（机械电子工程专业论文）基于usb20协议的数字电视pc接收系统的设计与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 作为数字电视三大传播方式之一的数字电视地面广播( d t t b ：d i g i t a l t e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) ，由于地面信道状况复杂，在应用需 求上又要求实现移动和便携接收的功能，使整个技术系统的要求最高。在我国 己经开展了该领域的研究并已取得突破性进展，其中以清华大学微波与数字通 信国家重点实验室提出的地面数字多媒体电视广播系统( d m b t ) 最为引人注目。 针对该标准的研究已经展开，尤其在移动接收的领域已取得相当进展，p c 实时接收技术将是下一个应用的突破。在该应用的研究当中，需要解决高速数 据的传输、节目流的解复用和音频流、视频流的解码播放等环节。针对这些问 题作者做了相应研究并提出了自己的解决方案，在此基础上开发了一套数字电 视p c 接收的系统，从而实现了p c 机的实时接收与播放 本论文主要针对u s b 2 0 协议在该系统中的应用进行研究，阐述了一个数字 电视信号p c 接收并实时播放系统的研究与开发方法。本文的主要研究内容如 下： 1 ，介绍了实现该系统所需的软硬件配置以及各性能数据指标，采用 u s b 2 0 协议芯片实现高速数据流的实时传输。 2 ，介绍了u s b 2 0 芯片配合f p g a 共同工作的固件设计方法及各个工作模 式的特性，实现了满足需要的固件设计和工作模式设置。 3 ，研究了主机端的各设备驱动的工作方式和通过默认u s b 设备下载固件 的方法，给出了具体的程序逻辑。 4 ，分析了开源多媒体播放器v l c 的程序结构，配合相关工具实现了接收 实时数据的u s b 插件。 【关键i a l ：u s b 2 0 ，d m b t ，e z u s b f x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 ，数字电视 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d t t b f d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) ，a so n eo f t h et h r e ed i g i t a l t e l e v i s i o ns p r e a dm e t h o d s ，h a st h es t r i c t e s tr e q u e s tt ot h ew h o l e t e c h n o l o g ys y s t e m ， d u et ot h e c o m p l e xg r o u n dc h a n n e la n dm o b i l ef u n c t i o n ，i na d d i t i o nt op o r t a b l e r e c e p t i o n r e s e a r c h e si nt h i sf i e l dh a v eb e e nt a x i e do u ta n db r e a k t h r o u g h p r o g r e s s h a sm a d ea l r e a d yi no u rc o u n t r y d m b - t ，b r o u g h tf o r w a r db yq i n h u a u n i v e r s i t yi s t h eb r i g h t e s ts t a r ；r e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n tb a s e do nt h i sk i n do fs t a n d a r d i z a t i o n h a v eb e e ni n p r o g r e s s ，e s p e c i a l yi n t h ef i e l do fm o b i l er e c e i v i n gt e c h n o l o g y , a n d r e c e i v i n gd i g t a l t vb yp c w i l lb et h ei n c o m i n gb r e a k t h r o u g h i no r d e rt oa c h i e v i n g t h i s g o a l ，s o m ep r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d ，i n c l u d i n gt h eh i g hs p e e dt r a n s f e r so f d a t a ，d e m u xo fp s ，a n dd e c o d eo fa u d i o & v i d e o t h i sp a p e ra t t a c k st h e s ep r o b l e m s a n db r i n g sf o r w a r dav a l i ds o l u t i o ns c h e m e b a s e do nt h i s s c h e m e ，ad i g i t a lt v r e c e i v i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hr e a l i z e st h er e c e i v i n ga n dr e p l a y i n gf u n c t i o n s f o rd i g i t a lp r o g r a m sw i t l lp c t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ea p p l i c a t i o na b o u tu s b 2 0p r o t o c o li nt h i ss y s t e m ， a n dr e a l i z e das y s t e mw i t haf i m c f i o no fm o b i l e r e c e p t i o na n dp l a yi nt i m e t h em a i n c o n t e n di nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w e d ： 1 s t u d y i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nr e a l i z i n gt h i ss y s t e ma n da l lk i n d so f p e r f o r m a n c ed a t ai n d e x ，u s i n gu s b 2 0p r o t o c o lc m o sc h i pt or e a l i z et r a n s m i t t i n g i nt i m ei nh i g h s p e e dd a t as t r e a m 2 s t u d y i n g f i r m w a r e d e s i g nm e t h o db yu s b 2 0c m o sc h i pw o r k i n gi n c o l l a b o r a t i o nw i 血f p g a c o o p e r a t i o na n dp e rw o r km o d e lc h a r a c t e r i s t i c r e a l i z i n g r e a s o n a b l ef i r m w a r ed e s i g n i n ga n d w o r k i n g m o d e l 3 s t u d y i n gt h ew o r k i n gm o d e l o fh o s tc o m p u t e rd e v i c ed r i v e ra n dt h em e t h o d o fd o w n l o a d i n gf i r m w a r et h r o u g hd e f a u l tu s bd e v i c e ，g i v i n gm a t e r i a lp r o g r a m l o g i c 4 s t u d y i n gp r o g r a ms t r u c t u r eo fv l c ，r e a l i z i n gu s bp l u g i na b o u tr e a l t i m e d a t ar e c e p t i o ni nc o l l a b o r a t i o nw i t hr e l e v a n tt o o l s k e y w o r d s ：u s b 2 0 ，d m b - t ，e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 d i g i t a lt v i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 立题的意义 第1 章绪论 随着计算机技术的迅速发展，对外部总线速度的要求越来越高。通用串行 总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，f f p u s b 总线) 凭借其即插即用、热插拔以及较高的 传输速率等优点，成为p c 机与外设连接的普遍标准。在许多便携式电脑上，已 经找不到r s 一2 3 2 接口。迄今为止，常用的u s b 总线标准有1 9 9 8 年发布的u s b i 1 版本和2 0 0 0 年发布的u s b 2 o 版本。其中1 1 版本支持两种传输速率：1 5 m b p s 年h 1 2 m b p s ，主要应用在低速传输要求的场合；而2 o 版本面向高数据率传输的场合， 支持4 8 0 m b p s 的传输速度，并向下完全兼容u s b l 1 协议“”“”。 而另一方面，国家继卫星数字电视和有线数字电视开播之后，地面数字电 视广播( d t t b ：d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) 也将随标 准最后推出，于不久开播。其良好的移动性和广阔的覆盖性，将赢得巨大的市 场。p c 用户可以通过带u s b 接口的外置接收盒或内置p c i 接收卡来解决无线移 动接收数字电视问题。终端的接收设备希望有高的性价比，最佳的选择是自主 设计专用集成电路。实际上，在2 0 0 4 年，清华和上海交大的两家数字电视标准 都不约而同地展开了商业化攻势，其中具有自主知识产权的清华d m b t 地面数 字电视标准目前己在全国7 个省市投入了试运营，从覆盖面上已经形成了与欧 洲d v b t 标准分庭抗争的格局：而上海交大的a d t b t 数字电视地面标准也加快 了产业化步伐，在上海地区开展了车载试运营“”“7 “”1 。 d t t b 标准涉及的是一个无线系统，与传统的模拟信号电视相比，它的特点 非常的明显： 1 ) 传输信息量要大，支持包括高清电视的多媒体广播服务； 2 ) 抗干扰能力强，在一般室内环境下可接收； 3 ) 与现有模拟广播电视频道兼容，并有利于频道规划和模拟向数字过渡； 4 ) 具有灵活性，支持标准高清晰度和高清晰度兼容的电视广播，支持移动 接收设备，支持便携接收设备： 5 ) 具有可扩展性，支持包括互联网的交互数据综合业务，支持广播网络化 的发展需要； 武汉理工大学硕士学位论文 显然，围绕地面数字电视标准的各项研究工作已经全面展开，而本文的立 题意义便在于，通过u s b 2 0 协议相对便于高速数据传输的特点，研究并实现一 种通过u s b 外接盒来实现数字电视信号p c 实时接收并播放的方法。 1 2 相关领域的国内外现状1 6 m 7 3 数字电视是数字传输系统，是原有电视系统的数字化。数字电视系统可以 传送多种业务，如高清晰度电视、常规清晰度电视、立体声及数据业务等等。 下一代电视系统是可以传送普通清晰度电视和高清晰度电视等不同级别图像， 集图像、声音和数据等多种业务的数字系统。 数字化进程中最重要的环节就是数字信号的标准化工作。在数字电视传输 码流中，一个数据包有多大，含有多少字节，每个字节的含义是什么，甚至一 个字节的某一比特位是何意义，都有明确的规定，这就是标准。就电视广播标 准来看，目前，美国、欧洲和日本各自形成三种不同的数字电视标准；即以美 国为代表的a t s c 、以欧洲为典型的d v b t 和由欧洲的d v b t 衍生出来的集中在 f j 本的i s b b t 。 美国的a t s c a t s c 采用的是8 - v s b 调制系统，是在n t s c6 m h z 频道上开发的，即8 电平 残留边带调制方式，采用的是具有导频的单载波调制，是现有成熟a m 调制技术 的发展。抗多径和干扰依赖于复杂的白适应均衡器，不支持移动。 欧洲的d v b t 欧洲的d v b t 采用的是c o f d m ( c e d e do r t h e g e n a lf r e q u e n c yd i v i s i e n m u l t i p l e x i n g ) 调制，基于8 m h z 带宽，采用编码的正交频分复用技术，属于多 载波调制技术，使用1 7 0 5 ( 2 k ) 或6 8 1 7 ( 8 k ) 个载波，2 k 模式支持移动。 日本的i s d b t 日本的i s d b t 是在欧洲d v b t 基础上的改进，采用o f d m 载波调制方案可 适应6 、7 、8 m h z 带宽，并把频带进行分段传输( b a n d w i d t hs e g e m e n t e d t r a n s m i s s i o nb s t ) ，对不同的b s t 采用不同编码类型和调制映射方式( q p s k 或q a m 等) ，以满足不同业务的需求。如对传输多媒体文本文件对信道编码的技 术要求较低，而对移动视频接收等要求则较高。 关于o f d m ： 2 武汉理工大学硕士学位论文 p c 接收是移动接收的一个实例，而移动接收就是要解决动态多径和多普勒 频移的问题。由于o f d m 调制系统首先是将高码率的串行数据流变成n 个低码率 的并行数据流，并对n 个彼此互不影响( 正交) 的载波分别进行调制符号码率 的降低实际上是符号周期的增大，使动态多径和多普勒频移造成的码间干扰减 小，加上保护间隔的设置，减少了多径对多载波正交特性的影响，使码间干扰 进一步减小，从而能很好的支持移动接收。 我国的盯i b 标准情况。” d t t b 标准涉及的是一个无线系统，我国一直对标准的出台十分重视，强调 必须出台具有自主知识产权的d t t b 标准，这主要是出于政治、经济等因素的考 虑。我国d t t b 的制定原则是： 1 ) 输信息量要大，支持包括高清电视的多媒体广播服务； 2 ) 抗干扰能力强，在一般室内环境下可接收； 3 ) 与现有模拟广播电视频道兼容，并有利于频道规划和模拟向数字过渡： 4 ) 具有灵活性： 5 ) 支持标准高清晰度和高清晰度兼容的电视广播 6 ) 支持移动接收设各 7 ) 支持便携接收设备 8 ) 具有可扩展性 9 ) 支持包括互联网的交互数据综合业务 1 0 ) 支持广播网络化的发展需要 最终实现包括节目点播的个性化电视服务由国家计委、信息产业部、广电 总局共同主导的我国d t t b 标准制定。目前已提交了5 套d t t b 传输方案，它们 是： 1 ) ，。电总局广播科学研究院的射频子带分割双载波混合调制系统 ( c d t b - t ) ； 2 ) 国家h d t v 总体组的高级数字电视广播系统( a d t b t ) ，它为混合传输模式 的单载波系统； 3 ) 国家h d t v 总体组的b d b t 系统，它基于多载波调制技术； 4 ) 成都电子科技大学的同步多载波扩频地面数字电视传输系统 ( s m c c c o f d m ) ； 5 ) 清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的地面数字多媒体电视广 武汉理工大学硕士学位论文 播系统( d m b t ) ，它采用时域同步正交频分复用调制技术( t d s o f d m ) 。 有关部门对5 套标准进行了比较和测试，最新的进展情况是，4 月11 日测 试结果已有定论：“清华方案”、“d v b t ”、“总体组方案”依次是测试和接 收效果的优劣顺序。据悉国家有意考虑以清华大学提交的方案为主融合其他方 案之长，形成我国的d t t b 标准。原定于2 0 0 0 年6 月出台的国家d t t b 标准，因 各种原因推迟到今年年底出台。究竟能否按期出台，目前尚不得知。 据悉，国家地面数字电视标准将采用清华和上海交大两个标准的融合方案。 由于一育没有最后结果，2 0 0 4 年上半年之前，国内数字电视市场基本上采用的 是欧洲d v b t 标准。但仅仅几个月的时间，这种局面发生了极大的改变。有关 方面提供的数据表明，除上海采用了交大的a d t b t 标准之外，国内采用清华 d m b t 标准的省份和地区累计已达7 个。欧洲d v b t 标准尽管占有9 个省区市 的份额，但从2 0 0 4 年下半年开始，欧洲标准没有再新增任何省份或地区，下半 年的新增市场空间完全被国产标准所掌握。“。 有关方面透露，出现这样的局面主要由于国产标准产业化条件开始成熟， 并采取了先行逐步展开商业试运营的策略。 大规模投入商业运营是检验任何标准成功的关键性指标之。2 0 0 3 年，清 华d m b t 标准的接收芯片开发成功，并实现批量产业化后，清华大学和长虹、 康佳、t c l 、海信等8 家国内彩电领军企业，开发出该标准的数字电视机、机顶 盒和数模一体电视机，同时，吉兆、北广、东芝等国内外主要广播设备企业也 完成了该标准的数字电视激励器、发射机等设备研制，并达到了产业化应用的 水平，推动了试运营规模的不断扩大。 国产地面数字电视标准之所以能迅速与欧洲标准抗衡，是在市场对比中显 示出优于欧洲标准性能的缘故。国产标准的核心技术完全是自主开发的，并且 在组网之后的系统集成、升级维护也全部能靠自身的技术力量来实现，这就使 得国内厂商大大节省了开支。 而作为数字视频接收三种方式( 卫星、有线和地面无线) 的两种终端( 机 顶盒和接收卡) ，在北京、上海和江苏等地，有一些做机顶盒和计算机接收卡较 为成功的企业，如算通、蓝拓扑和银河等。在深圳地区有创维和同洲等。 目前国内还未有企业生产地面数字电视接收卡，卫星和有线数字电视接收 卡也都停留在p c b 上，依赖国外芯片生产接收卡和机顶盒，制约了用户终端的 推广。尽管市场空间很大，但由于芯片进口，软件依赖芯片开发商，成本高( 6 0 0 4 武汉理工大学硕士学位论文 元以上) ，一直产量不大。若芯片推出，新终端将以其卓越的性价比和简单的生 产流程，提高产量。 国家地面数字电视标准即将推出，在新的标准上的应用将随之展开，因此， 本文就基丁清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的地面数字多媒体电 视广播系统( d m b t ) ，利用u s b 2 0 协议高速度的特点解决了地面数字电视的p c 接收问题。由于不存在核心技术受制于人的问题，本系统的成本比起国外同类 产品大幅降低。 1 3 课题研究背景和研究内容 本课题于2 0 0 4 年5 月至2 0 0 4 年1 1 月在深圳清华大学研究院所完成，是基 于d m b t 地面数字标准的横向应用研究。 本文主要研究了基于u s b 2 0 的d m b tp c 数字电视接收技术。主要内容为 以下几个方面： 1 ) 系统总体框架：通过对系统各个性能数字指标的分析，建立系统工作模 式、组织结构、运行环境的总体框架。 2 ) 硬件原理：包括数字电视信号调协器t u n e r 与f p g a ，f p g a 与u s b 2 0 设 备芯片的电路连接，芯片工作模式的选择，外围电路的设计等。 3 ) 软件设计：运行于u s b 设备芯片内部的固件设计、驱动程序设计以及嵌 入多媒体播放器v l c 的u s b 插件设计。 作者同时也做了大量的测试工作。包括软件实现和硬件电路连接、系统的 搭建等。 1 4 论文组织结构 本文共分为6 章： 第l 章：概述。主要阐述本文的立题意义、研究背景和论文的组织结构。 第2 章：论述了u s b 2 0 协议的基本概念，并就此阐述了基于u s b 2 0 协议 的数字电视接收系统的总体框架。 第3 章，对f p g a 芯片和u s b 协议芯片做了介绍，同时说明了由它们构成的 数据通道的硬件原理。 第4 章：介绍了u s b 芯片内部的固件设计以及实现。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章：对u s b 设备驱动与应用程序的开发做了说明。 第6 章：工作总结和展望。在这一章节中，对全文作了总结，并指出自己 所作的工作和创新点，以及系统需要进一步改进的地方。 在论文的结尾处列举了本人在攻读硕士学位期间所发表的论文。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统框架 相对模拟电视而言，数字电视数据传输量大的特点是显而易见的，主机与 设备的接口应具有相当的数据交换速度。鉴于此，u s b 2 0 协议的优点是很明显 的，它的相关理论是本论文工作的基础和出发点。本章首先对u s b 2 0 协议作一 些介绍，再对整个系统的框架给予说明。 2 1 u s b 2 0 协议简介啪7 3 2 0 0 0 年由i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 、c o m p a q 、l u c e n t 、p h i l l i p s 等公司共同制 订的u s b 2 0 ( u n iv e r s a ls e r i a lb u s ，即通用串行总线) 传输协议，速度远远 超过了目前使用i e e e l 3 9 4 接口进行视频传输的4 0 0 m b p s ，达到了4 8 0 m b p s ， 而且具有即插即用的p n p ( p l u g a n dp l a y ) ，可进行菊花链式的级联( 通过u s b h u b 进行外围扩展) ，可串连多达1 2 7 个u s b 设备。 2 1 1 u s b 系统的描述9 9 伸0 3 一个u s b 总线结构一般由三部分组成： 1 ) u s b 主机( 一般处于p c 内部) ； 2 ) u s b 设备( 包括功能设备和集线器h u b ) ； 3 ) 电缆。 u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心 每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或 其功能部件。 2 1 1 1u s b 的主机 在任n u s b 系统中，只有一个主机。u s b 和主机系统的接口称作主机控制器 主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的， 用以提供更多的连接点。 2 1 1 2 u s b 的设备 u s b 的设备如下所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 网络集线器，向u s b 提供了更多的连接点： 功能器件：为系统提供具体功能，如d v b 接收卡，移动硬盘。 2 1 2 物理接口 u s b 的物理接口包括其电气特性和机械特性。 2 1 2l 电气特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 一l 中的两根线是用于发送 数据信号。 v b u s d + d g n d 图2 1u s b 的电气连接原理 存在三种数据传输率： 高速比特率为4 8 0 m b p s ； 全速比特率为1 2 m b p s ： 低速比特率1 5 m b p s ； 2 1 2 2 机械特性 v b u s d + d g n d 所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器是不可简单互 换的，这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接，电缆中有四根导线： 一对互相缠绕的标准规格线，一对符合标准的电源线，连接器有四个方向，具 有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 2 1 3 电源 主要包括两方面： 电源分配：b p u s b 的设备如何通过u s b 分配得到由主计算机提供的电源 电源管理：即通过电源管理系统，u s b 的系统软件和设备如何与主机协 8 武汉理工大学硕士学位论文 调工作。 2 13 i 电源分配 每个u s b 单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的u s b 设备提供电源供其使用。并且每个u s b 设备都可能有自己的电源。那些完全依 靠电缆提供能源的设备称作“总线供能”设备。相反，那些可选择能源来源的 设备称作“自供电”设备。而且，集线器也可由与之相连的u s b 设备提供电源。 2 13 2 电源管理 u s b 主机与u s b 系统有相互独立的电源管理系统。u s b 的系统软件可以与主机 的能源管理系统结合共同处理各种电源事件如挂起、唤醒，并且有特色的是， u s b 设备应用特有的电源管理特性，可让系统软件和控制其电源管理。u s b 的电 源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中，如采用电池的笔记 本电脑。 2 1 4 总线协议瑚1 u s b 总线属一种轮询方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每 一总线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则，在每次传送 开始时，主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向，u s b 设各地址和终端 号的u s b 数据包，这个数据包通常称为标志包( t o k e np a c k e t ) 。u s b 设备从解码 后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备 就是从设备到主机。在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发 送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一 个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之间的u s b 数据传输，在主 机和设备的端口之间，可视为一个通道。存在两种类型的通道：流和消息。流 的数据不像消息的数据，它没有u s b 所定义的结构，而且通道与数据带宽、传送 服务类型，端口特性( 如方向和缓冲区大小) 有关。多数通道在u s b 设备设置完 成后即存在。u s b 中有一个特殊的通道缺省控制通道，它属于消息通道，当 i 殳备启动即存在，从而为设备的设置、查询状况和输入控制信息提供一个入 口。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 5 健壮性。1 u s b 健壮性的特征在于： 使用差分的驱动接收和防护，以保证信号完整性； 在数据和控制信息上加了循环冗余码( c r c ) ； 对装卸的检测和系统级资源的设置； 对丢失或损坏的数据包暂停传输、利用协议自我恢复： 对流数据进行控制，以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全； 数据和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影响独立开，消除了 负作用。 2 1 5 1 错误检测 u s b 传输介质产生的错误率是与自然界的异常现象的概率相吻合，是瞬时出 现的，因此就要在每个数据包中加入检测位来发现这些瞬时的错误，并且提供 了一系列硬件和软件设施来保证数据的正确性。 协议中对每个包中的控制和数据位都提供t c r c 循环冗余码校验，若出现了 循环冗余码的错误则被认为是该数据包已被损坏，循环冗余码可对一位或两位 的错误进行1 0 0 的修复。 2 1 5 1 2 错误处理 协议在硬件或软件级上提供对错误的处理。硬件的错误处理包括汇报并重 新进行上一次失败的传输、传输中若遇到错误，u s b 主机控制器将重新进行传输， 最多可再进行三次。若错误依然存在，则对客户端软件报告错误，客户端软件 可用一种特定的方法进行处理。 2 1 6 系统设置 u s b 设备可以随时的加入或移除，因此，系统软件在物理的总线布局上必须 支持这种动态变化。 216 1u s b 设备的加入 1 9 【2 0 所有的u s b 设备都是通过端口接在u s b 上，网络集线器知道这些指定的u s b 设 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 备，集线器有一个状态指示器指明在其某个端口上，u s b 设备是否被加入或移除 了，主机将所有的集线器排成队列以取回其状态指示。在u s b 设备加入后，主机 通过设备控制通道激活该端口并以地址0 来配置该u s b 设备。 主机对每个设备指定唯一的u s b 地址。并检测这种新装的u s b 设备是集线器 还是功能部件。主机为u s b 设备建立了控制通道，使用指定的u s b 的地址和零号 端口。 如果安装的u s b 设备是集线器，并且u s b 设备连在其端口上，那上述过程对 每个u s b 设备的安装都要做一遍。如果安装的设备是功能部件，那么主机中关于 该设备的软件将因设备的连接而被引发。 2 1 6 2u s b 设备的移除 当u s b 设备从集线器的端口移除后，集线器关闭该端口，并且向主机报告该 设备已不存在。u s b 的系统软件将准确进行处理，如果移除的是u s b 集线器，u s b 的系统软件将对该集线器相连的所有设备进行处理。 2 1 6 - 3 总线标号 总线标号就是对连接在总线上的设备指定唯一的地址的一种动作，因为u s b 允许u s b 设备在任何时刻从u s b 上加入或移除，所以总线标号是u s b 的系统软件始 终要作的动作，而且总线标号还包括对拆除设备的检测和处理。 2 17u s b 数据包、帧结构和数据流种类 2 1 7 1 数据包 u s b 传输的数据包的类型用称之为p a c k e ti d s ( p i d s ) 的特定代码来定义。 u s b 包中共有4 种p i d 类型，如表2 1 所列。 表2 1u s b 的数据包格式【1 9 p i d 类型p i d 名称 令牌i n ，o u t ，s o f ，s e t u p 数据d a t a 0 ，d a 工a 1 ，d a t a 2 ，m d a t a 握手a c k ，n a k ，s t a l l ，n y e t 特殊类型p r e 。e r r ，s p u t ，p i n 武汉理工大学硕士学位论文 在全速模式时，每个o u t 传输发送o u t 数据包，不考虑外设是否处于“忙” 状态而不能接收数据。针对这种浪费带宽的情况，在高速模式时推荐使用新的 p i d 类型“p i n g ”。主机先对o u t 端点发出个较短的“p i n g ”令牌，访问当前 外设是否有数据文凭间来存放o u t 的数据包。仅仅当外部设备回答“a c k ”时， 主机才发送较长o u t 数据包。 s e t u p 令牌只用于控制传输。它数据包中的前8 个字节。通过这8 个字节， 外设对主机的设备请求进行译码。 s o f 令牌代表一个u s b 帧的开始。 a c k ( a c k n o w l e g d e ) 表示成功，数据接收无误。 n a k ( n e g a v i t ea c k n o w l e g d e ) 表示忙，待发。这并不是出错，u s b 外设没 有应答表示出错。 s t a l l 表示未知错误，外设未能理解主机发出的设备请求，可能是外设端出 错，或是主机访问并不存在的资源。u s b 协议提供了从s t a l l 状态恢复的方法。 2 17 2 帧结构 u s b 主机每毫秒向所有的u s b 设备发送一个s o f 包( s t a r to ff r a m e ) ，以此来 提供时间基准。s o f 包括1 个自增的1 1 位帧序号。芯片随时可以从寄存器中读出 这个范围在 o 2 0 4 7 的帧序号。 在高速模式下( 4 8 0 m b s ) ，每个i m s 长的帧被分成了8 个1 2 5us 长的微 帧。每个微帧也都由一个s o f 包开始。帧序号还是每个毫秒自增1 次，所以这 8 个微帧都含有相同的帧序号。为了区别每个微帧，f x 2 提供1 个只读的微帧计 数器，并且f x 2 能在收到s o f 包时产生1 个中断请求，即在全速模式下i m s 次， 高速模式下1 2 5us 次。 数据和控制信号在主机$ u s b 设备间的交换存在两种通道：单向和双向。u s b 的数据传送是在主机软件和一个u s b 设备的指定端口之间。这种主机软件s d u s b 设备的端口间的联系称作通道。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u s b 设备可有许多通道。 2 1 7 3 数据传输类型 1 9 】 u s b 的结构包含四种基本的数据传输类型： 1 ) 控制传输：控制传输是必须的。基于消息的传输( m e s s a g ep i p e ) 主要用于 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 读取设备配置信息及设备状态、设置设备地址，设置设备属性、发送控 制命令等功能。 2 ) 批量传输：基于数据流的传输( s t r e a mp i p e ) 非周期性的数据传输，仅全速 n 速设备支持块数据传输，同时，当且仅当总线带宽有效时才进行块数 据传输。 3 ) 中断传输：基于数据流的传输( s t r e a mp i p e ) 中断传输用来支持那些收发数 据不是很频繁但又有一定周期的设备，比如说键盘、鼠标等。 4 ) 实时传送：基于数据流的传输( s t r e a mp i p e ) 实时传送有固定的带宽；具有 确定的传送速率；如果一次数据传送失败，不需要重新传送。对于任何 给定的设备进行设置时一种通道只能支持上述一种方式的数据传输 为了适用4 8 0m b s 的高速数据传输，u s b 2 0 协议扩大了各种传输类型数据 包长度，与u s b l 1 的对照如表2 2 所列。 表2 2u s b 2 0 与u s b l 1 数据包长度的对照【2 0 】 数据包长度( b y t e s ) 传输类型 u s b l 1u s b 2 o 控制传输 8 ，1 6 ，3 2 ，6 46 4 块传输 8 ，1 6 ，3 2 6 45 1 2 中断传输 1 6 41 0 2 4 n 步传输 1 0 2 31 0 2 4 2 1 8 设备描述3 主要分为两种设备类：集线器和功能部件。只有集线器可以提供更多的u s b 的连接点，功能部件为主机提供了具体的功能。 当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的u s b 地址。设备就是通过 该u s b 地址被操作的，每一个u s b 设备通过一个或多个通道与主机通讯。所有u s b 设备必须在零号端口上有一指定的通道，每个u s b 设备的u s b 控制通道将与之相 连。通过此控制通道，所有的u s l 3 设备都获得控制操作的信息。在零号端口上， 控制通道中的信息应完整的描述u s b 设备、此类信息主要有以下几类： 标准信息：这类信息是对所有u s b 设备的共同性的定义，包括一些如厂 商识别、设备种类、电源管理等的项目。设备设置、接口及终端的描 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 述在此给出。 类别信息：此类信息给出了不同u s b 的设备类的定义，主要反映其不同 点。 u s b 厂商信息：u s b 设备的厂商可自由的提供各种有关信息，其格式不 受该规范制约。此外，每个u s b 设备均提供u s b 的控制和状态信息。 2 1 9u s b 主机：硬件和软件 u s b 的主机通过主机控制器与u s b 设备进行交互。主机功能如下： 检测u s b 设备的安装和拆卸 管理在主机和u s b 设备之间的控制流； 管理在主机和u s b 设备之间的数据流； 收集状态和操作信息： 提供能量给连接的u s b 设备。 主机上u s b 的系统软件管理u s b 设备和主机上该设备软件之间的相互交互。 2 2 系统的框架 2 2 1 系统的基本性能指标分析”7 d m b t 的核心技术依然是通用的m p e g 2 视频和音频编码，接收机将提供 直到“6 2 5 j i 演播室质量”( i t u rr e c b t6 0 1 ) 的图像，可以是4 ：3 或1 6 ：9 宽高 比。还可根据业务要求确定所用的码率。 一般来说，所选码率越高，图像的质量越好，但占用频带越宽。码率的选 用与图像内容有很大关系，对于运动较多的图像如体育节目等，应采用较大的 码率：而对于卡通片等节目可采用较小的码率。因此目前在把多个节目比特流 复用合成一个比特流的情况下都采用统计复用的方法，能在不同码率需要的节 目间灵活地分配总数码率。 为了满足所有种类素材的要求，i tu - r e ct b6 0 1 演播室质量所需数码率为 9 m b p s ，p a l s e c a m 播出质量所需数码率为5 n b p s ，由于m p e g 一2 传送比特流是 一种数据包结构，所以可以很方便地加入适当信息，把各种不同的业务，如图 像声音和数据业务合在一起，并对服务信息的格式作详细的规定，所形成的标 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 准就是服务信息标准e t s 3 0 0 4 6 8 。同样由于m p e g 一2 未确定实际的加扰系统和密 钥管理系统，d m b t 也制定了解码器应用的条件接收公共接口。 在本系统中我们使用的接受机是基于d m b t 的自主知识产权芯片中视一号 为内核的t u n e r ( 调谐器) 模块，外接天线后可以直接向下传输比特流。并可以 通过i2 c 总线对信号接收频点进行设置。 考虑到实时接收和即插即用的系统要求，使用基于u s b 协议的接收装置是 必然的选择。另一方面，以d m b t 地面数字多媒体广播的标准，t u n e r ( 天线调 谐器) 以下的最大输入码流为6 0 m b p s ( 串行) 7 5 m b p s ( 并行) ，若以p c 机接收 数字电视信号则u s b i 1 根本无法达到要求，而u s b 2 0 协议相对高速的特点 正好满足系统要求。 从项目开发的角度上看，u s b 的开发包括硬件设计、固件( f i r m w a r e ) 开 发、设备驱动程序开发、应用程序开发几个部分。如今市面上的主流u s b 2 o 协 议设备控制器大致有两类：一类是c y p r e s s 公司的e z u s b 芯片，一类是p h i l i p s s e m i c o n d u c t o rp d i u s b d l 2 ，权衡之后决定使用前一类。这不仅仅因为c y p r e s s 公司提供了一个通用的驱动模板，设备驱动程序几乎不需要重新写，而且这款 芯片具有诸多特性，这会在以下章节给予说明。 另外，由于我们使用模块化的t u n e r ，它与u s b 2 0 设备芯片频域( t u n e r 为6 0 m b p s 串行，而u s b 高速工作时为4 8 0 m b p s ) 不一致，而且考虑到出错处理 的需要，我们使用一块f p o a 完成与设备芯片的字同步和位同步( f p g a 内部a s i c 逻辑不是本文重点) 。 2 2 2 系统的基本框架m 本设计以c y p r e s s 公司的e z - u s bf x 2 系列中的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片作为核心控 制器，配合x i l i n x 公司s p a r t a n i ix c 2 s 2 0 0f p g a 芯片实现符合u s b 2 0 标准 的数字电视p c 接收系统。 系统主要由t u n e r 模块，f p g a 模块，u s b 控制器模块及p c 机构成。各个模块 之间的相互关系如图2 一l 所示。图中，t u n e r $ 0 用天线接收经过调制的无线电波 信号，解调后形成传输速率为6 0 m b p s ( 串行) 7 5 m b p s ( 并行) ，以1 8 8 b y t e s 为 个包的t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 流数据，每个包以o x 4 7 为同步字。f p o a + u s b 2 0 板接收t s 流，做简单的出错处理后发往主机【1 7 1 8 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 系统框图 在主机一侧，可以通用的支持m p e g 一2 的多媒体播放器接收实时的t s 传输流 并播放。开发时间的关系，我们寻求开源资源并最终确定使用开源组织v 2 d e o l a n 的开源项目v i d e o l a np r o j e c t c p 的v l c 多格式多平台软件。由于是开源软件，我 们可以通过阅读说明文档及代码作出改进。实际的结果是，我们需要编写一个 接收u s b 端口数据的插件。关于这个程序的结构和插件的编写，可以参考以下章 节。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章由f p g a 和u s b 设备芯片构成的数据通道 3 1 芯片的硬件原理 3 1 1u s b 2 0 设备芯片c y 7 0 6 8 0 1 3 介绍 6 y 7 c 6 8 0 1 3 属于c y p r e s s 公司的f x 2 系列产品，它提供了对u s b 2 。o 的完整解决 方案。该公司的e z u s b 系列包括了6 个分类：基本的e z u s b 、e z u s b f x 、e x u s 8 f x 2 、e z u s bs x 2 、e z u s bt x 2 、e z u s ba t 2 。在这些类型中，f x ( f a s t e rx c e l e r a t o t ) 新增了较快的i o ，以及一个可编程接口，来主持配置和自动联络。其他 的f x 2 、s x 2 、t x 2 和a t 2 几种类型都是为u s b 2 o 设计的解决方案，支持高速数据 传输( 4 8 0 m b i t s