（无线电物理专业论文）远程合作计费系统的研制.pdf

山东大学坝 学位论文 摘要 a s p ( 应用服务提供商) 开辟了软件营销的一条好途径，用户通过租用来使用 系统或应用软件。软件提供商通过中央服务器实簏、管理和远程托管套装应用软 件，作为使用该软件的代价，客户支付租用费用。通常采取的是按时、按人或者 固定收费的方法。而在国内，a s p 还远不够成熟，作为a s p 的一种变体合作 计费，是软件租赁的一比较实际的模式。远程合作计费就是通过计算机和网络 技术而非人工来实现合作计费，使得软件提供商不必到现场就可远程查看和控制 软件的使用。 整个系统以智能卡( s m a r tc a r d ) 为核心，配合会话模块和远程管理端软件， 三者协调工作完成对应用软件的控制。智能卡内有非易失性存储器，用来存储软 件的使用信息和用户日志；配有实时时钟用来计时：智能卡通过u s b 接口与上位 机的会话模块进行通讯。会话模块可对应用软件进行加密，并可监控应用软件的 使用情况，将用户日志写入智能卡。远程管理软件可通过w i n s o c k 接口与会话模 块进行通讯，进而操作智能卡，对软件的使用权进行控制。 关键词：远程合作计费智能卡u s b 接口w i n s o c k 通讯 i i i 山东大学硕17 学位论文 a b s t r a c t a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) h a so p e n e dag o o dw a y t os e l ls o f t w a r e t h e c o n s u m e r su s et h es o f t w a r eb y r e n t i n gi n s t e a do fb u y i n gt h e m t h es o f t - w a r ep r o v i d e r s i m p l e m e n t ，m a n a g e ，t r u s ti ns e t so fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ev i at h et h e i rc e n t e rs e r v e r sa n d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o n s u m e r s p a yf o rt h es o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h el u nt i m e ，t h e c o u n to f t h eu s e r o rt h ef i xe x p e n s ei sr e q u i r e d b u tt h ea s pi s n t p e r f e c te n o u g h i no u r c o u n t r y a s a s p sa n o t h e r f o r m ， c o o p e r a t i o nc h a r g es y s t e m i sa p r a c t i c a l m o d e lo fs o f t w a r e h o s t i n g c o o p e r a t i o n t e l e c h a r g es y s t e mc a l lm a n a g et h es o f t w a r ev i ac o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y i n s t e a do fm a n u a l o p e r a t i o n i ti sn o tn e c e s s a r yt h a tt h ev e n d e r sg o t ot h ef i e l dt og e tt h e s t a t u so fs o f t w a r el e a s i n g a st h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e m ，t h es m a r tc a r dm a s t e rt h ec l i e n ts o f t w a r e c o o p e r a t i n gw i t ht h ec o n v e r s a t i o nm o d u l e a n dt h et e l e c o n t r o lm o d u l e t h es m a r tc a r d h a sa l a r g en o n v o l a t i l em e m o r y ，a r e a lt i m ec l o c ka n dt h eu s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i n t e r f a c e t h en o n v o l a t i l em e m o r yi sf o rs t o r i n gt h eu s e r s i n f o r m a t i o na n dl o g s ，a n d t h er e a lt i m ec l o c ka p p l yt h eb e n c h m a r ko ft h es m a r tc a r dc o m m u n i c a t i n gw i t ht h e c o n v e r s a t i o nm o d u l ev i at h eu s bi n t e f f a c e t h ec o n v e r s a t i o nm o d u l ec a n e n c r y p t ，w a t c ha n d d o m i n a t et h es o f t w a r e t h el o g s a r ew r i t t e nd o w nt ot h es m a r tc a r d a l s o ，t h ec o n v e r s a t i o nm o d u l ec a l lc o n n e c tt ot h e t e l e c o n t r o lm o d u l ev i at h es o c k e t i th e l pt h er e m o t ec o n t r o li sp o s s i b l e k e y w o r d s ：a s p , s m a r tc a r d ，u s bi n t e r f a c e ，w i n s o c k e t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名； 盘立幺0日期：銎丝= ! 。臣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者躲斟斗导师虢魈期：堡垒：兰夕 山东大学硕l 学位论文 1 1 a s p 的定义 第一章绪论 第一节a s p 软件租赁 a s p ( 应用服务提供商) 诞生于美国，继而在日本、欧溯等i t 产业高度发达的 国家和地区迅速发展。关于a s p 的定义，一直存在很大争议。就目前而言，最简单 的a s p 是一种第三方服务公司。它以租赁方式，通过中央服务器实施、管理和远程 托管套装应用软件。作为使用该软件的代价，客户支付租用费用。 a s p 是从一个共享数据中心，通过i n t e m e t 、a t m 、帧中继乃至专线网络向多个 企业用户提供租用应用的公司。租用的应用一般通过下列三种方式之一从用户的p c 进行访问：通过标准w e b 浏览器、客户机或专用应用客户机。 1 2基于a s p 的软件营销模式 软件和互联网结合开辟了软件营销的一条好途径。最早有a s p 模式。就是软件 提供商通过基于w e b 的界面提供一个整体定制的解决方案，它甚至根本不用在客 户的计算机上安装软件通常使用定期收费模式。 这样用户就不用购买昂贵的系统或应用软件，摆脱了沉重的正版产品购买费用 的负担，可以少量花费而方便地得到并尝试使用最新的产品。例如一个用户使用该 服务，下载的软件使用1 个小时。价钱只相当于市价的千分之几这之间的巨大差 异可想而知。通过这种系统发行的软件的价格使得盗版软件的价格优势不复存在， 盗版丧失了生存空间，开辟了打击盗版，维护开发者利益的新途径，有人说：“a s p 敲响盗版软件的丧钟”。 在国外a s p 已经成为潮流，采取的是按时、按人或者固定收费的方法，微 软n e t 策略中的关键部分就是软件销售价格”年费”制，即软件出租服务。而o r a c l e 的b u s i n e s s o n l i n e 提供租用和代管软件的服务是其增长最快的业务。个人方面，2 0 0 2 山东大学硕士学位论文 年第l 周全美出租游戏软件支出达2 2 6 0 万美元，蔚为可观，相比之下，国内在这一 方面的应用还亟待提高。 1 3 国内a s p 的现状 国内a s p 还远不够成熟，主要体现在： 1 ) 网络状况还远远不能满足要求，首先是i n t e m e t 网络还没有足够的带宽，其 次是网络通信费用。一次性投资成本与投资风险降低的同时，信息系统运行 成本却在提高，只有低廉的网络通信费用才能保证a s p 给用户带来实际的经 济效益。 2 ) 缺乏合格的a s p 厂商，作为一个a s p 需要具备多方面的条件，例如拥有足 够的带宽和接入资源，拥有完全支持w e b 的应用软件以及良好的服务能力 ( 包括系统集成、咨询、客户服务等) 3 ) 缺乏可用的软件，安装在a s p 服务器上的应用软件应1 0 0 支持i n t e m e t 计 算，a s p 软件还要具有跨平台的功能和很好的扩展性。 4 ) 缺乏安全和可靠的服务，一个公司将重要的商业数据外包给a s p ，必须要确 保数据不被第三方获得或者受到黑客的攻击，并且保证网络7 x 2 4 小时可用。 另外，人们对外包的接受程度差强人意除了人们喜欢拥有和控制的天性之外， 大多数企业还不习惯接受和使用外包，对于将自己的核心应用系统以及生死攸关的 经营数据交给别人去管，还心存疑虑。 第二节远程合作计费 基于以上种种原因，我们设计了比较适合我国现状的“远程合作计费系统”，它 是a s p 的一种变体隶属于a s p 范畴，是软件租赁的一种比较实际的模式。客户 可以不必支付软件的版费，而是按使用情况( 比如时间、次数) 支付相应的费用。 软件厂商通过“远程合作计费系统”查看软件使用情况和控制软件的使用。客户可 山东大学坝i 。学位论文 选择现金、汇款或网上银行等多种支付手段。当然这种交易的实现是以可靠的加密 技术为保障的。 远程合作计费系统整合了硬件加密、网络通信、身份认证等技术，该系统以u s b 智能卡为核心，主要有三大功能： ( 1 ) 加密应用软件 ( 2 ) 存储系统日志 ( 3 ) 远程数据传输和管理。 山东大学碳 。学位论文 第二章总体设计 远程合作计费系统从结构上可分为三大部分：u s b 智能卡、会话模块、远程管 理软件。软件提供商提供给客户应用软件和本系统的客户端部分，即u s b 智能卡和 会话模块。u s b 智能卡是插在运行应用软件的计算机u s b 接口上的硬件模块，会话 模块是运行在客户计算机上的监控程序远程管理软件是运行在软件提供商计算机 上的管理程序。本系统结构框图见图2 - 1 图2 1 远程合作计费系统逻辑结构 山东大学倾 。学位论文 ( 1 ) u s b 智能卡 u s b 智能卡内置微控制器m c u 可进行较复杂的加解密运算，其安全性比一 般的加密狗有很大的提高，因此可实现应用软件的硬件加密。硬件加密改善了软件 加密强度不过硬，容易被破解的确点。m c u 还控制着对内部大容量非易失性存储器 e e p r o m 读写。e e p r o m 用来存储系统信息和用户曰志。系统信息包括：智能卡的 i d 号、加密信息、软件租期，软件运行的总时间、软件有效性等。u s b 智能卡的结 构框图如图2 2 图2 - 2 智能卡的结构框图 u s b 智能卡采用的主要技术有： 1 1 数据交换随机噪声技术：有效地对抗逻辑分析仪分析及各种调式工具的攻 击。 2 ) 迷宫技术：在程序入口和出口之间包含大量判断跳转干扰，动态改变执行次 序，提高抗跟踪能力。 3 1 设有时间闸，各种操作必须在规定的时间内完成。u s b 智能卡正常操作用 时很短，但跟踪时用时较长超过规定时间u s b 智能卡将返回错误结果。 4 ) 智能卡硬件不可复制。 山东大学硕：卜学位论文 5 ) 遵从u s b l 1 、p c s c 等国际标准，确保与系统及其他外设相互兼容 ( 2 ) 会话模块 会话模块是智能卡、应用软件、远程管理软件联系的纽带。会话模块通过智能 卡验证应用软件的合法性；管理用户的登陆：监控应用软件的使用，并将信息记录 到智能卡中；并可以与远程管理软件通过w i n s o c k 通讯。远程管理软件通过会话模 块完成对u s b 智能卡的管理。当然会话模块与智能卡和远程管理软件之间的通讯是 加密的。会话模块可单独运行，可方便移植到其他程序。 ( 3 ) 远程管理软件 远程管理软件可通过w i n s o c k 与会话模块通讯，读取和改写u s b 智能卡存储区 的各种信息，控制用户对软件的使用权。这样软件提供商可方便了解客户对自己产 品的使用情况和对软件进行远程管理。远程管理软件与会话模块的通讯是基于 s e r v e r c l i e n t 体系的远程管理软件作为s e r v e r 端软件时刻在特定端口侦听来自 i n t e r n e t 上的连接，一旦发现有c l i e n t 端的请求为这个请求启动新的一个线程，直到 会话结束。 远程合作计费系统的工作流程大致如下：应用软件在编译的时候被嵌入一段 l o a d e r 程序，当它运行的时候首先运行l o a d e r 程序，l o a d e r 程序首先加载会话模块， 此时会话模块的u s b 和s o c k e t 线程启动然后l o a d e r 程序调用会话模块的软件合 法性检查模块对软件的注册码和有效性的进行验证，验证成功则显示用户登录框。 用户使用正确的用户名和密码登录，若用户合法则运行应用软件。 l o a d e r 程序启动t i m e r 线程，开始定时，每隔一段时间会和会话模块发生一次 通讯，一方面报告应用软件的状态，另一方面获取u s b 智能卡的状态和应用软件的 有效性，一旦发现应用软件的租期到期，则提示用户缴费并终止应用软件。 应用软件一旦运行，会话模块也会启动一个t i m e r 线程，生成用户日志，写入 u s b 智能卡。应用软件运行时t i m e r 线程定时检查u s b 智能卡的状态( 用携带随 山东丈学坝上学位论文 机填充位的数据包与之通讯) ，更新用户日志，将本次软件的使用时间累加到使用总 时间上，当应用软件退出时，用户自动注销，同时更新用户日志。 山东大学硕上学位论文 第三章智能卡硬件系统 u s b 智能卡是远程合作计费系统的硬件基础，主要有m c u ( a ：v r 单片机) 、 实时时钟、u s b 接口三部分组成。 m c u 的主要功能有： ( 1 ) 应用软件的硬加密 m c u 的f l a s h 里有一部分会话模块c m ( c o n v e r s a t i o nm o d u l e ) 的程序代码， 它可被会话模块通过c o n v e r t 接口函数调用。其返回结果是会话模块程序的 重要参数。没有智能卡或智能卡不匹配，将返回错误的结果，会话模块会 认为软件非法。 ( 2 ) 负责加解密算法 智能卡与会话模块的通讯数据流是加密的，m c u 的f l a s h 里有针对此加密 算法的解密函数d e c r y p t 和加密函数e n c r y p t ，负责对数据还原和加密。 ( 3 ) 反破解算法 m c u 的f l a s h 里有噪声函数，对会话模块c m 发来的无效的指令进行非可 逆变换加入随机噪声回送。对会话模块c m 发来的有效指令，在不满的 包中也加入噪声。还有设置时间闸，对超时的包随机变换后回送。 ( 4 ) 对b e p r o m 读写 m c u 提供给会话模块一套自定义的e e p r o m 读写指令，会话模块通过这 些指令读写e e p r o m 。 实时时钟用来提供用户日志的时间基准，u s b 接口负责与p c 机的通信连接。 下面就各个部分硬件特性分别加以介绍。 东大学倾i 学位论文 第一节电路原理图 智能卡硬件系统主要由m c u 及其接e 1 电路、u s b 接口电路、实时时钟电路组 成。m c u 和实时时钟电路见图3 1 1 。m c u 接口电路主要有8 位r i s c 微处理器a v r 单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 ( u 1 ) ，阻容复位电路( r 2 c 4 ) ，晶振电路( y 2 ，c 2 ，c 3 ) ，i s p 编程接口( j 7 ) ，电源滤波电路( c i ，c 1 3 ) 组成。实时时钟电路由时钟芯片d s l 3 6 2 ( u 3 ) ，晶振电路( y 3 ，c 1 4 ，c 1 5 ) ，备用电池( b t l ) 组成。 = = - b t i ”l | 2 斟 c 1 4 tii x s c l k x 2 g h om r e s 盯 p d 0 ，r x d p d 6 ，w r 砬 x i 图3 1 1 单片机与时钟芯片部分电路图 u s b 接口电路图( 1 1 见图3 - 1 2 。从图中可看出u s b 接口主要由u s b 控制芯片 p d i u s b d l 2 ( u 2 ) ，i o 并行总线接口逻辑( r 1 ，r 2 1 ，r 1 6 ，j 6 ) ，u s b 总线接口逻 辑( j 4 ，r 5 ，r 7 ，r 8 ，r 1 0 ) ，晶振( y l ，c 9 ，c 1 0 ) ，g o o d l i n k 显示电路( d 1 r 1 4 ) 滤波电路( c 1 1 ，c 1 2 ) 组成。 9 搿怒黑搿艘m黧篱翟黑 嚣擀。勰l；m 墨嚣 髫下上i | 瑶狮 山东大学醐l 学位论文 图3 - 1 2u s b 接口部分电路图 第二节a v r 单片机 本系统选用的微处理器型号为a t 9 0 s 8 5 1 5 ，它是a v r 单片机中档系列的一种。 该类型的单片机是一种基于a v r 增强性能、r i s c 结构、低功耗、c o m s 的8 位微 处理器( e n h a n c e dr i s cm i c r o c o n t r o l l e r s ) ，它内载f l a s h 、e e p r o m ，采用了大型快 速存储寄存器文件和快速单周期指令对c 语言代码大小、性能及功耗进行了优化。 其卓越的性能使其广泛的应用于计算机外设、通讯设备、自动化工控制设备、仪器 仪表、电池供电设备和各种消费类产品在中。 2 1a v r 单片机的特点 a v r 单片机为美国a t m e l 公司新型的精简指令集( r i s c ) 微控制器。r i s c 为 r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 的缩写a v r 为a d v a n c er i s c 的缩写。a v r 单片 机采用程序r o m 空问和数据r a m 空间分离的h a r v a r d 结构，取程序代码和操作数采 山东大学颂l 学位论文 用分离的数据总线和地址总线，同时指令译码采用流水作业，因而绝大部分指令是 单周期指令，可以达到1 m i p s m h z 的性能，也就是说使用8 m h z 的晶振，每条指令 的执行时间仅为1 2 5 n s 。 a v r 单片机采用低功率非挥发的c m o s 工艺制造，具有功耗低、速度快的特点， 它的核心是3 2 个8 位通用寄存器与1 个运算逻辑单元( a l u ) 。3 2 个寄存器全部直接与 a l u 相连这使得一个时钟周期内执行一条指令可以访问到两个独立的寄存器，消 除了m c s 5 l 的单累加器的瓶颈限制。这种结构的代码效率比完成同样处理能力的 c i s c ( c o m p l e x i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 单片机高十倍。 a v r 指令总线宽度是1 6 位，数据总线宽度是8 位。a v r 的每一条指令的长度 都是1 6 个b i t 。另外a v r 的3 2 个通用寄存器中的最后6 个寄存器可以组成三个 1 6 位的数据指针x 、y 、z 。这两个特点给使a v r 单片机具有较高的c 语言密 度。 绝大部分a v r 单片机支持程序的在系统编程i s p ，同时a v r 单片机采用了可 多次擦写的f l a s h 存贮器给用户的开发生产和维护带来方便。a v r 单片机有丰富 的外设如e e p r o m 、r t c 、w a t c h d o g 、a d 转换器、p w m 、片内振荡器等可以 真正地做到单片。这些特点使产品的小型化变得非常容易。 2 2a t 8 9 s 8 5 1 5 的特点 本系统选用的是a v r 的中档系列单片机a t 8 9 s 8 5 1 5 ，它以下特点： ( 1 ) a v r r i s c 结构 1 1 8 条功能强大的指令一大多数执行时间为单个时钟周期 3 2 个通用( 工作) 寄存器 指令周期为1 2 5 n s 8 m h z ( 2 ) 数据和非易失性储存 8 k 字节可下载的f l a s h 存储器( 可擦除1 0 0 0 次) 5 1 2 字节e e p r o m ( 可擦除1 0 0 0 0 0 次) 山东大学颇十学位论文 5 1 2 字节的s r a m 程序加密位 ( 3 ) 外围( p e r i p h e r a l ) 特点 一个可预分频( p r e s c a l e ) 的8 位定时器计数器 一个可预分频，具有比较、捕获和8 、9 、1 0 位p w m 功能的1 6 位的定时器 计数器 可编程的看门狗( 有片内振荡器生成) 片内模拟比较器 s p i 同步串行接口 可编程的通用串行接口u a r t 3 2 条可编程i o 口线 ( 4 ) 电源特性 供电电压范围为2 7 6 v 两个可通过软件选择的电源保留模式 第三节实时时钟 智能卡的硬件设计中选用了d a l l a s 实时时钟芯片d s l 3 0 2 。d s l 3 0 2 用于数据记 录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上能实现数据与出现该数据的时 间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的 原因的查找有重要意义。 山东大学j i 匪士学位论文 3 1d s l 3 0 2 的结构及工作原理 d s l 3 0 2 是美国d a l l a s 公司推出的一种高性能、低功耗、带r a m 的实时时 钟芯片它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能， 工作电压宽达2 5 5 5 v 。采用三线接口与c p u 进行同步通信，并可采用突发方式 一次传送多个字节的时钟信号或r a m 数据。d s l 3 0 2 内部有一个3 1 8 的用于l 临时 性存放数据的r a m 寄存器。d s l 3 0 2 还有主电源后背电源双电源引脚，提供了对后 背电源进行涓细电流充电的能力。 d s l 3 0 2 的引脚及内部结构如图3 3 1 所示，引脚功能如表3 - 3 1 所示。 v ， v “j c n d 图3 - 3 1d s l 3 0 2 管脚图及内部结构图 表3 - 3 - ld s l3 0 2 i ；i 脚动能表 i 脚号孽| 舅名称功艟 i v 啦，生电鼍 2 3x 1 x 2 麟蠢，外嵌3 胡砖i h 磊搬 4；n d 地线 5耙弹 复位 逢缎 6i ，0 串葶亍羹奠纛 憔出端( 双向) s c 【x 串行囊鞋入端 8 y 正。霜鲁电嚣 山东大学硕士学位论文 3 2 d s l 3 0 2 的控制字节说明 d s l 3 0 2 的控制字如图3 3 2 所示。 765432l0 图3 3 2 控制节的含义 控制字节的最高有效位( 位7 ) 必须是逻辑1 如果它为0 ，则不能把数据写入 到d s l 3 0 2 中；位6 如果为0 ，则表示存取日历时钟数据，为l 表示存取r a m 数据； 位5 至位l 指示操作单元的地址；最低有效位( 位o ) 如为0 表示要进行写操作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 ? n 几n n 八几n 几几n 哪f 1 。n n 厂 站t “oi24570 i l 。4 ，6 ，一 固巫强巫匾口工a 口卜 图3 3 - 3 数据读写时序 ( 1 ) 复位 通过把r s t 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。r s t 输入存两种功能：首 先r s t 接通控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器；其次，r s t 提供了终 止单字节或多字节数据的传送手段。当页西为高电平时，所有的数据传送被初始化， 允许对d s l 3 0 2 进行操作。如果在传送过程中置祈为低电平，则会终止此次数据 传送，并且i o 引脚变为高阻态。上电运行时，在v c c 至_ 2 5 v 之前，瓦菇必须保持低 电平。只有在s c l k 为低电平时，才能将瓦菇置为高电平。 ( 2 ) 数据输入输出 山东大学坝1 学位论文 在控制指令字输入后的下一个s c l k 时钟的上升沿时数据被写入d s l 3 0 2 ，数据 输入从低位即位0 开始。同样，在紧跟8 位的控制指令字后的下个s c l k 脉冲的 下降沿读出d s l 3 0 2 的数据，读出数据时从低位0 位至高位7 ，数据读写时序见图 3 3 3 。 3 3 d s l 3 0 2 的寄存器 d s l 3 0 2 共有1 2 个寄存器，其中有7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据 位为b c d 码形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表2 。 此外，d s l 3 0 2 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及 与r a m 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所 有寄存器内容。d s l 3 0 2 与r a m 相关的寄存器分为两类，一类是单个r a m 单元， 共3 1 个。每个单元组态为一个8 位的字节，其命令控制字为c o h f d h ，其中奇数 为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的r a m 寄存器，此方式下可一次 性读写所有的r a m 的3 1 个字节，命令控制字为f e h ( 写) 、f f h ( 读) 。 表3 - 3 - 2d s l 3 0 2 的日历、时钟寄存器及其控制 命令产各位内容 前存器名 笃摄柞滇撮作 取位范嘲 7 6 s4 3 | 2i ii o 秒寄存嚣8 0 h 8 i i i0 0 s 9 t ：i l 0 s cs e c 分钟寄弹器8 2 h 韶h0 0 5 9 o 1 0 m j xi n 小r t 寄存锕 “h龉ho 卜1 2 戒o o 一2 3 1 2 1 2 4o 1 0 糟 h l l r l i 期督侔嚣铂h 嚣7 o i 一2 8 2 9 3 0 3 l o01 0 d 1 e n 1 e 份奇存嚣髓h 3 9 ho i 1 2 o00柏m 、1 0 期i 州日岢i f 嚣 8 h8 0 1 - 0 7 000oo l d a y 午份寄存嚣 l c h毫o h 0 0 - 9 9l o 、- e he a r 3 4d s l 3 0 2 在本系统中的应用 d s l 3 0 2 与c p u 的连接仅需要三条线，即$ c l k ( 7 ) 、i o ( 6 ) 、r s t ( 5 ) 。 d s l 3 0 2 与c p u 连接的电路原理图如图3 - l l 所示。吃：在单电源与电池供电的系统 中提供低电源并提供低功率的电池备份。吃：在双电源系统中提供主电源，在这种 运用方式下。连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及 山东大学硕七学位论文 数据。d s l 3 0 2 由吃。或k 。2 两者中的较大者供电。当。：大于圪“+ 0 2 v 时，屹。：给 d s l 3 0 2 供电e 当吃2 小于，时，d s l 3 0 2 由砟供电。 4 1u s b 概述 第四节u s b 接口 u s b 的英文全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，中文含义是通用串行总线，是由c o n p a q 、 d e c 、i b m 、i n t e r 、m i c r o s o r 、n e c 和n o a h e n t e l e c o m 等公司为简化p c 与外设之 间的互连而共同研究开发的种免费的标准化连接器，它支持各种p c 与外设之间 的连接是一种快速的，双向的，同步传输的，廉价的并可以进行热拔插的串行接 口，还可实现数字多媒体集成。现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口，m i c r o s o f t 的 w i n d o w s 9 8 、n t 以及m a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等流行操作系统都增加了对u s b 的支持。 u s b 的主要优点：”： 使用方便。连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电 源。 速度快。u s b 支持三种设备传输速率：1 5m b s ( 低逮设备) 、1 2m b s ( 中 速设备) 和4 8 0m b s ( 高速设备) 。 独立供电。u s b 接口提供了内置电源。 连接灵活。一个u s b 口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设备。连接的方式也十 分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器h u b ，把多个设备连接 在一起再同p c 机的u s b 口相接。 成本低。为了把外设连接到p c 上，u s b 提供了一种低成本的解决方案。 现在满足u s b 要求的外设有：调制解调器，键盘，鼠标，光驱，游戏手柄，软 山东大学坝i j 学位论文 驱，扫描仪，音箱等。u s b 总线标准由1 1 版升级到2 0 版后，传输率由1 2 m b p s 增加到了4 8 0 m b p s ，更换介质后连接距离由原来的5 米增加到近百米。基于这点， u s b 也可以做生产i s d n 以及基于视频的产品。u s b 总线结构简单，信号定义仅出 2 条电源线，2 条信号线组成。 4 2u s b 结构与工作原理4 1 一个u s b 系统可以从三个方面加以描述 ( i ) u s b 互联。 ( 2 ) u s b 设备。 ( 3 ) u s b 主机。 u s b 互联是指一个u s b 设备与u s b 主机相联并和其通信的方式，它包括： ( 1 ) 总线拓扑结构：u s b 主机和u s b 设备的连接模型。 ( 2 ) 层间关系：u s b 在系统中的每一层都要完成一定的任务。 ( 3 ) 数据流模型：u s b 系统中信源和信息之间的数据传送方式a ( 4 ) 任务规划：u s b 提供可以共享的互联机制。通过规划对互连机制的访问，可 以支持同步数据传输。 下面简要讨论u s b 硬件结构和数据流传输。 4 2 iu s b 硬件结构 一个u s b 系统包含三类硬件设备：u s b 主机( u s bh o s t ) 、u s b 设各( u s b d e v i c e ) 、u s b 集线器( u s bh u b ) 。如图3 - 4 1 。 ( 1 ) u s b h o s t 在一个u s b 系统中，当且仅当有一个u s bh o s t 时，u s bh o s t 有以下功能： 管理u s b 系统； 每毫秒产生一帧数据； 山东大学硕t ：学位论文 发送配置请求对u s b 设备进行配置操作 对总线上的错误进行管理和恢复。 ( 2 ) u s bd e v i c e 图3 - 4 1u s b 物理总线的拓扑 在一个u s b 系统中u s bd e v i c e 和u s bh u b 总数不能超过1 2 7 个。u s b d e v i c e 接收u s b 总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自 己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包：若地址相符，则通过响应u s b h o s t 的数据包与u s bh o s t 进行数据传输。 ( 3 ) u s b h u b u s bh u b 用于设备扩展连接，所有u s bd e v i c e 都连接在u s bh u b 的端口 上。一个u s bh o s t 总与一个根h u b ( u s br o o t h u b ) 相连。u s bh u b 为其每个 端口提供1 0 0 m a 电流供设备使用。同时，u s bh u b 可以通过端口的电气变化诊断 出设备的插拔操作。并通过响应u s b h o s t 的数据包把端口状态汇报给u s b h o s t 。 一般来说，u s b 设备与u s bh u b 间的连线长度不超过5 m ，u s b 系统的级联不能 超过5 级( 包括r o o t h u b ) 。 山东大学碗士学位论文 u s b 总线最多可支持1 2 7 个u s b 外设连接到计算机系统。u s b 的拓扑是星形 结构，有1 个u s b 根集线器( r o o th u b ) ，下面还可有若干集线器。1 个集线器 下面可接若干u s b 接口。u s b 线缆包括4 条线：v b u s ( u s b 电源) 、d + ( 数据) 、d 一 ( 数据) 和g n d ( u s b 地) 。线缆最大长度不超过5 m 。u s b l 1 的传输速率最高为 1 2 m b s ( 低速外设的标准速率为1 5 m b s ，高速外设的标准速率为1 2 m b s ) 。图3 - 4 2 是典型的u s b 功能器件结构框图，图3 - 4 3 是高速外设的u s b 线缆与电阻的连接图。 图3 - 4 3 中：f s 为全速( 高速) ；l s 为低速；r l = 1 5 k q ，r 2 = 1 5 k o 。u s b 外设可以 采用计算机里的电源( + 5 v ，5 0 0 m a ) 。也可外接u s b 电源。在所有的u s b 信道之 间动态地分配带宽是u s b 总线的特征之，这大大地提高了u s b 带宽的利用率。 当一台u s b 外设长时间( 3 m s 以上) 不使用时，就处于挂起状态，这时只消耗o 5 m a 电流。按u s b i 0 1 1 标准，u s b 的标准脉冲时钟频率为1 2 m h z ，而其总线时脉冲 时钟为i m s ( 1 k h z ) 即每隔t m s ，u s b 器件应为u s b 线缆产生1 个时钟脉冲序列。 这个脉冲系列称为帧开始数据包( s o f ) 。高速外设长度为每帧1 2 0 0 0 b i t ( 位) ，而低 速外设长度只有每帧15 0 0 b i t 。1 个u s b 数据包可包含0 - 10 2 3 字节数据。每个数据 包的传送都以1 个同步字段开始。 圈3 - 4 2 典型u s b 功能器件结构框图 i i 。口1 屏蔽双绞线 1 司i 墼蕉翌l i li t 、r i l l ：鞘p 掣,irl14iw币19+usb 最长5 m 主机或于z 0 ( 1 o 1 5 ) q 图3 4 3 高速外设的u s b 线缆与电阻的连接图 9 山东大学硕士学位论文 4 2 2u s b 的数据流传输 主控制器负责主机和u s b 设备间数据流的传输。这些传输数据被当作连续的比 特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口，每个接口由0 个或 多个管道组成，它们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数据。u s b d 为主机软件的现实需求建立了接口和管道，当提出配置请求时，主控制器根据主机 软件提供的参数提供服务。 u s b 支持四种基本的数据传输模式：控制传输，实时传输中断传输及数据块 传输。每种传输模式应用到具有相同名字的终端，则具有不同的性质。 ( 1 ) 控制传输类型：支持外设与主机之间的控制，状态，配置等信息的传输，为 外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外 设之间就可以传送配置和命令状态信息。 ( 2 ) 实时传输类型：支持有周期性，有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外 设与主机问的数据传输。该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输，支持像 计算机一电话集成系统( c t i ) 和音频系统与主机的数据传输。 ( 3 ) 中断传输类型：支持像游戏手柄，鼠标和键盘等输入设备。这些设备与主机 间数据传输量小，无周期性，但对响应时间敏感。要求马上响应。 ( 4 ) 数据块传输类型：支持打印机扫描仪，数码相机等外设，这些外设与主机 间传输的数据量大，u s b 在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。 u s b 采用分块带宽分配方案，若外设超过当前带宽分配或潜在的要求，则不能进 入该设备。同步和中断传输类型的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率传送。 集中和控制终端按可用的晟佳带宽来传输数据。 4 3 端点 由于u s b 设备在接入u s b 总线时，不用考虑i o 地址空间，m q 线和d m a 通 道等问题。而是有u s b 主机为其分配一个逻辑地址。为了和u s b 主机通讯和完成 一定的功能每个u s b 设备都必须有一定数量的寄存器，用于u s b 设备功能的设置， 这些寄存器被称为端点。每个端点都被分配一个互不相同的端点号。在和u s b 主机 通讯时，u s b 主机通过设备的逻辑地址和端点号和u s b 设备通讯。可以说端点是 山东大学i i i 士学位论文 u s b 系统中的末梢部分，主机和u s b 设备的通讯就是和u s b 设备的不同端点的通 讯。 在u s b 设备端点中必须有一个零端点。u s b 主机通过零端点读取u s b 设备的 描述器，描述器提供了设备的必要信息，端点的数目及用途，主机通过读取的这些 信息就能识别设备的类型，并决定如何对设备进行设置和通讯。 4 4 管道 就是描述信息传输的通道，我们知道数据传送发生在主机与设备的每一个端点 之间。因此设备有几个端点也就有几个管道来传送数据。u s b 设备一般有一个接收 数据的管道，还应有一个发送数据的管道。端点0 所对应的管道被称为默认管道。 u s b 主机对设备发的控制信息通过默认管道传送，即默认管道主要用于控制类型数 据的传输。 4 5p d i u s b d l 2 接口电路 本系统选用的是p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 接口器件。p d i u s b d l 2 是一个性 能优化的u s b 器件，通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行 接口进行通信也支持本地d m a 传输。该器件采用模块化的方法实现一个u s b 接 口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存 的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本，是 开发低成本且高效的u s b 外围设备解决方案的一种最快途径。 p d i u s b d l 2 完全符合u s b i 1 规范p d i u s b d l 2 挂起时的低功耗以及 l a z y c l o c k 输出符合a c p i 、o n n o w 和u s b 电源管理设备的要求。低功耗工作允 许实现总线供电的外围设备。 p d i u s b d l 2 还集成了像s o f l c o n n e c t 、g o o d l i n k 、可编程时钟输出、低频晶振 和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上 很容易实现更高级的u s b 功能。 ( 1 ) 内部结构 p d i u s b d l 2 的内部框图如图3 4 4 所示。 2 山东大学硕士学位论文 图3 4 4p d i u s b d l 2 的内部框图 模拟收发器。集成的收发器直接通过终端电阻与u s b 电缆接口。 电压调整器。片上集成的1 个3 3 v 电压调整器为模拟收发器供电，也提供连接 到外部1 5k q 上拉电阻的输出电压。作为选择p d l u s b d l 2 提供集成1 5k q 上拉 电阻的s o f t c o n n e c t 技术。 p l l 。片上集成1 个6 4 8m h z 的倍频p l l ( 锁相环) ，允许使用6m h z 的晶振， e m i 也由于使用低频晶振而减小。p l l 的工作不需要外部器件。 位时钟恢复。位时钟恢复电路用4 倍过采样原理从输入的u s b 数据流中恢复时 钟能跟踪u s b 规范中指出的信号抖动和频率漂移。 p h i l i p s 串行接口