（通信与信息系统专业论文）基于usb的mpeg4+av数字终端系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 针对在公安警用无线通信系统与网络中如何实现数字图像的移动通信的问题，本 文设计一个基于u s b 的便携式m p e g 一4a v 数字终端系统，并且给出了系统的软硬件 实现方案。 m p e g 一4a v 数字终端系统的视频输入端采用复合视频接口，可以与多种视频信号 源相连接，增强了系统的灵活性和实用性。m p e g 一4 视频压缩标准以其先进的图像压 缩算法，能够实现在低码流的情况下获得高图像质量，特别适于无线移动视频通信和 网络视频实时通信的应用要求。 该m p e g 一4a v 数字终端系统采用u s b 接口与主机进行通信。目前，u s b 接口已广 泛应用于各种p c 外设。因此，在本系统中采用u s b 接口，可以方便地通过同一个接 口根据当时的需要与各种不同设备连接，增强了系统的灵活性和实用性。 本系统使用了由i n t i m e 公司设计的基于m p e g 一4 视频压缩标准的专用集成芯片 i m e 6 4 0 0 ，由于i m e 6 4 0 0 内部集成了存放代码的程序存储器，降低了系统实现的成本， 并且有利于减小系统的体积，从而使系统更为方便携带与使用。 关键词：m p e g 4 u s b 固件描述符 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rr e a l i z i n gt h ed i g i t a li m a g ec o m m u n i c a t i o ni nt h em o b i l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dn e t w o r ko nt h ef i e l do fp o l i c e ，o n ek i n do fp o r t a b l em p e g - 4a vd i g i t a l t e r m i n a ls y s t e mw a sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n df i r m w a r eo ft h e s y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ev i d e oi n p u to ft h ed i g i t a lt e r m i n a ls y s t e ma d o p t sc o m p o s i t ev i d e oi m e r f a c e ，s oi t c a r lc o n n e c tw i t hm a n yk i n d so fv i d e os i g n a le q u i p m e n ts o u r c e s ，w h i c hb o o s t su pt h e f l e x i b i l i t ya n dp r a e t i c a b i l i t yo ft h es y s t e m r e s o r tt oa d v a n c e di m a g ec o m p r e s s i o n a l g o r i t h m t h em p e g 4s t a n d a r dc a l l _ r e a l i z et h ep r i m eq u a l i t yi m a g ew i t ha sl i t t l ed a t aa s p o s s i b l e ，w h i e hs a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fw i r e l e s sm o b i l ev i d e oc o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r kv i d e or e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n t h i sm p e 0 4a vd i g i t a lt e r m i n a ls y s t e mc o m m u n i c a t e sw i t hc o m p m e rb yu s b i n t e r f a c e f o ru s bi n t e r f a c eh a sb e e na p p l i e di n t oa l lp e r i p h e r a le q u i p m e n t so fp c ，s ot h i s m p e g 4a vd i g i t a lt e r m i n a ls y s t e mw i l lv e r yc o n v e n i e n t l yc o n n e c tw i t hp ca n do t h e rh o s t e q u i p m e n t sb yt h es a m ei n t e r f a c e ，w h i c hm a k e st h ef l e x i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h e s y s t e mm o r es t r o n g t h es p e c i a li n t e g r a t e dc h i pl m e 6 4 0 0d e s i g n e db yi n t i m ec o r p o r a t i o ni su s e di nt h i s s y s t e m i m e 6 4 0 0i st h ef i r s ts i n g l e c h i pm p e g 4e n e o d e rf o rh i g hr e s o l u t i o nr e a l - t i m e v i d e oa p p l i c a t i o ni nt h ew o r l d 1 m e 6 4 0 0h a si n t e r n a lb o o t i n gr o m ，t h i sf e a t u r en o t o n l yr e d u c et h ec o s to fs y s t e mi m p l e m e n t i o nb u ta l s or e d u c et h ev o l u m eo fs y s t e m ， a c c o r d i n g l yt h es y s t e mb e c o m e s m o r ec o n v e n i e n tt ot o t ea n du s e k e y w o r d s ：m p e g 4 u s bf i r m w a r e d e s c r i p t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：缝垫日期：丛：笙 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：丝整导师签名：嗽苏。 u ” 7 日期：碰：垡 第一章绪论 第一章绪论 近些年来，无线移动通信有了飞速的发展，然而仅仅传统的语音通信已经不能满 足人们在现实生活中的需求。在很多场合，人们对实时图像无线移动传输的需求已经 显得十分追切，比如在消防、防暴事件中，对现场图像进行实时无线传输就十分重要。 然而，图像的数据量是巨大的，在移动状态下进行图像的实时无线传输，就必须采用 更为先进的图像压缩编解码方法，提高压缩率，降低码率，从而能够以最少的数据获 得最佳的图像质量。 1 1 本课题的提出和意义 2 0 0 3 年，总投资达数十亿元的“金盾工程”通过国家批准立项，正式启动。“金 盾工程”的全面实施，公安信息化建设和应用进入了广泛、快速、和提高的新阶段。 公安信息化建设与应用正面临着一次从固定到移动，从静止到动态，从有线到无线， 从制约到灵活，从局限到完善的跨越。其中的公安警用无线通信系统与网络，也随之 面临着一次从话音业务到数据图像，从单一到综合，从窄带到宽带，从模拟到数字， 从开放到保密的变革。 针对以上的要求，需要建立一个能够覆盖城市范围( 包括郊县) ，公安系统专用， 具有信息安全保证，支持流动和移动警务人员无线数据联网双向通信，并可实现实时 图像无线传输，具备调度对讲话音通信功能的宽带数字无线综合接入通信网络，从而 构建城市数字警察的无线支撑平台。此无线综合业务接入网的应用示意图如图l - 1 所示。 图1 1 综合业务接入网的应用示意图 1 东南丈学硕士学位论文 在此设计方案中，数据终端具有r s 一2 3 2 、u s b 接口，可与笔记本、p d a 连接；提 供标准i p 互联功能，与地面i p 网络业务应用一致：提供具有差错控制性能保证的无 线数据互联通信；无线接入为速率1 m b p s 以上，多点多业务共享，高效动态分配；提 供3 8 4 k b p s 、2 5 帧秒m p e g 4 数字图像处理、传输功能：采用具有较强穿透性和绕射 性的3 0 0 m h z 的v h f 频段，带宽2 m h z ，4 个信道便可全域组网，适于移动，其频道规 划如图1 2 所示。 j 彩一些一乒一垆：一若t - 舻泸一7 一 ， “l ： ii 蜘j ， 图1 2 综合业务接入网的频道规划图 由以上可以看出，除了传统的语音业务外，m p e g 4 数字图像的实时无线传输是本 系统的一项重要功能。m p e g 4 标准制定于1 9 9 9 年，它具有以下三大优点：其压缩比 高，使低码率的视频传输成为可能；节省存储空间：图像质量好，m p e 6 4 的最高图像 清晰度为7 6 8 x 5 7 6 ，可以达到接近d v d 的画面效果。本论文的任务就是设计一个便携 式m p e g 4a v 数字终端系统，此终端系统采用u s b 接口，从而方便与多种设备相连接； 另外视频输入端采用复合视频接口，从而可以与多种视频信号源相连接。 1 2 论文的主要内容 本论文的内容主要分为两个部分。第一部分以系统所要实现的功能为出发点，讨 论了本系统中视频压缩标准和串行通信方式的选择问题。第二部分是系统的硬件设计 和软件设计。以下是论文各章内容的简要介绍。 第二章“系统设计”中简单描述了m p e g 系列视频压缩标准和i t u 系列视频压缩 标准，并根据整体系统对无线接入速率的要求，对各种视频压缩标准进行了简单的比 较，从而确定m p e g 一4 视频压缩标准符合整体系统的要求。此外还对在生活中得到广 泛应用的两种串行总线( u s b 和i e e e l 3 9 4 ) 进行了简单的描述和对比，从而确定最适 合本系统的串行总线是u s b 总线。 第三章“系统的硬件设计”描述了整个硬件系统的接口设计，并对在本系统中是 否可以用c 8 0 5 1 f 0 2 0 + p d u s b d l 2 取代e z - u s b 进行了详细的分析并给出了结果。 2 第一章绪论 第四章“系统的软件设计”对如何通过i m e 6 4 0 0 的i2 c 总线去控制视频a d 芯片 s a a 7 i l i a 、i m e 6 4 0 0 的固件设计及e z u s b 的固件设计进行了详细的描述。 第五章“总结”对本文的工作进行了总结。 3 第二章系统设计 第二章系统设计 本系统设计中，主要涉及到两个方面的工作：一个是图像压缩标准的选择：另外 一个是本系统与其他设备之间串行通信方式的选择。对于前者，随着数字视频编码技 术的不断发展和成熟，出现了大量视频编码应用方案。为了使各种应用系统实现兼容， 从而顺利地推进技术的市场化，各企业联盟、标准组织和专门化标准委员会就新技术 的规范化制定了一系列的标准，不同的标准针对不同的应用。对于后者，目前受到广 泛应用的串行总线有u s b 和i e e e l 3 9 4 总线，二者有不同的特点。 下面分别对以上两个方面进行简单的论述。 2 1 图像压缩标准的选择 活动图像专家组( m p e g ) 和国际电信联盟( i t u ) 是对数字视频编码标准贡献较 大的两个组织，多年来它们一直致力于制订各种新的建议和标准，并对已有的标准进 行改进。 2 1 1 肝e g 系列标准 肝e g 的全称是m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ( 即动态图像专家组) ，由 i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织) 与i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o n i cc o m m i t t e e ) 于1 9 8 8 年联合成立，致力于运动图像( m p e g 视频) 及其伴音编码( m p e g 音频) 的标准化工作。m p e g 共有5 个版本，其中前两个版本 m p e g 一1 和m p e g 一2 应用比较广泛，而m p e g 一4 虽然已推出近六年，但有关它的应用 却直到最近才活跃起来，m p e g 一7 和m p e g 一2 1 则是属于未来的标准。 肝e g 一1 ：m p e g - i 标准( i s o i e c l l l 7 2 ) 是活动图像专家组制订的第一个音视频 编码标准。活动图像专家组最初是为了解决这样一种压缩问题而成立的：怎样在存储 不压缩音频的介质( c d r o m ) 中存放音频和视频信息，1 9 9 3 年通过的m p e g 一1 标准初 步实现了这一想法，它可以使数字视频在大约1 5 m b i t s 的速率下达到甚至超过家用 录像系统( v i d e oh o m es y s t e m ：v h s ) 的品质，并将压缩的音频也放到了普通的c d r 伽 中。它针对s i f ( 标准交换格式) 标准分辨率( n t s c $ | j 为3 5 2 2 4 0 ；p a l 制为3 5 2 2 8 8 ) 的图像进行压缩，每秒可播放3 0 帧画面，具备c d ( 指激光唱盘) 音质。同时，它还被用 于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路( a d s l ) 、视频点播( r o d ) 、网 络教育等。m p e g - i 的编码速率最高可达4 5 m b i t s s e c ，但随着速率的提高，其解码后 的图像质量有所下降。 肝e g 一2 ：m p e g 一2 标准( i s o i e c l 3 8 1 8 ) 制定于1 9 9 4 年。在与m p e g - 1 保持兼容的 同时，作为数字电视系统中的视频编码标准，m p e g 一2 支持s d t v 并n h d t v 分辨率的视 5 东南大学硕士学位论文 频输入，输出数据速率最高达到8 0 m b it s 。它是针对3 l o m b p s 的数据传输率制定的 运动图像及其伴音编码的国际标准。m p e g 一2 可以提供一个较广的范围改变压缩比， 以适应不同画面质量、存储容量和带宽的要求。和p e g l 相比，m p e g 一2 支持更广的分 辨率和比特率范围，成为数字图像盘( d v d ) 和数字广播电视的压缩方式。m p e g 一2 用 于宽带传输的图像，图像质量达到电视广播甚至h d t v 的标准。除了作为d v d 的指定标 准外，m p e g 一2 还可用于为广播、有线电视网、电缆网络等提供广播级的数字视频。 m p e g - - 3 ：m p e g 一3 是i s o i e c 最初为h d t v ( 高清晰电视广播) 制定的编码和压缩 标准，但由于m p e g 一2 的出色性能已能适用于h d t v ，因此m p e g 一3 标准并未制定， 我们通常所说的m p 3 指的是m p e gl a y e r3 ，只是m p e g 的一个音频压缩标准。 m p e g - 4 ：就在m p e g 一1 、m p e g 一2 进入广泛的实际应用之时，m p e g d 、组又于1 9 9 8 年发布了m p e g 一4 标准的草稿。m p e g 一4 标准主要应用于视频电话( v i d e op h o n e ) 、视 频电子邮件( v i d e oe m a i l ) 和电子新闻( e l e c t r o n i cn e w s ) 等，其传输速率要求较 低，在4 8 0 0 6 4 0 0 0 b i t s s e c 之间，分辨率为1 7 6 x l “。m p e g - 4 利用很窄的带宽，通过 帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。m p e g - 4 中 基于对象的编码和比特分配思想是其最大的创新之处，它引入了视频对象的概念，一 改传统的基于帧的编码方法。它试图达到以下两个目标：1 低比特率下的多媒体通信； 2 各种多媒体通信的综合。m p e g 一4 的设计目标还有更广的适应性和可扩展性。 凭借着出色的性能，m p e g 一4 技术目前在多媒体传输、多媒体存储等领域得到了广 泛的应用。目前，m p e g 一4 技术主要应用在以下领域：l 、精彩的视频世界，主要以两 种形式出现，一种是d i v x - m p e g 4 影碟，另一种是网上m p e g 4 电影；2 、低比特率下的多 媒体通信，包括视频电话、视频电子邮件、移动通信、电子新闻等多媒体通信领域； 3 、实施多媒体监控；4 、基于内容存储和检索的多媒体系统等。 m p e g - 7 ：1 9 9 8 年1 0 月m p e g 一7 标准被提出，它的正式名称是“多媒体内容描述接 口”( m u l t i m e d i ac o n t e n td e s c r i p t i o ni n t e r f a c e ) ，m p e g - - 7 标准的提出是因为 继m p e g 一4 之后，要解决的矛盾就是对日渐庞大的图像、声音信息的管理和迅速搜索。 m p e g - - 7 将对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与所描述的 内容相联系，以实现快速有效的搜索。由于该标准不包括对描述特征的自动提取，它 也没有规定利用描述进行搜索的工具或任何程序，因此，它可以独立于其他m p e g 标准 使用，但m p e g 一4 中所定义的对音频、视频对象的描述仍然适用于m p e g 一7 ，这种描 述是分类的基础。我们可以也利用m p e g 一7 的描述来增强其他m p e g 标准的功能。m p e g 一7 的应用范围很广泛，既可应用于存储，也可用于流式应用，如广播、将模型加入 i n t e r n e t 等。它还可以在实时或非实时环境下应用，如：数字图书馆( 图像目录、音 乐字典等) 、多媒体名录服务、广播媒体选择( 无线电信道，t v 信道等) 等。它在未 来将会在教育、新闻、导游信息、娱乐等方面发挥巨大的作用。可以简单地说m p e g 6 第二章系统设计 一7 是基于内容表示的标准，应用于多媒体信息的搜索，过滤，组织和处理。 m p e g - 2 1 ：互联网改变了物质商品交换的商业模式，这就是“电子商务”。新的 市场必然带来新的问题：如何获取数字视频、音频以及合成图形等“数字商品”，如 何保护多娱体虎容的知识产权，如何为用户提供透职的媒体信息服务，如何检索内容， 如何保证服务质量等。此外，有许多数字媒体( 图片、音乐等) 是由用户个人生成、使 用的。这些“内容供应者”同商业内容供应商一样关心相同的事情：内容的管理和重 定位、各种权利的保护、非授权存取和修改的保护、商业机密与个人隐私的保护等。 目前虽然建立了传输和数字媒体消费的基础结构并确定了与此相关的诸多要素，但这 些要素、规范之间还没有一个明确的关系描述方法，迫切需要一种结构或框架保证数 字媒体消费的简单性，很好地处理“数字类消费”中诸要素之问的关系。m p e g 一2 1 就 是在这种情况下提出的。 制定m p e g - 2 1 标准的目的是：( 1 ) 将不同的协议、标准、技术等有机地融合在一起； ( 2 ) 制定新的标准；( 3 ) 将这些不同的标准集成在一起。m p e g 一2 1 标准其实就是一些关 键技术的集成，通过这种集成环境就对全球数字媒体资源进行透明和增强管理，实现 内容描述、创建、发布、使用、识别、收费管理、产权保护、用户隐私权保护、终端 和网络资源抽取、事件报告等功能。 2 1 2i t i l 系列标准 i t u t 的标准包括h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 ，主要应用于实时视频通信领域，如电视 会议；h 2 6 2 标准等同于m p e 6 - 2 的视频编码标准，而最叛的h 。2 6 4 标准则被纳入船e g - 4 的第1 0 部分。 h 2 6 1 视频编码标准：h 2 6 1 是i t u t 为在综合业务数字网( 1 s d n ) 上开展双向声 像业务( 可视电话、视频会议) 而制定的，速率为6 4 k b s 的整数倍。h 2 6 1 只对c i f 和q c i f 两种图像格式进行处理，每帧图像分成图像层、宏块组( g o b ) 层、宏块( m b ) 层、块( b l o c k ) 层来处理。h 2 6 i 是最早的运动图像压缩标准，它详细制定了视频编 码的各个部分，包括运动补偿的帧间预测、d c t 变换、量化、熵编码，以及与固定速 率的信道相适配的速率控制等部分。 h 2 6 3 视频编码标准：h 2 6 3 是最早用于低码率视频编码的 t u t 标准，随后出 现的第二版( h 2 6 3 + ) 及h 2 6 3 + + 增加了许多选项，使其具有更广泛的适用性。b 2 6 3 是i t u t 为低于6 4 k b s 的窄带通信信道制定的视频编码标准。它是在h 2 6 1 基础上 发展起来的，其标准输入图像格式可以是s - q c i f 、q c i f 、c i f 、4 c i f 或者1 6 c i f 的彩 色4 ：2 ：0 亚取样图像。h 2 6 3 与h 2 6 1 相比采用了半象素的运动补偿，并增加了4 种有效的压缩编码模式。 7 东南大学硕学位论文 h 2 6 4 视频编码标准：h 2 6 4 是由1 s 0 i e c 与i t u t 组成的联合视频组( j v t ) 制 定的新一代视频压缩编码标准。1 9 9 6 年制定h 2 6 3 标准后，i t u - t 的视频编码专家组 ( v c e g ) 开始了两个方面的研究：一个是短期研究计划，在h 2 6 3 基础上增加选项( 之 后产生了h 2 6 3 + 与h 2 6 3 + + ) ；另一个是长期研究计划，制定一种新标准以支持低码 率的视频通信。长期研究计划产生了h 2 6 l 标准草案，在压缩效率方面与先期的i t u t 视频压缩标准相比，具有明显的优越性。2 0 0 1 年，i s o 的m p e g 组织认识到h 2 6 l 潜 在的优势，随后i s o 与i t u 开始组建包括来自i s o i e cm p e g 与i t u tv c e g 的联合视 频组( j v t ) ，j v t 的主要任务就是将h 2 6 l 草案发展为一个国际性标准。于是，在 i s o i e c 中该标准命名为a r c ( a d v a n c e dv i d e oc o d i n g ) ，作为m p e g 一4 标准的第1 0 个选项：在i t o - t 中正式命名为h 2 6 4 标准。 2 1 3 压缩标准的选择 在m p e g 系列标准中，m p e g 一1 和m p e g 一2 的压缩率用在储存媒体上是足够了。但是 运用在网络传输上还是太低，尤其是无线通讯方面。而m p e g 一7 和m p e g 一2 1 是属于未 来的标准。m p e g 一4 标准的设计目标使其具有更广的适应性和可扩展性：m p e g 一4 传输 速率在4 8 0 0 - - 6 4 0 0 0 b p s 之间，分辨率为1 7 6 x1 4 4 ，可以利用很窄的带宽通过帧重建技 术压缩和传输数据，从而能以最少的数据获得最佳的图像质量，满足无线移动视频通 信的要求。 在i t u 系列标准中，h 2 6 1 是i t o t 针对可视电话和电视会议、窄带i s d n 等要求实 时编解码和低延时应用提出的一个编码标准，不适合用于无线通信；f i 2 6 3 与h 2 6 1 相比，增加了若干选项，提供了更灵活的编码方式，压缩效率大大提高，更适应网络 传输。h 2 6 4 标准的推出，是视频编码标准的一次重要进步，它与现有的m p e g 一2 、 m p e g 一4 及h 2 6 3 相比，具有明显的优越性，特别是在编码效率上的提高，使之能够用 于许多新的领域，包括移动通信领域。 在本系统中，要求在无线接入速率为i m b p s 的情况下进行视频图像的实时移动传 送，并且要保证好的图像质量。由以上讨论可知，m p e g 一4 和t t 2 6 4 标准满足此要求。 h 2 6 4 标准虽然比m p e g 一4 具有更好的功能，但是由于其算法过于复杂，还没有在实际 中得到应用。然而m p e g 一4 作为视频压缩标准已经被用于无线移动通信中，因此在本系 统中采用了m p e g - 4 标准。 2 2 串行通信方式的选择 目前新型总线接口有两种：u s b 和i e e e l 3 9 4 接口。它们都支持即插即用，具有易 扩展、使用方便、成本低等特点。在此系统中，哪种通信方式更为合适呢，下面简单 讨论一下。 8 第二章系统设计 2 2 1u s b 总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线协议是以 n t e l 为主并有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 以及日本n e c 共七家公司共同制定的串行接口标准，1 9 9 4 年1 1 月制定了第一个草案，1 9 9 6 年2 月公布了u s b 规范版本1 0 。u s b 可把多达1 2 7 个外 设同时连接到你的系统上，所有的外设通过协议来共享u s b 的带宽。在1 9 9 9 年2 月发布 的u s b 规范版本2 0 n 案中已建议将1 2 m b p s 的带宽提升至1 1 4 8 0 m b p s 。u s b 允许外设在主机 和其它外设工作时进行连接、配置、使用及移除，即所谓的即插即用( p l u g p l a y ) 。 同时u s b 总线的应用可以清除p c 上过多的i o 端口，而以一个串行通道取代，使p c 与外 设之间的连接更容易。 2 2 1 1i j s b 的物理接口 u s b 的物理接口包括电气特性和机械特性两个部分 u s b 通过一个四线电缆来传输信号与电源，如图2 1 所示。 5 m m n “ 曰 d d g n d v b m d - d a n d 图2 1u s b 电缆定义 其中d + 和d _ 是一对差分的信号线，而v b u s 和g n d 贝t | 提供了5 v 的电源，它可以给一些 设备( 包括h u b ) 供电，当然要有一定的条件限制。 目前普遍流行的u s b 规范是u s b l 1 ，u s b l 1 标准接口传输速率为1 2 m b p s 。理论 上可以支持1 2 7 个设备，通过u s bh u b ( 即u s b 扩展器) 连接多个周边设备，连接线 缆必须使用带有屏蔽的双绞线而且最长不能超过5 m ，这主要是由于信号衰减的限制。 为了提供信号电压保证以及与终端负载相匹配，在电缆的每一端都使用了不平衡的终 端负载，这种终端负载也保证了能够检测外设与端口的连接或分离，并且可以区分高 速与低速设备。 u s b 2 o 技术规范是有由c o m p a q 、h e w le t tp a c k a r d 、i n t e l 、l u c e n t 、m ic r o s o f t 、 n e c 、p h i l i p s 共同制定、发布的，规范把外设数据传输速度提高到t 4 8 0 m b p s ，是u s b 1 1 设备的4 0 倍。 2 2 1 2u s b 总线拓扑结构 u s b 总线的物理连接是一种分层的菊花链结构，集线器( h u b ) 是每个星形结构的中 心，p c 机就是主机和根h u b ，用户可以将外设或附加的h u b 与之相连，这些附加的h u b 可 以连接另外的外设以及下层h u b 。一个h u b 可以多接几个外设，还可以：扣联h u b ，但向 下串联小能超过三层。此外，l s b 标准还规定，所有装置的连线不得超过j 米，这样也 9 东南大学硕t 学位论文 就意味着所仃外设向外的长度不能超过2 0 米。 u s b 支持最多5 个h u b 层以及1 2 7 个外设。图2 2 描述t u s b 总线的拓扑结构，从中可 以看出每一段的连接都是点对点的。 3 t i e r 4 图2 2u s b 总线的拓扑结构 h u b 在u s b 结构中是一个关键，它提供了附加的u s b 节点，这些节点被称为端口 ( p o r t ) 。图2 3 是一个典型的h u b 。 图2 3 典型的u s bh u b 根据端口在总线拓扑体系中的位置和功能的不同，端口又分为上行端口 ( u p s t r e a mp o r t ) 和下行端口( d o w n s t r e a mp o r t ) 。h u b 的上行端口用于与上层h u b 或根h u b 相连，下行端口则用于与下层设备相连。h u b 可以检测出每一个下行端口的状 态，并且可以给下层的设备提供电源。 h u b 可以是独立的硬件设备，也可以嵌入到u s b 设备中去成为普通u s b 设备的一部 分，这类设备的特点是除了具有与上层h u b 相连的一个上行端口以外，还同时提供与 下层设备相连的下行端口。 1 0 第二煮系统设计 2 2 1 3u s b 的传输方式 u s b 的传输类型共有四种，分别是控制传输( c o n t r o lt r a n m e f ) 、中断传输 ( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 、块传输( b u l kt 1 a n s f e r ) 以及同步传输( i s o c h r o n o u s t r a n s f e r ) 。其中，需要特别注意的是悛速装筐仅支持控制型传输与中断型传输而已。 以卜将分别简述各个传输的特性。 控制传输 控制传输属于双向传输，用来支持介丁主机与装置之间的配置，命令或状态的通 讯。控制型传输包含了三种的控制传输型态：控制读取、控制写入以及无数据控制。 其中，又可再分为2 3 个阶段：设定阶段、数据阶段( 无数据控制没有此阶段) 以及 状态阶段。在数据阶段中，数据传输( i n 叫t 执照封包) 是以设定阶段中所设定的方 向作数据传输，而在状态阶段中，装置将传回一个握手信号给主机。控制传输如图 2 4 所示。 匣固回 图2 4 控制传输 而每一个u s b 装置需要将端点0 作为拧制传输的端点，每当装置第一次连接到主 机时，控制型传输就可用来交换信息，设定装置的地址或是读取装置的描述符与要求， “l 于控制犁传输非常的蕈要，所以u s b 必须确保传输的过程没有发生任何的错误。这 个侦错的过程可以使用c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ；循环检测) 的错误检查方式， 如果这个错误尤法恢复的话，只好再重新传送次。 中断传输 东南大学硕士学位论文 a 于i s b 不支持硬件的【f 1 断，所以必须靠k 上机以周期性地力+ 式加以轮询，以 便如悉足代有装崔需要传送数抛给p c 。由此也n f 如道，中断传输仅足一静“轮淘” 过群，而非过去我们所认锚的“中断”功能。而轮询的周期种常的重要，因为如果人 低的话，数据可能会流失掉，但反之太高的话，则又会占左太多的总线的频宽。 对于全速装冒( 1 2 m b p s ) 而言，端点可以订定l m s 至2 5 5 m s 之1 日j 的轮询问隔。因此， 换算町得全速装置的最快轮淘速度为1 k h z 。另外对j - t e 速的装置而言，仅能订定l o m s 至2 5 5 m s 的轮询问隔，如果因为错误而发牛传送失败的话，可以在下一个轮询的期问 重新再传送一次，而应用这炎型传输的有键盘，摇朴或鼠标等称之为人枫接口装景 ( h i d ) 。其中，键盘是一个很好的应耀例，当按键被按下后，可以经由p c 主机的轮询 将小量的数据传回给主机，进而了解到那个按键刚被按下。中断传输如图2 5 所示。 圃囵 图2 5 中断传输 批量传输 属于单向或双向的传输，顾名思义，这类型的传输是用来传送大量的数据。虽然 这些大量的数据须准确地传输，但是并无传输速度上的限制( 即没有固定传输的速 率) 。这是因为这类型的传输是针对朱使用到的 s b 频宽提出要求的，而根据所有可 以使用到的频宽为基准，不断地调整本身的传输速率。如果因为某些错误而发生传送 失败的话，就重新再传一次，应用这类犁的传输装置有：打印机或 j 描仪等。其中， 打e p i , 是一个很好的应用例，它须要准确地传送大量的数据，但却无需实时地传送。 批量传输如图2 6 所示。 图2 6 批量传输 同步传输 可以是睁向或双向的传输。此种传输需要维持定的传输速艘，且可以默许错误 的发2 扛。它采片j 了事先与p c 主机协议好的固定频宽，以确保发送端与接收端的速率 1 2 第二章系统设计 相互吻合。为了减少内部的事务操作，同步传输没仃握手信号( a c k x a k s f a l l ) ， 如图2 7 所示，也不其：有重发机制。错误检测受限1 ：1 6 位的c r c 。同步传输不使崩 数据轮换f 讧机制，同步数据只使用d a t a op 1 d 标志。而应用这类型的传输装置有：u s b 麦克风、喇叭或者m p e g 等装置，如此可以确保播放的频率不会被扭曲。在此设计 中，应用的就是同步传输类型。 图2 7 同步传输 2 2 1 a1 j s b 内核 在每一个u s b 设备中都有一个串行接口引擎( s i e ) 。s i e 与u s b 数据线的d + 和 d - 两个引脚相连，与u s b 设备进行字节传送。图2 8 表示一次1 j s b 块传输，时间顺序 从左到右。s i e 对p i d 信息包进行解码，并使用传送的c r c 位对数据进行错误检测， 然后将有效数据送到u s b 设备。如果s i e 检测到一个出错的数据，它并不是发出一个 握手p i d ，而是自动地不进行响应，以通知主机延时重发。 o u t雠 令牌包 ，a 1 有效数据1 ： j ii ： 数据包 一 一 卜一 。一l 1 串行数据引擎 。一又 ( s i e l 一 u s b 图2 8s i e 的功能 批量传输，如图2 6 中所示，都是异步传输。这表示它们都采用了使用a c k 和 n a k 握手p i d 的数据流控制机制。当s i e 向主机发送一个n a k 握手信息包时，表示 “忙”。当外设传输数据成功，会命令s i e 发送一个a c k 握手信息包，表示发送成功。 1 3 东南大学硕士学位论文 为了向主机发送数据，s i e 接收来自u s b 设备的数据字节和控制信号，将它们变 为b s b 传输格式，并通过两根数据线发送。因为b s b 传输采用的编码方式是, 、r z i ( 反 向归零制) 编码方式，所以s i e 还必须在数据流的适当位置上插入位，以确保数据发 送的完整性。这种方法称为“位填充”，由s i e 自动完成。 2 2 1 5u s b 主机 主机是控制器是一个基本的u s b 概念。确切地说，在u s b 系统中只有一个控制器， 即主机，u s b 设备相应主机请求看上去u s b 好像是一个同级的拓扑结构，可以在u s b 设备本身之间发送信息，但实际上，u s b 设备是不能在他们自己之间发送信息的。 只有一种情况，u s b 设备能够在没有主机的驱动下，初始化信号，即在被主机设 置为低功耗挂起状态后，设备发出一个唤醒信号，这是“拉动主机链”唯一的办法。 其他事件的发生是由于主机发出设备请求，而设备相应这些请求。 采用这种主机中枢模式有一个很重要的原因。u s b 的设计者非常重视成本，而制 造低成本的最好方法是将大部分性能集中在主机一方，也就是在p c 上。如果u s b 被 定义成同级的，那么每一个u s b 设备就需要有更多的处理功能，成本也就相应地提高 许多。 主机是控制器这一说法包括两个重要概念。 ( 1 ) 从主机接收数据 为了向u s b 外设传送数据，主机发出一个带o u t 令牌的数据包。如果外设有空闲 时间接收数据，并且接收无误，就返回一个a c k 信号给主机：如果外设处于“忙”状 态，就返回一个n a k 信号：如果外设发现数据有错误，则不发出相应信号。对于后面 两种情况，逐级延迟一段时间后重发数据。 ( 2 ) 向主机发送数据 u s b 设备从不主动向主机发送数据。然而在e z u s b 芯片中并不能够阻止8 0 5 1 将 发送给主机的数据装入端点缓冲器中，为传输做准备。但是数据会一直保留在缓冲器 中，直到主机向指定的端点发送一个i n 令牌。如果主机一直不发出i n 令牌，数据将 一直位于缓冲区中。 2 2 _ 1 6u s b 设备 u s b 物理设备由u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功能块构成。u s b 设备提供的功 能类型范围很广，如打印、视频、音频等功能。然而，所有的u s b 物理设备对主机有 着相同的基本接口。这就允许主机以相同的方式管理u s b 设备中与u s b 相关的部分。 第二章系统设计 为帮助主机识别和配置u s b 设备，每个设备都带有与配置相关的信息。公共的信 息是所有逻辑设备通用的，另一些信息则是由设备提供的功能所特有的。这些信息的 具体格式依赖于设备类型的变化。 2 2 2 i e i z e l 3 9 4 总线 i e e e1 3 9 4 的起源可以追溯到1 9 8 6 年，当时美国电子电机工程师协会i e e e 的计 算机系统委员会针对工业用计算机的诊断总线进行标准化作业，并于1 9 8 6 年9 月成 立i e e e1 3 9 4 委员会，着手进行串行总线的规格标准化。1 9 9 5 年i e e e1 3 9 4 规格正 式制定，其制定的数据传输速率为1 0 0 、2 0 0 及4 0 0 m b p s ( m e g ab i t s p e rs e c o n d ) ， 最大连接距离为4 5 米，其后不久又推出修正案i e e e1 3 9 4 a ，补充了原先i e e e 1 3 9 4 1 9 9 5 标准中不足的地方；2 0 0 2 年问世的t e e e l 3 9 4 b 是能够实现8 0 0 m b p s 和 1 6 g b p s 传输速度的高速通信方式，并且有希望在将来达到3 2 g b p s 的高速。 2 22 1i e e e1 3 9 4 架构 i e e e1 3 9 4 的网络共有三层，分别是物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 、链接层( l i n k l a y e r ) 及传输层( t r a n s a c t i o nl a y e r ) ，其架构如图2 。9 所示。 图2 9i e e e1 3 9 4 架构 ( s b p 一2 ：s e r i a lb u sp r o t o c o l - 2 ，是i e e e1 3 9 4 使用s c s i 指令集的协定) 物理层定义了传输信息的电子信号及机械的接口，它位于整个传输接口的最底 层，主要的功能为数据的编码、译码与总线的判断，而其连接器分为四接脚及六接脚 两种规格，四接脚连接器需搭配四蕊的缆线( 为两对双绞线) ，六接脚连接器需搭配 六蕊的缆线，六蕊缆线由一对的电源线和两对双绞线组成( 如图2 1 0 所示) ，其最 大输出电压规格为直流4 0 伏特，最大输出电流为1 5 安培，因此连接于该总线上的 设备可以使用上游设备提供的电源或使用自备的电源；两对双绞线一为数据线、一为 控制信号线，并采用差动输出的方式藉由双绞线传递，如此可以具有较佳的抗噪能力。 1 5 东南大学硕士学位论支 i e e e l 3 9 4 电缆剖面图 电源线对 屏蔽层 信号线对a 信号线对b 图2 1 0i e e e l 3 9 4 电缆剖面图 链接层主要功能为封包接收( p a c k e tr e c e i v e r ) 、封包传送( p a c k e tt r a n s m i t t e r ) 与周期控制( c y c l ec o n t r 0 1 )