USB通讯若干问题探讨.ppt

1、USB通讯若干问题探讨,frank Frank_,主要探讨以下六方面问题,（1）有关USB的背景 （2）有关USB的基本概念 （3）开发USB通讯子系统的流程 （4）开发调试的基本方法与思路 （5）一些现有工作的演示 （6）对现有问题的分析、展望,（1）有关USB的背景,大家生活中常见的与USB有关的东西有： U盘、移动硬件、带USB接口的MP3 USB键盘、Mouse USB接口的打印机 USB接口的数码相机 为什么是USB（通用串行总线），而不是UPB（通用并行总线）？,基于IBM PC的并行设备的缺陷,占用系统资源严重：内存地址、IO、IRQ 不可热插拨 扩展受限(一般仅提供几个PCI和

2、ISA插槽) 硬件软件配置麻烦，存在潜在冲突 接口（ISA、EISA、PCI）不可共享 连接电缆不可共享My Poor Mp3的故事 （下页多张图示说明一些问题）,并行设备的缺点,不同设备占用不用的地址空间和中断,并行设备的缺点,PC机背后的各种接口,怎么办？,？,寻找新的解决方案,USB以其良好的性价折中，从诸多方案中脱颖而出,Gate为表征复杂程度的一个量,USB接口的优势,USB：Universal Serial Bus Host控制器基于PCI,提高了系统性能 即插即用，无需手动设置地址、中断 热插拨，系统不需重启便可工作 易于扩展，理论上可连接多达127个设备 USB2.0以低成本实

3、现高达480Mb/s的传输率（USB1.0的全速设备可达12Mb/s） 接口标准统一、端口供电、,暂新的画面,不久的将来，外设将尽可能地通过USB连接，仅有少数设备需要专门的插槽，如SCSI接口、显示接口和以太网接口。,USB接口与嵌入式系统,与PC接口的嵌入式设备更加方便（如数据采集） USB接口是对串口的替代 具有U盘功能的嵌入式设备文件交换更加方便 具有主机功能的嵌入式设备可读写U盘，数据采取、存储更加方便，适合野外设备 理论上USB可组建高速的网络，且接口带标准5DC电源，易实现模块化,小结一下,基于传统的基于ISA的并行设备连接方式的缺点，以及USB连接方式的优点，使我们产生对USB

4、接口的关注和兴趣，USB正逐渐成为PC连接外围并行设备的一种标准 以至于人们逐渐关注有关USB接口的硬件开发、固件编程及PC端驱动程序、应用程序的编写,主要探讨以下六方面问题,（1）有关USB的背景 （2）有关USB的基本概念 （3）开发USB通讯子系统的流程 （4）开发调试的基本方法与思路 （5）一些现有工作的演示 （6）对现有问题的分析、展望,（2）有关USB的基本概念,USB架构中的三个东西： HOST：USB主控制器，如计算机上的USB口 Device：USB设备，如U盘、移动硬盘、打印机 Hub：USB Hub，主控制器上带一个，市面可买到,某台计算上的设备管理器中的“串行控制器”中

5、内容,PC机上USB接口设备的连接拓扑结构,连接方式,目前，由于USB协议的限制，USB通讯为主从模式，即只有Host与Device之间可以互相通讯 但同时也有厂商推出 On The Go，特定环境下,USB HOST,USB HOST,USB HOST,USB DEVICE,USB Device,USB DEVICE,USB Device,USB DEVICE,USB系统中的通讯流,帧结构,由于有许多设备都接到了USB上，因此每1ms产生的传输帧是混合的。其中中断传输(Interrupt)和同步传输(Isochronous)对时间要求高，因此占用了约90的总带宽，控制传输(Control)占

6、用了约10的带宽，而批量传输(Bulk)则使用剩下的可用带宽,Transaction、Frame、Packet,每个Transaction由三个包组成,包（Packet）的格式,用7个0和1个1作为同步序列,即插即用的实现Descriptor,比如，一个能插放CD的USB接口的CDROM，作为一个设备，它具有两种功能，读取光盘和播放CD，所以有两个配置(Configuration)描述符。一个功能的实现要涉及许多接口，比如当CD播放机使用时，需要音频接口，同时还需要控制CD机的接口。而控制命令接口又由许多端点组成，比如有的端点负责向CD机发送命令，有的接口负责接收来自CD机的反馈,Device

7、、 Configuration、 interface、 endpoint,USB把设备分成了许多类，特定类（class）的设备又可划分成子类（subclass），划分子类的后软件就可以搜索总线并选择所有它可以支持的设备，一个设备只有一个（Device）描述符，它指明了设备所属的类， 每个设备可以有一个或多个配置（Configuration），配置用于定义设备的功能。如果某个设备有几种不同的功能，则每个功能都需要一个配置。配置（configuration）是接口（interface）的集合。接口指定设备中的哪些硬件与USB交换数据。每一个与USB交换数据的硬件就叫做一个端点（endpoint）。

8、因此，接口是端点的集合。USB的设备类别定义（USB Device Class Definitions）定义特定类或子类中的设备需要提供的缺省配置、接口和端点,当设备插入以后,主机(下称H):你是什么设备? 设备(下称D):12 01 0100Device Descriptor H:你有几种功能? D:09 02 09Configuration Descriptor H:每个功能有几个接口? D:09 04 00Interface Descriptor H:每个接口使用哪几个端点? D:06 05 82Endpoint Descriptor H:好了,我知道你是谁了,开始传输数据吧! D:OK

9、, Read Go ,03为String描述符，一般省略不提供,小结一下,USB家族中有三位:主机、设备与Hub，目前常见的是主机与设备，或主机经Hub与设备的连接方式。 On The Go可实现设备直接对连，比如数码相机可直接连到打印机上打印图片 USB通讯过程中，以众多设备共享间隔为1s的帧结构来实现数据通讯,主要探讨以下六方面问题,（1）有关USB的背景 （2）有关USB的基本概念 （3）开发USB通讯子系统的流程 （4）开发调试的基本方法与思路 （5）一些现有工作的演示 （6）对现有问题的分析、展望,（3）开发USB通讯子系统的流程,A.系统结构、功能定义 B.USB接口芯片的选择 C

10、.与MCU的接口电路 D.固件编程 E.若与PC接口，须开发PC端驱动程序与应用程序 F.系统调试,系统结构、功能定义,是要做HOST，还是做DEVICE？ 是做数据采集器（要求实时性）、还是做存储设备？ 是采用USB2.0标准还是USB1.1标准？ 以上问题决定了 接口芯片的选择。,我们所做的工作中，目的是做一个USB存储设备，即U盘，采用USB1.1标准。,B.USB接口芯片的选择,有带USB接口的单片机和专门的USB芯片两种 主要的USB接口芯片提供厂商 CypressSL811，EZUSB PhilipsISP1160，D12 www.philips- 凌阳 这些芯片厂商提供的USB接

11、口芯片各有特色，而且种类繁多,我们的项目中选择了Philips公司的PDIUSBD12 Device接口芯片,与MCU的接口电路,不同的芯片有所不同，一般比较简单,我们使用的是ARM7平台，硬件基本一致,D.固件（FirmWare）编程,前台主程序从数据缓冲区读取数据，负责数据的处理；后台中断服务程序向数据缓冲区中写入数据，负责与接口芯片的数据交换,固件结构,固件具有明显的层交结构，上层结构与具体的硬件连接并不关系，通过改变硬件连线，可轻易将相同内容应用于不同的芯片中,实现U盘功能的Mass Storage协议的处理集中在这个层次,PC端驱动程序和应用程序设计,使用Windriver等工具可快

12、速生成驱动程序 一般硬件厂商都提供本产品的开发评估板（包括固件、驱动程序和PC端应用）、可供参考,Windows环境支持标准的Mass Storage设备，因此我们的项目中不需要在这一层做任何工作,系统固件、PC端软件联调,系统联调、检测工作是否正常，做多方面的测试。 调试过程一般推荐先把嵌入式中的固件（Firmware）调好，然后再调试PC端软件，最后联调,小结一下,开发一个具体的USB项目，最重要的是确定目标，不同的目标，工作量可能相去甚远。 按照正确的流程来开发，可以加速开发过程,主要探讨以下六方面问题,（1）有关USB的背景 （2）有关USB的基本概念 （3）开发USB通讯子系统的流程

13、 （4）开发调试的基本方法与思路 （5）一些现有工作的演示 （6）对现有问题的分析、展望,（4）调试的基本方法与思路,特点： USB通讯过程是一个动态的过程，通讯的建立及通讯过程是动态的 通讯建立过程基于中断响应 需要专门的工具 问题只能发现在调试过程中,基本调试方法,串口输出信息 BusHound软件 在PC上使用的一个共享软件,由Perisoft公司开发,可以对SCSI/IDE,1394及USB总线上的数据进行监控,PC机的串口,ARM的UART接口,PC机的串口,超级终端或串口调试助手软件,实现对ARM平台上程序中Uart_Printf函数输出内容的显示,RS232 接口芯片,向串口输出

14、信息监控程序,void get_descriptor(void) unsigned char bDescriptor = MSB(ControlData.DeviceRequest.wValue); unsigned char bLength = MSB(ControlData.DeviceRequest.wLength); char *temp; if (bDescriptor = USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE) temp=(char *) ,通过串口得到的数据,DEV:18,CONFIG:9,INTF:9,EP:7 bmRequestType=0 x80,bRequ

15、est=0 x6,wValue=0 x100,wIndex=0 x0,wLength=0 x40 12 1 0 1 dc 0 0 10 71 4 66 6 0 1 0 0 0 19 bmRequestType=0 x0,bRequest=0 x5,wValue=0 x1,wIndex=0 x0,wLength=0 x0 bmRequestType=0 x80,bRequest=0 x6,wValue=0 x100,wIndex=0 x0,wLength=0 x12 12 1 0 1 dc 0 0 10 71 4 66 6 0 1 0 0 0 19 bmRequestType=0 x80,bRe

16、quest=0 x6,wValue=0 x200,wIndex=0 x0,wLength=0 x9 Config_descriptor:4 bmRequestType=0 x80,bRequest=0 x6,wValue=0 x200,wIndex=0 x0,wLength=0 xff Config_descriptor:4,从PC机的串口上得到的数据,BusHound软件,小结一下,USB的调试工作是整个开发过程中难度最大、碰到问题最多的。 从理论上讲很简单的问题，会在实际调试中成为整个工作进程的阻碍，比如大小端对齐问题，与所使用编译平台有关的结构体内字节对齐等问题。 而掌握正确的调试手段，

17、才能具体问题具体分析，顺利完成工作。（71）,主要探讨以下六方面问题,（1）有关USB的背景 （2）有关USB的基本概念 （3）开发USB通讯子系统的流程 （4）开发调试的基本方法与思路 （5）一些现有工作的演示 （6）对现有问题的分析、展望,（5）一些现有工作的演示,U盘的演示 U盘调试过程中通过串口输出内容 USB通讯过程中通过Busbhound查看总线数据 嵌入式控制器从U盘的文件系统中读取启动代码启动,U盘的实现,在ARM7平台上,通过Philips公司的D12芯片,实现了Mass Storage协议,功能上相当于U盘 实现了在嵌入式平台上的进行USB设备开发,串口输出信息辅助调试,BusHound软件的演示,嵌入式系统直接从U盘中读取启动代码,小结一下,我们主要基于Philips的D12 Device接口芯片，在ARM7平台上实现了Mass Storage协议下的U盘 主要工作为USB通讯的调试和Mass Storage协议的实现 实现了对FAT16文件系统的操作,主要探讨以下六方面问题,（1）有关USB的背景 （2）有关USB的基本概念 （3）开发USB通讯子系统的流程 （4）开发调试的基本方法与思路 （5）一些现有工作的演示 （6）对现有问题的分析、展望,（6）对现有