s bo ? g 也正式发布。 2 2u s b 的优势 ( 1 ) 自动地检测和设置。当u s b 接口设备插入计算机机箱上的u s b 口，计 算机自动从系统中寻找相应的驱动程序，并自动完成驱动程序的载入，为u s b 设备动态分配唯一的地址。当u s b 接口设备和计算机主机断开时，计算机系统 自动完成地址的回收，释放装载的驱动程序。实现真正的“即插即用”。 ( 2 ) 接口通用。u s b 接口方便用户使用，所以越来越多的用户接受了u s b 接口。市场上可以很容易地看到u s b 接口的键盘，鼠标、硬盘、摄像头等外围 设备。这些设备接口的机械特性和电气特性都是一致的，都是严格按照u s b 协 议生产，因此在计算机上可以方便地接入这些设备。 8 婴型盔兰堡笙塞 ( 3 ) 节约系统资源。不同的外设可以使用同一个u s b 接口，操作系统不必 为每种设备配置不同的中断和i o 口，解决了中断和i 0 冲突的问题，用户不 必手动调整这些资源的分配。 ( 4 ) 接口线缆简便。u s b 接口线缆只使用了4 根线，分别是+ 5 v 的电源线、 地线和另外两根数据线。单独一条标准的u s b 线缆支持传输距离为5 m ，利用u s b 集线器可以传输3 0 m 的距离。 ( 5 ) 可以不用外界供电。u s b 接口中本身就有+ 5 v 电源线和地线，可以直 接从主机和u s b 集线器上获得电源供电。 ( 6 ) 传输速率灵活。u s b 2 0 接口是高速接口，理论数据传输速率为 4 8 0 m b p s ，但是它兼容低速和全速传输。对于不同的设备，根据需求可以选择不 同的数据传输速率。 ( 7 ) 保证同步传输带宽。u s b 能为音频和电话提供足够的同步带宽和低的 延迟特性；同步设备可以利用大部分的总线带宽。 ( 8 ) 性能稳定。u s b 2 0 协议中包含了数据传输错误处理机制，使用c r c 校验传输的数据，发现错误后能自动触发数据的重新传送机制。 ( 9 ) 价格便宜。u s b 接口的线缆和机械方面实现起来比较简单，价格便宜。 u s b 接口芯片也比较便宜。 2 3u s b 2 0 中的基本概念 2 2 1u s b 主机 u s b 在外设和p c 机之间提供服务，通常把连接所有外设的p c 机称为u s b 主机，在u s b 主机内部含有u s b 主控制器( 若主板上没有u s b 主机控制器，可 以在p c i 插槽内插入u s b 适配器) ，l j s b 主控制器内部包含一个i j s b 根集线器， 用于给u s b 系统提供端口。u s b 主机的主要功能是：检测设备、数据流管理、 错误检测、提供电源等。 目前u s b 主机提供的u s b 主控制器一般都有三个：用于u s b i 1 协议的通用 主机控制器接口和开放主机控制器接口以及用于u s b 2 0 协议的扩展主机控制 器接口。 2 2 2u s b 设备 u s b 设备是指能够实现某种u s b 功能的逻辑或者物理实体。u s b 设备可以分 9 堕型查兰堡主丝皇 为集线器和功能设备两大类。u s b 设备主要功能是：检测直接到u s b 芯片的通 信、与主机交换数据、对u s b 中标准请求的响应、错误检测和电源管理。 u s b 协议把u s b 设备分三个层次：从最低层次讲，u s b 设备就是单个的元件， 比如一个f l a s h 存储器设备；从更高一个层次讲，u s b 设备是能够实现某种特 定功能的硬件集合体，比如u s b 接口设备；最高层次上讲，u s b 设备是指所能 实现的功能。比如，优盘是个u s b 设备，因为它实现u s b 的大容量存储功能。 2 2 3 端点 从物理机制来说，端点可以是嵌入式系统或p c 上的一个数据缓冲区，用来 存放和发送u s b 的各种数据；从逻辑上来说，端点可以视为数据的收发器，可 以按照定义的传输方式来交换数据。每个端点都有唯一确定的地址( 端点号) ， 端点地址是在端点描述符中被定义。u s b 2 0 协议中规定了1 6 个端点。每个端 点根据相关硬件芯片的不同被设置成不同的传输特性，比如输入端点、输出端 点、配置( 控制传输) 端点及批量传输端点等。 2 2 4u s b 集线器 u s b 集线器是为u s b 主机和u s b 设备之间提供的电气接口。它主要由中继 器、控制器和事务转发器共三部分组成。中继器用来响应主机与设备的连接与 断开，同时支持数据错误检测与恢复、总线连接与断开的检测等功能。控制器 负责主机与控制器间的通信事务，提供状态和控制命令以便主机多集线器进行 配置，同时负责监视和控制下游端口的活动。事务转发器对高速通信过程中的 事务进行分割，并在下游端口有低速或全速设备接入时，将事务转换为下游设 备可以接受的低速或者全速型事务。 可见，u s b 集线器的功能主要表现为：管理主机与设备的连接；电源管理； 设备接入或断开；总线错误的检测与恢复；对高速、全速、低速设备的支持。 2 2 5u s b 管道 u s b 管道是一种逻辑上的概念，它是主机与设备端点之间的联系，代表主 机的数据缓冲区与设备端点之间交换数据的能力。设备被配置以后，端点也就 可以使用了，因此管道也就存在了。u s b 管道关联着u s b 总线的访问和带宽使 用、传输类型、端点方向及端点允许最大数据载荷量。 1 0 婴型苎兰堡兰堡：苎 u s b 管道可以分为流管道和信息管道。流管道传输数据时，数据包中数据 内容没有u s b 协议规定的结构。流管道具有单一的方向，即数据流以一定的顺 序通过流管道，数据流在流管道中遵循“先进先出”的原则。支持流管道的端 点只能设置为输入方向或者输出方向。流管道支持批量传输、同步传输，中断 传输。消息管道传输数据时，数据包中包含有u s b 协议定义的结构。消息管道 具有双向通信功能，即消息管道为输入管道和输出管道，但是某一个时刻只能 是一个方向的管道，u s b 不允许消息管道的输入方向和输出方向为不同的端点 号，支持消息管道的端点被设置为输入和输出两个方向。消息管道支持控制传 输。 2 2 6 描述符 u s b 描述符是u s b 设备的“身份证”，它是一个完整的数据结构，存储在u s b 设备中，用于描述一个u s b 设备的所有属性，主机通过一系列的命令来要求设 备发送这些信息。描述符分为7 种类型l ”l ：设备描述符，配置描述符、字符描 述符、接口描述符、端点描述符、设备限定描述符、其他速率配置描述符。其 中，设备限定描述符和其他速率配置描述符号只有在高速设备中才有。每一个 u s b 设备只有一个设备描述符，但是设备描述符可以有多个配置描述符；一个 配置描述符又包含多个接口描述符；一个接口描述符可以使用多个端点描述符。 如果高速设备既要采用高速传输，又要采用全速传输，则它必须支持限定设备 定描述符和其他配置描述符，以指出另一传输速率下设备的总体信息。 2 2 7u s b 设备的枚举 u s b 支持设备在任何时候从u s b 总线上插入和拔出。因此系统软件必须允 许动态改变总线物理拓扑结构。关于u s b 主机对u s b 设备的检测过程称为主机 对u s b 设各的枚举。在枚举过程中，主机主要完成的基本任务为【1 6 】：给请求的 设备分配唯一地址；从设备中读取所需的描述符；加载相应的设备驱动程序； 根据设备应答的数据来决定设备的最终配置。 所有的u s b 设备连接到集线器的端口上，该事件被u s b 集线器检测到，u s b 集线器通过状态指示寄存器，指示u s b 设备在某个端1 ：3 上的插入或移除操作， 以信息流的方式向主机发出报告。主机收到报告后，主机允许该端口，通过缺 省端点0 地址和控制管道o 向设备发送一系列请求，设备返回请求信息。主机 l l 和设备经过多 端点l 开始给 集线器禁止该 软件处理该撤 一般来说 重枚举才能实 显示器屏幕上 2 2 8 域和包 域是u s b 步域、标识域 包是基本 的包：令牌包 s o f 、p r e 、s p l d a t a l 、d a t a 2 和m d a t a 四种类型。握手包分为5 种类型：a c k 、n a k 、s t a l l 、 n y e t 和e r r 。 令牌包定义了数据传输的类型。在u s b 系统中，只有主机才能发出令牌包。 数据包由标识域、数据域和校验域组成。对于低速设备，数据域最大长度为8 字节。对于全速设备，数据域最大长度为1 0 2 3 字节。对于高速设备，数据域的 最大长度为1 0 2 4 字节。数据包中的校验域负责对数据包中的数据域进行1 6 位 的c r c 校验( 循环冗余校验) ，而标识域本身已经含有校验域，所以不需要对标 识域进行c r c 校验。握手包只包含8 位的标识域，不需要c r c 检验。握手包用 于报告事务处理的状态，表明数据接收成功、指定的端点被停止、不能响应命 令等情况。 2 2 9 事务处理 事务处理是u s b 总线上数据传输的基本单位，由一系列具有特定格式的包 组成。主机和u s b 设备间的一次通信可能需要使用多个事务处理。一次事务处 理可以分为三个阶段：令牌阶段、数据阶段和握手阶段，其中数据阶段和握手 阶段是可选的。令牌阶段表示事务处理的开始，并定义传输类型。数据阶段负 责传输相关的数据，长度最大为1 0 2 4 字节。握手阶段用来报告事务处理的状态， 婴盔竺竺兰笙塞 表示数据接收是否成功。 u s b 中的事务处理可以分为7 种类型：i n 事务、o u t 事务、s e t u p 事务、p i n g 事务、s o f 事务、s p l i t 事务和p r e 事务。 2 4u s b 2 0 的机械特性 u s b 2 0 协议规定，u s b 可以工作在三种模式：高速模式( 4 8 0 m b i t s ) ，全 速模式( 1 2 m b i t s ) 和低速模式( 1 5 m b i t s ) 。高速模式和全速模式都需要使 用两条电源线和两条双绞线，而且需要进行屏蔽；在低速模式下不要求使用双 绞线，但是推荐用双绞线。u s b 的连接头被设计为插拔式，在每个插头上都有 一个u s b 标志，让用户容易定位。 2 4 1u s b 连接器 图2 - 1u s b 连接器 1 3 婴坐盔兰竺堡苎 为了方便用户使用u s b ，u s b 2 0 协议规定了u s b 连接器( 插头和接口) ，它 分为“a ”型连接器和“b ”型连接器。如图2 一l 所示。“a ”型连接器是提供设 备向上游的接头或集线器向下游的端口，所有的u s b 设备必须配备“a ”型连接 器：“b ”型连接器允许设备供应商提供一种标准的可分离线缆使用。 u s b 2 0 规定面向下游的接收器( 接口) 必须能够工作于低速、全速、高速 模式。面向上游的高速接收器不允许工作于低速模式，但可以工作于全速模式。 2 4 2u s b 线缆 u s b 线缆由四条信号线组成：胪和d + 两条数据，v b u s 和g n d 。u s b 协议规 定了3 种u s 8 线缆：标准可分离线缆、高速全速的束缚型线缆和低速的束缚型 线缆。 标准可分离线缆两头分别由“a ”型和“b ”型插头构成。它主要用于高速 和全速设备，而不用于低速设备，因为其长度有可能超过低速设鍪允许的长度 范围。使用u s b 标准可分离线缆的u