（无线电物理专业论文）基于usb总线的视频图像压缩传输系统的研制及应用.pdf

中文摘要 传统的计算机外设接1 2 1 存在许多缺点，已经不能适应计算机的 需要。新近推出的通用串行总线u s b ，由于速度快，使用方便灵活， 易于扩展，支持即插即用，成本低廉等一系列的优点，从而得到了 广泛的应用。 本文对通用串行总线u s b 的特点，总线规范及协议作了详细的 讨论。同时，我们在介绍j p e g 算法的基本原理的基础上，对j p e g 的核心算法d c t 编码过程进行了深入地研究，并且对j p e g 的动态 发展：j p e g 2 0 0 0 ，也作了详细描述。在以上两个方面的基础上，我 们详细地介绍了基于u s b 总线的视频图像压缩传输系统的整个开 发过程。它包括：视频图像解码、视频采集、量化以及数字视频图 像的压缩和u s b 的接口。详细介绍了各部分电路的设计方法及原 理，同时对工程软件( 包括驱动程序和应用软件) 的设计方法及具 体过程也作了详细的讨论。最后测试结果证明本文提出的分析和设 计方法是有效和可靠的。本项目通过了鸿合公司的技术鉴定。 关键词：u s b 接口，通信协议，设备驱动，离散余弦变换，j p e g 7l l+777 a b s t r a c t t r a d i t i o n a li n t e r f a c eso fe x t e r n a lp e r i p h e r a l sh a v em a n y s h o r t c o m i n g s ，s ot h e ya r en o tc o n s i s t e n tw i t ht h er e q u i r e m e n to ft h e p c t h en e w l y - c o m eu n i v e r s a ls e r i a lb u sh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c h a s ：h i g hs p e e d 、e a s e o f - u s e 、e a s e t o e x p a n dp o r t 、s u p p o r t i n g p l u g - p l a y 、l o w c o s te t c ，s o i tisu s e dv e r yw i d e l yn o w t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h es p e c i f i c a t i o no fu n i v e r s a ls e r i a lb u s a n di t s p r o t o c o li nd e t a i l at h o r o u g ha n a l y s i so nt h ep r i n c i p l eo f j p e ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r o c e s so fe n c o d e ra b o u tj p e gi m a g e f o rd c tb a s e d s e q u e n t i a lm o d e l ，a n ds t u d i e sa l g o r i t h m f o rd c t t r a n s f o r m a t i o ni nd e t a i l a n dt h el a t e s ts t u d yo fj p e g ：j p e g 2 0 0 0i s a l s op r e s e n t e di nd e t a i l o n t h eb a s i co ft h ea b o v et w oa s p e c t s ，w e i n t r o d u c et h ed e s i g no ft h ev i d e o - c o m p r e s s i o ns y s t e mw h i c hu s e s u s bi n t e r f a c e i ti n c l u d e s ：v i d e od e c o d i n g 、v i d e oc o l l e c t i o n 、v i d e o q u a n t i z e r 、d i g i t a lv i d e oc o m p r e s s i o na n du s bi n t e r f a c e t h i sp a p e r i n t r o d u c e se v e r yp a r tc i r c u i td e s i g no ft h es y s t e m i ta l s op r e s e n t s t h e i m p l e m e n t a t i o n o f p r o je c ts o f t w a r e ( i n c l u d i n gd r i v e ra n d a p p l i c a t i o n ) w ek e e p o ff o c u so nt h es t r u c t u r ea n d w a y o f p r o g r a m m e r t h em e a s u r e dr e s u l t sp r o v et h a tt h ea n a l y s i sa n dd e s i g n m e t h o d sa r ee f f i c i e n ta n dr e l i a b l e t h ep r o j e c th a sp a s s e dt h r o u g h c e r t i f i c a t i o nf r o mh e n gh ef i r m k e y w o r d s ：u s bi n t e r f a c e d e v i c ed r i v e r c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l d c t j p e g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名：奎苎：j 圭 日期：2 。理年2 , 9 2 7 - i t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔圭：j 垂导师签名：蕉塑 日期：2 0 0 2 年2 月2 十日 电子科技大学硕士论文 第一章引言 1 1 课题的应用背景及意义 随着现代通信技术的飞速发展和通信业务的不断拓展，多媒体通信已经 成为通信业务发展的必然趋势。图像信息传输已经成为现代通信系统所应提 供的基本服务，但图像通信与通信网容量的矛盾日益突出，特别是具有庞大 的数据的数字图像通信更难以传输与存储，极大的制约了图像通信的发展， 已成为图像通信的“瓶颈”问题。但随着图像压缩技术的发展，经过压缩处 理后的图像数据会大大减少，图像压缩的目的就是要以尽量少的比特数表征 图像，同时保持复原图像的质量，使它符合特定应用场合的要求。随着数字 化信息的到来，如何有效地压缩数字图像的庞大数据量，方便图像信息的传 输和存储，已成为电子信息技术必须解决的首要问题。目前的情况已不是简 单地满足某些用户的图像压缩的要求，而是正以图像压缩编码为核心技术之 一，火规模的积极开拓新的产品和应用领域，图像压缩技术已经为开创新的 应用领域提供了良好的技术基础，并已开始影响人们的生活方式。例如：( 1 ) 数字咆视：它具有图像质量高，可以更合理地利用各种类型的频谱资源，可 以实现多种业务的动态组合和统计复用，易于加密具有可扩展性，可分组性 和互操作性，可以灵活组成交互电视系统等优点。( 2 ) 电视计算机 ( t e l e c o m p u t e r ) ，它是界于电视和计算机之间的应用，它将个人计算机和电视 机融为一体，构成多媒体工作站。( 3 ) 多媒体出版物：包括电子图书，电子 报刊等各种图书信息系统。可以预见，图像压缩编码将是正在建设的数字信 息化利：会所依赖的主要技术之一。因此对图像压缩技术的研究具有非常重要 的理论和实际意义。 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a s e r i a lb u s ) 是i n t e l ，m i c r o s o f t 等 ，：厂商为解决计算机外设种类的日益增加与有限的主板插槽和端口之间的矛 盾而于1 9 9 5 年提出制定的。它是一种用于将运用u s b 的外围设备连接到主板 的外部总线结构。u s b 同时又是一种通信协议，支持主机和u s b 的外围设备 之间的数据传输。u s b 为计算机外设输入输出提供了新的接口标准。它使设 备具有热拨插、即插即用、自动配嚣的能力，并标准化设备连接。能够在不 切断电源的情况下自由地在系统中接入或移去设备连接( 带电插拔即插即 ，f fj ) ：并支持可保证图像、声音等数据传输不问断的等时( i s o c h r ( ) n o i l s ) 传 电子科技大学硕士论文 输模式，适于多媒体数据实时处理。同时u s b 的级联星型拓扑结构大大扩充 了外设数量，使增加、使用外设更加便捷，快速。u s b 接口不再使用i r q 的 中断控制以及输入输出的地址位资源( i oa d d r e s s ) ，而是依靠开机后操作系 统分配给设备一个逻辑位置来做数据传输，所以可以作大幅度的扩充，可以 连接1 2 7 个周边设备而新提出的u s b 2 0 标准更是数据传输速率提高到了一 个新的高度，最近u s b 实施者论坛( u s bi m p l e m e n t e r sf o r u m ，简称u s b i f ) 又发布了旨在为手持设备间提供互连能力的u s b0 n t h e g o ( 简称u s bo t g ) 标准，作为u s b2 0 规范的补充。由于u s bo t g 的出现打破了u s b 设备不能 独立于p c 的“宿命”，u s b 增补标准的推行将使设备可以直接连接，进行通 讯，而不再需要电脑的介入，这使得它更加具有美好的应用前景。因此对基 于u s b 总线的图像压缩传输系统的研究和开发具有非常重要的现实意义。 1 2 本研究课题国内外已有的文献综述 u s b 是以i n t e l 为主，并有康柏，微软，i b m 、d e c 以及日本n e c 等7 家 公司共同制定的串行接口规格。1 9 9 8 年公布了u s b l 1 规范，其中规定的 u s b 最高速度只有1 2 m b p s ，而2 0 0 0 年公布的2 0 规范【2 1 中，最高速度已达4 8 0 m b p s ，完全可以适应高速设备对带宽的要求。u s b 是具有通用性的串行接口， 通过集线器最多为6 层的菊花链可使连接的外设达到1 2 7 个，此外它还对即 插即用( p n p ) 提供极为完善的支持而且支持热插拔，安装方便快捷，无需重新 启动计算机。基于以上众多的优点，u s b 得到了计算机外设厂商的大力支持。 国外对u s b 的介绍和u s b 设备的开发报道较多，并且已经有很多u s b 外 设问世，如：数字照相机、计算机电话、数字音箱、游戏杆、扫描仪、键盘、 鼠标等h 】。文献 1 2 介绍了u s b 规范并对其协议进行了详细地描述。文献 5 介绍了u s b 视频游戏操纵杆系统的设计方案。文献 6 详细讨论了具有u s b 接口的数字摄像系统在网络远程监控系统的运用及开发，它是一种新型的计 算机多媒体设备。文献 7 介绍了高速u s b 收发器模型的建立。文献 8 介绍 u s b 在i s d n 系统( 综合服务数字网系统) 的一种专用接口芯片中的应用。文 献 9 详细讨论了在进行u s b 外围设备设计时u s b 的电源管理及分配问题。它 介绍了u s b 的三种供电方式及其具体的设计应用。国内对于u s b 方面介绍的 报道较少，对于u s b 外设的开发更少见。对于图像压缩方面的报道国内外都 较多，如：文献 1 7 最早介绍离散余弦变换在图像压缩编码中的应用。文献 i7 3 1 9 2 2 3 对于j p e g 标准及算法进行了深入的研究。 电子科技大学硕士论文 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 本文对u s b 总线体系结构及其协议作了详细的论述，特别是对u s b 的传输方式和u s b 驱动进行了深入地分析和讨论。 ( 2 ) 本文在介绍了常用图像压缩的算法的基础上，实现了标准的j p e g 算 法，并对其进行了比较深入的研究。 ( 3 ) 对上述两个方面进行深入研究的基础上，我们设计和实现了一个基 于u s b 总线的视频图像压缩传输系统，本文对整个系统的开发过程在 理论和工程上都进行了深入的分析和探讨，对图像压缩传输及u s b 外设的开发都有一定的参考价值。 皇王型堇查兰堡主鎏苎一 第= 章u s b 总线标准及协议分析 本章详细介绍了u s b 总线的相关知识，对u s b 总线的原理、规范、接口方 法等进行研究并对相关协议进行分析。这是第四章u s b 总线接口的软硬件设计 的重要基础。 2 1u s b 出现的背景： 计算机技术和多媒体技术的迅速发展，以及计算机应用的日益广泛和深 入，对计算机外设技术提出了更高的要求，促使外设产品逐渐走向智能化、多 功能化、微型化、遥控化和与主机体化，外设与主机之间的接口总线也向智 能控制方向发展。今天的个人电脑上所使用的多数外设仍然是基于接口实现 的，这些接口有许多缺陷。传统的i 0 模式，在那里外围设备被映射为c p u 的i o 地址空间，并且被称分配一个指定的i r q ( 中断请求) ，在某种情况下， 它们也可以是一个d m a 通道。这些系统资源被分配给指定的外围设备，从而使 得外围设备消耗了个人电脑的许多系统资源。它们使许多系统瓷源不可用，并 且很容易产生冲突。其次当用户把外围设备连接到计算机上去时，会遇到种类 繁多的数据线的问题，如：鼠标、键盘、打印机、外接调制解调器、绘图仪等 设备都需要专用的数据线。当用户把这些外围设备连接到计算机时，他们不得 不面对很多种不同的接口和数据线，这会使用户觉得麻烦。再有扩展卡的安装 和装置也十分麻烦。再次外围设备不能热拨插。大多数新连接的外围设备在重 新启动系统之前是不能用的。因为只有通过重启软件才能够检测到刚连接上去 的设备，并且为这个设备装入必要的驱动程序。 u s b 正是作为克服传统的i o 模式的缺陷的一种解决方案而出现的。这些 资源的限制与x o 地址空间、i r q 及d m a 通道相关。但是在u s l 3 的实现模式下 就不存在这些问题。每一个位于u s b 上的设备都被分配一个地址。整个地址只 有u s b 系统知道。并且它不占用任何系统资源。当一个事务处理在u s l 3 总线上 发送时，所有的设备都将看到事务处理。每个事务处理从一个包传输开始，这 个包不仅定义了事务处理类型，还定义了u s b 设备和端点地址。这些地址由 u s b 软件进行管理。而其他非u s 8 设备和在系统中相关的软件不会和这些地址 发生冲突。随着时间的推移，u s b 将成为p c 的标准配置。基于u s 3 的外设将 逐渐增多，非独立性i o 连接的外设将逐渐减少，即主机控制式外设减少， 智能控制式外设增多。 2 2 通用串行总线( u s b ) 的主要特点 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) 是用于将适用u s b 的外围 设备连接到主机的外部总线结构。u s b 是通过p c i 总线和p c 的内部系统数据 线连接，实现数据传输。u s b 同时又是一种通信协议，支持主机和u s b 的外 围设备之间的数据传输。目前较多设备支持的是u s b i 0 ，最新的u s b 2 0 在 2 0 0 0 年4 月已正式发布。u s b 有全速和低速两种方式，低速方式的速率为 i 5 m p b s ，全速模式为1 2 m p b s 。在u s b 2 0 中增加了一种高速方式，数据传输 率达4 8 0m p b s ，可以满足更加高速的外设需要。u s b 一个接口适合多种设备， 自动识别、配置，不需要用户设定，并为其它设备空出了硬件资源。u s b 接 口易于连接、从总线上得到电源，而不需要自己提供电源、低成本、低功耗。 对于使用带有通用串行总线( u s b ) 结p c 的用户，不需要打开机盖手工配置系 统i o 及为不同的外设接口而发愁，只需极其简单地安装与配置即可使用外 设。u s b 提供即插即用( p l u g p l a y ) 和热插拔功能，可以在不断电的情 况下直接将外设连接到u s b 上，且马上就可以被系统识别使用。所 有u s b 外设接口“o n es i z ef i t sa l l ”可以简单方便地连入计算机中。u s b 系统采用级联星型拓扑结构，每个u s b 设备用一个u s b 插头连接到一个外设 的插座上，而其本身又提供一个插座供下一个外设连接用。通过这种类似菊 花链的连接，一个u s b 控制器可以连接多达1 2 7 个外设，每个外设间距离( 线 缆长度) 可达5 米。u s b 系统采用级联星拓扑即类似菊花链连接。该拓扑由 三个基本部分组成：主机( h o s t ) 、集线器( h u b ) 和功能设备。u s b 的物理拓 扑结构如图2 1 所示，在u s b 2 0 中，高速方式下h u b 使全速和低速方式的 信令环境独立出来。通过使用集线器( h u b ) 扩展可外接多达1 2 7 个外设。u s b 的电源有4 根线。两根传送的是5 v 的电源，另外的两根是数据线。功率不大 的外围设备可以直接通过u s b 供电，而不必外接电源。u s b 总线最大可以提 供5 v ，5 0 0 m a 电流，并支持节约能源的挂机和唤醒模式。 图2 1u s b 拓扑结构 皇王型垫奎堂堡主笙塞 2 3u s b 协议层的分析和描述 u s b 协议层描述了u s b 主机与u s b 设备交互时的语法和协议，从中定义了 字段、包、事务和传送的结构以及由字段到包、由包到事务、由事务到传送 所组成的组织层次关系。协议同时还规范了数据链路的建立、正常或异常传 送处理的动态过程。字段中分同步、包标识符、帧号、数据和c r c 字段。包 中分标记、帧起始、数据、握手4 类包。事务中有批处理、控制、中断和同 步4 类事务。传送可分为控制、批处理、中断和同步4 类传送。字段、包、 事务和传送的命名和定义，实质上是为了满足不同需求的传送内容，在链路 建立、数据传送及链路拆除的可靠执行中所采用的一系列保障措施。 2 3 iu s b 通信协议 u s b 物理协议规定了在总线上传输的数据格式，通常一个全速的数据帧 可以最多有1 5 0 0 字节，而对于低速的帧最多有1 8 7 字节。帧的作用是分配 带宽结不同的数据传输方式。同时由于帧结构的规律性，帧的这种特性也可 以用来作同步信号来使用。 一个最小的u s b 数据块叫做包。包通常有同步信号、包标识地址、传送 的数据和c r c 。包的i d 由8 位组成，其中后四位是纠错码。根据包功能的不 同，在u s b i 1 中定义了四类十种：( 1 ) t o k e n ( 标记) ：o u t ( 输出) i n ( 输入) s o f ( 包起始) s e t u p ( 建立) ；( 2 ) d a t a ( 数据) ：d a t a o ( 数据0 ) d a t a i ( 数据 】) f ( 3 ) h a n b s h a k e ( 握手) ：a e k ( 确认) n a k ( 不确认) s t a l l ( 停止) ；( 4 ) s p e c i a l ( 专用) ：p r e ( 前同步) 。 在u s b 2 0 中又增加了几种类型的包以满足高速传输的需要。其中d a t a 类型增加了d a t a 2 和雠d a t a ，h a n d s h a k e 类型增加了n y e t ，s p e c i a l 类型则增 加了e r r 、s p l i t 、p i n g 、r e s e r v e d 。 u s b 的设备可以分成多个不同类型。同类型的设备可以拥有一些共同的 行为特征和工作协议，这样可以使设备驱程序的编写变得简单一些。u s b f o r u m l 2 1 在u s b 类规范中定义了u s b 的设备类型：音频、视频、通信、h i d 、 h u b 等设备类。每一个u s b 设备会有一个或多个的逻辑连接点在里面，每一 个连接点叫端点。在u s b 的规范中用4 位地址标识端点地址，每个设备，最 多有1 6 个端点。端点都被用来传送配置和控制信息的。管道实现了在主机 的一个内存缓冲区和设备的端点之间的数据传输，连接端点0 的叫缺省管道。 管道是具有多个特征的信道，如：带宽分配、包大小、管道类别以及数据流 电子科技大学硕士论文 向。管道有两种类型分别是：流管道( s t r e a mp i p e ) 和消息管道( m e s s a g e p i p e ) 。流管道传输的内容不具有u s b 要求的结构，它是单向的。流管道支 持批量、等时和中断传输方式。而消息管道与流管道具有不同的行为，首先 由主机发请求给u s b 设备，然后在适当的方向上传输数据，最后是到达一个 状态阶段。为了保证三个阶段的数据传输，消息管道定义了一个数据结构， 使命令可靠地被识别和传输。消息管道是双向的，它只支持控制传输方式。 对于同样性质的一组端点的组合叫做接口；如果一个设备包含不止一个 接口就可以称之为复合设备；同样类型接口的组合可以称之为配置。未被激 活前，每次只能有一个配置可用；而一旦被激活，里面的接口和端点都同时 可以使用。主机从设备发过来的描述字中判别用的是哪个配置，哪个接口等 等，而这些描述字通常是在端点0 中传送的。 一台主机到设备的连接需要许多层与实体之间的相互作用。如图2 2 ， 就是这些层以及主机和给定的u s b 设备之间的关系。其中实线代表物理信息 流，虚线代表虚拟信息流。 毒- 士 l 哪张一呻碡椰 1 厂 l 瞄磷艄闷岫嘲一 图2 - 2u s b 通信模型基本流程 u s b 总线接口层提供了在u s b 数据线上的数据的底层传输，这层由三 部分组成：( 1 ) 物理连接：( 2 ) 电器信号环境；( 3 ) 信息包传输机制。它代 表了通过u s b 数据线进行的实际数据传输，这种传输在主机系统和u s b 设备 之间进行。主机一方由u s b 主控制器和根集线器组成，而u s b 方则由设备中 的u s b 接口组成。 u s b 设备层代表了u s b 的一部分，执行的是一般的u s b 操作，它理解实 际的u s b 通信机制和u s b 功能设备所要求的传输特性，如图2 - - 2 所示。虽然 逻辑上的u s b 设备层和功能层各自与主机上相应层通信，但是物理上都是通 过u s b 总线接口层实现数据传输的，这层由主机方的u s b 系统软件和设各 电子科技大学硕士论文 方的u s b 设备逻辑视图组成。 u s b 系统软件把一个逻辑设备看作一个端点的集合，它们组成一个结定 的功能接口。u s b 系统软件提供一些服务，这些服务用于实现客户软件和它 的u s b 功能之间的接口。 j s b 系统软件知道u s b 传输机制的具体细节，而且 必须为u s b 设备进行通信分配总线带宽。逻辑u s b 设备代表端点的集合，通 过它们，客户程序可以和它的功能单元进行通信。u s b 系统软件通过设备描 述符来了解这些端点，并加以分析，获得该设备的传输特性。这些特性和系统 软件对于u s b 传输机制的了解程度有关，当进行配置时，允许每一个功能设 备保留带宽。 u s b 系统软件执行很多关键的功能，包括( 1 ) 设备的连接断开检测；( 2 ) 设备配置；( 3 ) 带宽分配；( 4 ) 管理客户程序和设备之间的控制流；( 5 ) 管 理客户程序和设备之间的数据流；( 6 ) 收集状态和事务处理的统计信息：( 7 ) 事务处理的安排；( 8 ) 控制电气接口( 如管理数据线功率的限制) 。u s b 系统 软件存在于系统中，用于管理所有和u s b 总线相连的所有u s b 设备的访问。 u s b 系统软件是由以下两个部分组成：( 1 ) u s b 驱动程序( u s b d ) ：为客户软 件驱动程序提供接口和服务，分配带宽，并管理配置过程。( 2 ) u s b 主控制器 驱动程序：控制对主机控制器的操作，安排事务处理，并监视事务处理的完 成状态。功能层代表客户软件和一个给定的设备功能接口之间的关系。每个 接口都有一类特定的设备组成，每一类设备都有相应设备驱动程序来操纵它。 u s b 客户软件不能象在别的环境下( 例如i s a ，p c i ，p c m c ) 一样直接访问它 们的功能单元，由于它们没有被直接映射到内存和i o 地址空间。此外u s b 图形设备驱动程序必须使用u s b d 编程接口来访问它们的设备。 u s b 客户驱动程序把它们的u s b 设备看成由一个结定的接口组成，它知 道如何操纵它们。u s b 系统软件必须向u s 8 客户程序报告接口的类型和其它 设备的描述符。 事务在主机和设备之间不连续的数据交换，一个事务通常由主机开始， 一般分为三个阶段：第一个阶段发送t o k e n 包；第二个阶段发送d a t a 包；第 三个阶段由设备返回一个h a n d s h a k e 包。u s b 系统通过i n ，o u t 和s e t u p 的包 指定u s b 地址和e n d p o i n t ( 最多是1 2 8 个，0 通常被用来用做缺省的传送配置 信息) 并且这些被指定的设备必须通过上面形式的包来回应这种形式的指定 每个s e t u p 的包有8 字节的数据，这些数据用来指示传送的数据类型对于 d a t a 数据包来说，设置两种类型的数据包来说是为了能够在传送数据的时候 做到更加精确。a c kh a n d s h a k e 的包用来指示数据传送的正确性：而s t a l l 皇王型垫查兰堡主丝塞 h a n d s h a k e 则表示数据包在传送的过程中出现了故障，并且请示主机重新发 数据或者清除这次传送。p r e 格式的包主要是用于在一个u s b 系统中如果存 在不同的速率的设备的时候，在不同于总线速度的设备中就会回应一个p r e 的包，从而会忽略该设备。当客户端程序通过一个u s b 管道发送或接受数据 时，它会首先调用w i n 3 2 a p l 。a p i 会发送一个i r p 到u s b 驱动程序。u s b 驱 动程序的任务就是客户端的请求通过一个管道发送至u d i - 设合适的端点。为实 现这个任务，u s b 设备驱动程序会递交请求给总线驱动程序，总线驱动程序 可以把这些请求转化处理事务，然后将这些事务组合成帧在总线上传输。 2 3 2 四种传输方式 u s b 提供了四种传输方式，以适应各种设备的需要。这四种传输方式是： ( 1 ) 控制传输方式；( 2 ) 等时传输方式：( 3 ) 中断传输方式：( 4 ) 大量传输 方式。 控制传输方式是双向传输，数据量通常较小，主要用于进行查询、配置 和u s b 设备发送通用的命令。控制传输至少有建立和状态2 个事务阶段，还 可能有这两者之间的数据阶段，图2 3 说明了控制传送的阶段次序。在建立 阶段中，建立事务的目的在于向功能部件的控制端i z l 发送预告信息。控制传 送的数据阶段，如果有的话，由一个或一个以上的输入或输出事务构成。数 据阶段中的所有事务都必须有相同的传输方向( 即全部输入或者全部输出) 。 控制传送的状态阶段是序列中最后一个操作。状态阶段的数据流方向与前 阶段的数据流方向相反，并且总是使用d a t a l 标识符。对于控制写传送，在 状态阶段返回状态信息。而对于控制读传送，主机在状态阶段事务的数据时 相中发出零长度的数据包之后，功能部件在握手时相返回状态信息。 ，_ ，- _ 建立蘑爱 聱l 写匿蓖圃 欺珥睛盛赣毒- 爱 匝囤面团m 圃刨 籼d a t a id a t a od a t a o l d a t a l 控稿羹圃圃圃圃圃 d a t a od a t a ld a t a od a t a o id a t a l 图2 3 控制传送的格式 电子科技大学硕士论文 等时传输方式( 又称同步传送方式) 主要用在主计算机和u s b 外设中端 点0 之间，它被用于时间严格并具有较强的容差性的数据流传输，或者用于要 求恒定的数据传送率的及时应用中。等时传输是由若干同名的同步事务组成， 如图2 4 所示，同步事务仅带有标记时相和数据时相，不带有握手时相。主 机在标记时相中发出输入或输出标记；而在随后的数据时相中，可由端口或 主机发送数据。同步事务不支持握手时相及重传能力。由于d a t a o 或d a t a l 的切换作为握手控制用，故功能部件或主机控制器在发送数据时仅需使用 d a t a o 标识符。 r d 如a t a or d a l t a l l 数据 图2 4 等时传输格式 空闲 中断传输方式是单向的并且对于主机来说只有输入的方式。中断传输方 式主要用于定时查询设备是否有中断数据传送，该传输方式应用在少量分散 的、不可预测的数据传输。如键盘、鼠标和游戏杆就属于这一类型。中断传 输具有输入和输出2 种方式。在输入方式中，若功能部件收到输入标记i n ， 则会有返回数据、n a k 或s t a l l 握手3 种情况( 见图2 - 5 ) ；如果端口沿有需要 传送新的中断( 即没有等待事务的中断) 信息，功能部件在数据时相里返回 n a k 握手信号；如果中断端口设置为挂起状态，功能部件将返回s t a l l 握手 信号：如果中断是等待事务的中断，功能部件则传送数据包以返回中断信息。 主机接收数据包的反应是：如果数据无错地接受则发出a c k 握手：如果数据包 损坏则不返回握手。当端口用中断机制传送数据时，必须遵循数据切换协议。 功能部件得知主机收到数据后，清除事件条件。另外，同步功能部件向主机反 馈速率信息时，只能采用中断输入端口。采用这种方式时，在每个数据包被 送到主机之后，不管握手包是否存在，也不论其类型如何，数据切换位都应 该改变。 电子科技大学硕士论文 大量传输方式( 又称批处理方式) ：其特点表现在通过错误检测和重传 的手段，以保证主机和功能部件之间大量数据的无错传送。批处理是由标记、 数据和握手构成的3 时相事务，如图2 5 。某些流控和挂起情况下，数据时 相由握手信号替代，从而构成了无数据传输的2 时相事务。它主要应用在没 有带宽和间隔时间要求的大量数据的传送和接收并要求保证的传输。打印机 和扫描仪属于这种类型。在开发u s b 设备时通过设备接口芯片中相应的寄存 器使端点处于不同的工作方式。一个u s b 传输由事务组成，事务又由包组成， 而包又包含一个包识别器( p i d ) ，一个错误校验以及其它的信息。每个事务最 多有三个段或部分：记号、数据和交换。每个段有一个或两个被传输的包组 成。每个包是一个定义格式的数据包。 u s b 将其有效的带宽分成各个不同的帧，每个帧通常是i m s 时间长。每 个设备每帧只能传送一个同步的传送包。在完成了系统的配置信息和连接之 后，u s b 的主机就会对不同的传送点和传送方式做一个统筹安排，用来适应整 个u s b 的带宽。通常情况下，同步方式和中断方式的传送占整个带宽的9 0 ， 剩下的就安排给控制方式传送数据。 口主机；o 琦- 讳件。 o m 图2 5 大量传输和中断传输格式 2 4 主机如何与u s b 外设通信 2 4 1 应用程序如何与设备通信 应用程序与设备通信采用用户与内核模式：u s b 的驱动程序和以往的直 接跟硬件打交道的w i n 9 5 的v x d ( v i r t u a ld e v i c ed r i v e ) 驱动程序不同， 它属于w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 类型，w i n d o w s 9 8 ，w i n d o w s 2 0 0 0 等操 作系统支持该类型的驱动程序。w d m 首先定义了一个基本的核心驱动程序模 型，处理所有类型的数据，使驱动程序模型的内核实现更加的固定。w d m 驱 电子科技大学硕士论文 动程序还是一种分层的程序结构，可以看成是w i n d o w sn t 驱动程序的改进。 w d m 驱动程序支持即插即用，电源管理和w m i ( w i n d o w sm a n a g e m e n t i n s t r u m e n t a t i o n ) 特性。w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 提供了一系列的系统驱 动程序，它们具有为许多标准类型设备服务所需要的所有基本功能。u s b 的 w d m 驱动程序接口如图附录l ，它使用分层驱动模型，有利于设备和它们连接 的总线的独立的驱动。 u s b 通信使用分层驱动模型，每层处理一部分通信过程。把通信分层是有 效的，因为分层可以使不同的设备在一些任务上使用相同的驱动。例如，所 有的设备都连接到u s b 上，因此有一套可以被所有设备访问、包括在操作系 统中的、用来处理u s b 专用通信的驱动是明智的。也可以选择使得每个设备 驱动直接与u s b 硬件通信，这样会出现很多重复劳动。 2 4 2 分层驱动的实现 在w i n d o w s 下，u s b 通信使用两种驱动类型：设备驱动和总线驱动。设 备驱动处理单一设备或一类设备之间的通信。单个的u s b 设备可能使用一个 或多个设备驱动。在设备驱动下有三个驱动处理总线通信的各个方面：h u b 驱动、总线类驱动和主机驱动器驱动。 如图附录2 显示了这些驱动在u s b 通信中如何一起工作的。设备驱动程 序通过使用a p i 函数来与u s b 设备对话。u s b 总线驱动是由根集线器驱动， 总线类驱动和主机控制器驱动所组成的。w i n d o w s 提供了u s b 的系统类驱动 程序，它处理u s b 上的所有底层通信，这样其它驱动程序就有了一个定义好 的接口可以使用。u s b h u b s y s 是u s b 集线器的驱动程序。u s b d 是u s b 类驱动 程序，它使用附录2 图中u h c i s y s 和o p e n h c i s y s 分别驱动两种类型的控制 器：u h c i ( u s bh o s tc o n t r o l l e rd r i v e ) 和o h c i ( o p e nh o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e ) 。当p c i 枚举器发现u s b 主机控制器后，就会装入相关的驱动程 序。 2 5 u s b 的电接口与电气特性 进行u s b 外设的开发必须详细了解u s b 的电接口及其电气特性。下面我 们将详细介绍。u s b 电接口如图2 6 所示，u s b 采用四线电缆：其中两根电 缆为下游( d o w n s t r e a m ) 设备提供电源：v b u s 是电源线，通常+ 5 v ；g n d 是 地线。u s b 是基于令牌的总线，类似于令牌环网络或f d d i 基于令牌的总线。 u s b 主控制器广播令牌，总线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通 电子科技大学硕士论文 过接收或发送数据给主机来响应。u s b 通过支持悬挂恢复操作来管理u s b 总线电源。另两根d + 和d 一差分信号对是用来传送数据的串行通道。其对数 据进行差分编码有助于噪声抵消和确保数据的正确性。它支持两种数据传输 率，对于高速且需要高带宽的外设，u s b 以全速1 2 m b p s 传输数据或4 8 0m p b s 传输数据；对于低速外设u s b 则以】5 m b p s 的传输速率传输数据。u s b 总线 会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。 v - - i d + d - gn d 图2 6u s b 信号分配图 v l d + d g n d u s b 的电气特性则反映了端口驱动电路、传输电平、编码结构、位同步 处理及供电方式等。u s b 串行数据采用了n r z i 编码，在u s b 数据线上传输。 u s l 3 高速驱动器和低速驱动器具有不同的特性：1 个高速u s b 设备的连接是通 过阻抗9 0 ( 1 0 1 5 ) o 、最大单路时延为2 6 n s 的屏蔽双绞线缆进行的，设计 的最大速率可达1 2 m b i t s ，并且每个驱动器的阻抗在2 8 4 4 q 之间。1 个低 速u s b 设备在插口端必须要有1 个带有串行a 口连接器的可控制电缆，其速 率为1 5 m b i t s 。当电缆与设备相连时，在d + d 一线上必须要有1 个2 0 0 4 5 0 p f 的单端电容器。图2 7 和图2 8 分别列出了高速和低速u s b 设备在 集线器的终端位置及其所连的功能设备。从图中可以看出在电缆下游端的电 阻r p u 在两图中的连接位置是不同的：图2 7 接在d + 线上；图2 8 接在d 一 线上、而且与地相连。u s b 设备可有多种电压来源，设备获取的电量也可进 行设置。它有根端口集线器，总线供电的集线器，自供电的集线器三种供电 方式。我们在设计系统时采用的总线供电方式。所有内部功能设备和下游端 口都从其上游端口的总线上获得电源。它最大可获得5 0 0 m a 电流，可支持多 达4 个端口。 厶- nt o 1 5 0 厶- i ，( 1 o 嘲劬 i i 爿i l o 删 图2 7 高速设备电缆和电阻的连接 皇王型垫查堂堡主丝兰 图2 - - 8 低速设备电缆和电阻的连接 1 4 电子科技大学硕士论文 第三章j p e g 标准及实现 本章研究图像压缩技术，在介绍图像压缩基本原理和方法的基础上，重 点讨论了j p e g 算法的实现及特征。另外本人还对j p e g 的核心算法的实现方 法进行讨论，并对j p e g 最新动态作了详细阐述。 3 1 图像压缩的基本原理和常用方法 图像编码技术应用面十分广泛，一直受到普遍重视。目前已经研究出许 多种压缩编码方法，这些方法各基于不同的思想和技术途径，适合于不同的 应用场合。图像压缩编码方法主要有：预测编码、变换编码、根据视觉特性 的量化和变长码、模型编码、多分辩率编码、小波变换编码、分行图像编码、 神经网图像编码等。 以复原图像是否与原图像一致为标准，图像压缩编码可分为无失真编码 和限失真编码。无失真编码又称信息保持编码，或叫做熵保持编码，它要求 在解码端复原图像和原图像完全一致，没有任何失真，或在编码过程中不失 任何信息。无失真编码有很多广泛的应用，例如对医学图像和遥感图像，不 希望在编码过程中丢失信息，就常用无失真编码。同时，无失真编码也是限 失真编码中必要的一环。因此无失真编码是一种相当重要的编码技术。它的 理论基础是香农的无干扰编码定理：在无干扰条件下，存在一种无失真编码 方法，使编码的平均长度与信源任意地接近，即无失真编码的平均码存在一 个下限。 图像压缩编码的过程一般可以概括成图3 - 1 所示的三个步骤，原始图像 经过映射变换后的数据再经量化器和熵编码器成为码流输出 图3 - 1图像压缩一般步骤 在图像压缩编码一般框图中，若用某种形式的正交变换来实现此框图中的 跌射变换，则这种编码方式就称为变换编码。二十年来，人们已对变换编码进 行了大量的研究，它已成为用于静止画面编码和视频编码的种非常流行的压 缩方法。图像信号一般具有较强的相关性，如果所选用的正交矢量空间的基矢 皇王型垫查堂堡主竺塞 一 一 量与图像本身的主要特征很接近，那么在这种正交矢量空间中描述这一图像信 号将会更加简单些。从本质上说，图像经过正交变换后之所以能够实现数据压 缩，是因为经过多维坐标系适当的旋转后，把散布在各个坐标上的原始图像数 据集中到新坐标系中的少数坐标上，从而为后续的量化和编码提供了高效数据 压缩的可能性。 为了保证平稳性和相关性，同时也为了减少运算量，在变换编码( d f t ， d c t ) 中，一般在发送端的编码器中，先将原图f ( m ，i n ) 分成子象块，然后对每 个子象块进行正交变换，形成变换域中的系数阵列f ( s ，t ) 样本，系数选择 器再选择其中的若干主要分量进行变换、编码和传输。接收端解码器经解码、 反量化后得到带有一定量化失真的变换系数f - ( s ，t ) ，再经反变换就得到复 原图像f ( m ，i 1 ) 。显然，复原图像也带有一定的失真，但只要系数选择器 和量化器编码设计得好，这种失真可限制在一定范围内，所以变换编码是一种 限失真编码。编码器的模型如下图3 2 ： 图3 - 2 编码器模型 在理论上，k l 变换是最优的正交变换，它能完全消除子像块内象素间 的线性相关性，经k l 变换后各变换系数在统计上