USB的数据传输.doc

塔里木大学信息工程学院USB 数据传输系统USB 接口是一种总线接口标准，以其高速、稳定、易于扩展、兼容性强和即插即用等特点，赢得了市场认可并得到普及，已经广泛应用于数据传输、图像采集等领域。为解决实验室所开发的动态测试系统与计算机的数据通信问题，提出并设计了 USB2.0数据传输接口，并在硬件和软件方面给予了优化和改进，很大程度地提高了 USB 数据实时传输的速度，而且已经成功应用于无线实时数据传输系统和红外数据传输系统中，完全实现了系统设计的预期目标和功能。一、数据传输系统工作原理我们已在“200帧/秒连续图像分频采集系统”中，利用Cypress公司的EZ-USB开发板AN2131Q成功地开发出USB接口来传输图像数据，其传输速度达到10Mbps。若要获得更快的传输速度，可采用USB2.0芯片，它的速度最高可达到480Mbps。基于USB的特性及优点，目前各个厂家都在为抢占市场积极地开发、生产USB设备。可以预见，随着USB2.0标准的发布以及USB2.0芯片生产的批量化，USB的应用必将越来越广泛。 “200帧/秒连续图像分频采集系统”需要传输的每幅图像的大小为256256(数据量为64K)。由于我们已将EZ-USB开发板的内存扩展为64K双口RAM，而且分为高、低32K来并行存取数据，所以我们在计算机读取数据时每次读取32K，这样就可以大大提高传输速度。当计算机发出读取数据命令前，开发板上的单片机不工作；当计算机发出读取数据命令时，开发板上的单片机也同时开始工作，它主要完成将扩展内存的数据传输给SIE，然后数据在SIE中进行处理后经USB电缆传给计算机，最后在计算机中进行实时显示。二、数据传输系统工作方式新型的通用串行总线USB，具有数据传输速度快、兼容性强、即插即用等优点，已经广泛应用于数据传输、图像采集领域。可以满足实验室的要求。本实验室开发的动态存储测试仪器，过去主要采用计算机老式接口进行通信，其数据传输速率相对较低，不能满足大容量存储测试仪器数据传输的要求。联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。一个指定的USB设备可有许多通道。例如，一个USB设备存在一个埠，可建立一个向其它USB设备端口发送数据的信道，它也可建立一个从其它USB设备端口接收数据的信道。USB的结构包含四种基本的数据传输类型：控制数据传送、批量数据传送、中断数据传送、同步数据传送。（a）控制传送当USB设备初次安装时，USB系统软件使用控制数据对设备进行设置，设备驱动程序通过特定的方式使用控制数据来传送，数据传送是无损的。在设备连接时用来对设备进行设置，还可对指定设备进行控制，如通道控制。（b）批量传输批量数据是由大量的数据组成的，如使用打印机和扫描仪时，批量数据是连续的。在硬件级上可使用错误检测保证可靠的数据传输，并在硬件级上引入了数据的多次传送。此外根据其它一些总线动作，被大量数据占用的带宽可以相应地进行改变。用于传输大量连续无误的数据，在硬件级上使用错误检测可以保证可靠的数据传输，并在硬件级上引入了数据的多次传送。（c）中断传输中断数据是少量的，且其数据延迟时间也是有限范围的。这种数据可由设备在任何时刻发送，并且以不慢于设备指定的速度在USB上传送。中断数据一般由事件通告、特征及坐标号组成，只有一个或几个字节。匹配定点设备的坐标即为一例，虽然精确指定的传输率不必要，但USB必须对交互数据提供一个反应时间的最低界限。中断数据是少量的，且其数据延迟时间也是有限范围的。可用于传输需要及时处理的数据。（d）同步传输等时传输用于连续稳定传输数据，对传送延迟非常敏感但对数据的正确性要求不高。等时传输以固定的传输速率，连续不断地在主机与设备之间传输数据。同步数据的建立、传送和使用是连续且实时的，同步数据是以稳定的速率发送和接收实时的信息，同步数据要使接收者与发送者保持相同的时间安排，除了传输速率，同步数据对传送延迟非常敏感。所以同步通道带宽的确定，必须满足对相关功能部件的取样特性。不可避免的信号延迟与每个端口的可用缓冲区数有关。一个典型的同步数据的例子是语音，如果数据流的传送率不能保持，数据流是否丢失将取决于缓冲区的大小和损坏的程度。即使数据在USB硬件上以合适的速率传送，软件造成的传送延迟将对那些如电话会议等实时系统的应用造成损害。实时地的传送同步数据肯定会发生潜在的瞬时数据流丢失现象，换句话说，即使许多硬件机制，如重传的引入也不能避免错误的产生。实际应用中，USB的数据出错率小到几乎可以忽略不计。从USB的带宽中，给USB同步数据流分配了专有的一部分以满足所想得到的传速率，USB还为同步数据的传送设计了最少延迟时间。三、USB技术的应用（a）USB OTG接口技术在数据传送中的应用USB OTG(Universal Serial Bus On-The-Go)是近年发展起来的技术，主要应用于各种不同的设备或移动设备间的联接，进行数据交换，特别是PDA、移动电话、数码设备。改变了如数码照相机、摄像机、打印机等设备间多种不同制式连接器，和多达7种制式的存储卡间数据交换的不便。USB技术的发展，使得PC和周边设备能够通过简单方式、适度的制造成本将各种数据传输速度的设备连接在一起，上述我们提到应用设备，都可以通过USB总线，在PC的控制下进行数据交换。但这种方便的交换方式，一旦离开了PC，各设备间无法利用USB口进行操作，因为没有一个从设备能够充当PC一样的Host。On-The-Go，即OTG技术就是实现在没有Host的情况下，实现从设备间的数据传送。USB OTG规范是USB2.0规范的补充而不是替代品。PC主机和标准外设并没有被取代，因为新的OTG仅适用于需要具有主机功能和更小体积的便携式设备。OTG在这些外设间引入了点对点的通信方式，这使得便携式仪器的发展有了更加广阔的空间。USB OTG已受到Cypress等芯片供应商、软件开发商和设备制造商的广泛支持，OTG不久将会成为新一代的“移动数据传送”最好的解决方案。（b）USB技术及其在图像数据传输中的应用在USB出现以前，计算机的典型接口有并行口(打印口)、串行口、鼠标口、键盘口、显示器口、游戏口及各种卡式接口(如声卡、网卡)等，与这些接口对应的有各种不同的电缆。在传输速度方面，这些接口都存在速度偏低的问题；在技术方面，这种设计容易产生I/O冲突、中断(IRQ)不够用，以及对于每一种新的外设都必须设计新的接口卡等缺点。当今的计算机外部设备，都在追求高速度和高通用性。尤其是用户在进行数字图像的数据传输以及处理时，需要计算机和日益复杂的外设之间进行实时通信，这对计算机和外设之间的接口就有了更高的要求。而USB接口适应了这种要求，并以其速度快、使用方便、成本低等优点逐渐成为计算机的标准配置端口甚至可能替代绝大多数传统接口。（c）在文件传输模块中的应用通过USB传输线在内网服务器和外网服务器之间传输文件；采用WinUSB架构，支持Windows XP，Win-dows 2003，Windows Vista操作系统；支持USB2.0协议，实验室环境下平均传输速度可达28 Mbit/s；支持双向传输；通过文件夹监控方式支持文件自动传输；支持文件类型过滤和文件大小过滤，支持任意类型和任意大小的文件；支持文件正确性校验（MD5码校验）；支持传输完成后对源文件的处理，如备份或删除；有详细的日志记录。提供B/S面向外网和非编制作及新闻媒资网的访问页面，用户通过登录，访问指定文件夹，并仅对该文件夹进行维护和管理，每个人登陆之后就只能看到和访问自己的文件夹，且仅对自己的文件夹内容具有添加、修改和删除的权限。整个系统全程需要防病毒软件运行，一旦有新的文件加入，就需要先进行杀毒，再通知交换中心服务器，告知现在有新文件加入，需要交换中心服务器来取这个文件。这里使用USB连接的传输方式。同时在交换网关服务器上也有一份与交换中心服务器上完全相同的目录结构，即在交换网关服务器上监控着接收网关服务器上面的一个文件夹，当有新内容时，在交换中心服务器上。通过USB连接的方式把新增加的内容移动过来，同样在交换网关服务器上同时运行杀毒程序，进入的文件也先要进行杀毒。病毒定义库的更新也由网管来进行管理。四、USB接口技术的发展与展望USB是一种复杂的传输协议，这给USB接口的设计和开发带来很大难度。在应用层对数据采集系统进行USB接口设计时，可以选择集成USB协议的专用芯片进行二次开发应用，从而降低了系统开发难度。FT245BM符合USB1. 1规范，具有功能强、体积小、传输速度快、易于与微处理器接口等特点，非常适合接口设计。而且FT245BM大大简化了外围电路，使接口设计更趋于小型化。USB接口技术目前已得到广泛的应用，USB2.0协议是2004年4月发布的一个标准，它在USB1.0的基础上有了质的提高，其理论传输速度可到480Mbps美国Cypress公司推出的usb2.0控制器EZ-USB-FX2是世界上首片集成了usb2.0接口和增强型8051内核的芯片，代表了业界的尖端水准，它的高度集成化和独特的设计结构保证了usb2.0协议的480Mbps的传输速度的实现。在EZ-USB-FX2之前的EZ-USB系列芯片需要微处理器参与端点FIFOS与外围电路间的数据传输，在usb2.0的480Mbps的传输速度下，如果微处理器也参与数据的传输过程，微处理器的处理速度必将成为整个系统的瓶颈。为此，Cypress的EZ-USB-FX2提供了一种独特的架构，使得USB接口和应用环境直接共享FIFOS，微控制器可以不参与数据的传输，但可以以FIFOS或ram的方式访问这些共享FIFOS这种被称作“量子FIFOS”的模式很好地解决了usb高速模式的带宽问题。Cypress的EZ-USB-FX2仿真系统为用户提供了完善的开发工具，其开发包中包括一个控制面板、一个通用驱动程序和一个固件程序框架。用户开发USB设备可按如下过程进行：首先可以借助Cypress提供的控制面板control panel来进行设备端固件的调试。等固件调试通过后，再用调通的固件去配合主机应用程序的调试。Cypress的开发包为用户提供了通用驱动程序GPD，这样主机应用程序、驱动程序和设备固件的开发和调试是相互独立的，一部分一部分地完成，可加快用户的开发进度。控制芯片为CY7C68013，这款芯片满足USB2. 0规范，自带增强型51内核。它除了完成与主机的USB通信工作，同时也是红外编解码的主控芯片。为了帮助用户开发设计，Cypress公司提供了一整套的工具链以及各种应用的示例程序。固件主要完成USB协议的实现工作，同时也完成红外通信的相关处理。USB通信有控制传输、块传输、中断传输、同步传输4种方式，根据我们实际需要，选择了块传输的方式，固件程序在厂家提供的例子程序bulkloop的基础上编写。EZ-USB是Cypress公司推出的USB开发系统，它针对不同的系统提供相应的16种不同的产品系列。它为实现USB外设提供了一种很好的集成化的解决方案。它的主要优点为:提供基于RAM的“软体”解决方法，并允许无限制地配置和升级；EZ-USB有很强的数据吞吐能力，使用EZ-USB的设计者不会因管脚的数量、内存的大小以及传输速度不能满足而受到限制；EZ-USB在其内核里已做了大量的烦琐的、重复性的工作，这样一来就简化了开发代码，进而也就缩短了开发的周期。在开发过程中，需要具备一些必要的工具(如Windows98 PC、Microsoft Visual C+，Microsoft WDMDDK)。Cypress公司的EZ-USB系列(AN21XX)是在以往的USB机制上做了重要的集成化的改进工作(包括增强型的8051核，4，8或者16KB的RAM，以及智能化的USB内核)。以我们使用的EZ-USB开发板(AN2131Q)为例，它以一片全速(12Mbps)USB芯片(80-pin PQFP)为核心，能直接与计算机USB接口相连，另外还有24个I/O脚，16位地址总线和8位数据总线，以便满足外存扩展的需要，配上外围电路及为用户预留的数十个I/O口，为用户完成从板上I/O口到计算机的数据传输。AN2131Q简要结构如图4所示。其中SIE的作用是对串行数据解码和编码、校正错误以及和USB接口以字节方式交换数据等。此外，开发商还为我们提供了配套的开发软件(包括编译软件uVision-51、调试软件dScope-5