（光学工程专业论文）基于cpld和usb高速图像采集和传输系统设计.pdf

哈尔滨上程人学硕士学位论文 摘要 现代信息技术的迅猛发展，使得待处理的信息量急剧增加，高 速图像采集和传输的研究与应用，尤其是实时的图像引起了更广泛 的关注。u s b 具有传输速度快，支持热插拔和即插即用，易于扩展， 占用的系统资源少等优点。u s b l 1 支持两种传输速率：1 5 m b p s 和 1 2 m b p s ，而u s b 2 0 将速度提高了4 0 倍( 即4 8 0 m b p s ) ，能够满足高 速外设的需要。 本课题重点研究了u s b 总线的体系结构和特点，包括总线特征、 信号环境、传输类型、数据流模型等；并针对传统的p c i ，i s a e p p e c p 等接口的图像采集系统的不足，我们提出了一种基于u s b 2 o 接口技术和c p l d 的高速图像采集和传输的实现方案。编写了 u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 13 的固件程序和驱动程序。 1 概括的介绍了u s b 总线的特点，u s b 总线和其他总线相比 的优点以及u s b 2 0 和u s b l 1 之间的不同之处。 2 对视频转换芯片s a a 7 1 1 1 a 和c y p r e s s 公司的u s b 2 0 芯 片c y 7 c 6 8 0 13 作了相应的介绍，提出了一个基于c p l d 和u s b 的 高速图像采集和传输系统的设计方案。 3 介绍了图像采集、帧存储的现有的方法，根据系统实时性和 c y 7 c 6 8 0 13 的大吞吐点端点的特点，提出了新的切实可行的方法， 根据s a a 7 1 1 l a 的输出数据的时序特点，编写了c p l d 的时序控制 程序，并进行了仿真。 4 根据系统的要求，编写u s b 的固件程序。 5 用d r i v e rs t u d i o 编写u s b 的驱动程序。 关键词：u s b ；c p l d ；c y 7 c 6 8 0 13 ；s a a 7 1 1 1 a ；图像 哈尔滨i 稗人学硕士学位论文 a b s tr a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e r ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e i n f o r m a t i o nt ob ep r o c e s s e di n c r e a s ei m m e n s e l y t h er e s e a r c h e sa n d a p p l i c a t i o n so fh i g h s p e e di m a g ea c q u i s i t i o na n dt r a n s f e r i n g ，e s p e c i a l l y r e a l t i m ei m a g ec a t c hg r e a ti n t e r e s t sf r o mr e s e a r c h sa l lo v e rt h ew o r l d u s bh a st h ea d v a n t a g eo fh i g h s p e e d ，h o t p l u g i n ，p l u ga n dp l a y ，e a s i l y t oe x p a n da n de n g r o s s i n gl e s ss y s t e mr e s o u c e ，e t c u s b1 1h a st w ok i n d s o fs p e e d ：15 m b p sa n d1 2 m b p s ，b u tu s b 2 0h a st h es p e e do f 4 8 0 m b p s ， w h i c hc a nm e e tw i t ht h ed e m a n d so fh i g h s p e e dp e r i p h e r a ld e v i c e s t h i s s u b j e c t d i s c u s s e st h ea r c h i t e c t u r ea n df e a t u r eo fu s b i n c l u d i n gb u sa t t r i b u t e s ，s i g n a le n v i r o n m e n t ，d a t af l o wm o d e l ，a n ds o o n a f t e rt h a t ，i tb r i n g sf o r w a r dad e s i g ns c h e m eo fi m a g ea c q u i s i t i o n a n dt r a n s f e r i n gw i t hu s b 2 0i n t e r f a c e ，w h i c hi sb a s e du p o nt h ed e f e c t s o ft r a d i t i o n a li n d u s t r yb u s ，s u c ha si s a 、p c i ，t h e ni t d e s i g n sa n d r e a l i z e st h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ei m a g ea c q u i s i t i o na n dt r a n s f e r i n g w i t ht h eu s bi n t e r f a c e ，p r o g r a m sf i r m w a r eo fc y 7 c 6 8 013 ，i tp r o g r a m s t h eu s bd e v i c ed r i v e ro ft h es y s t e m 1 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n t r o d u c t i o nu s bb u ss u m m a r i z e d a d v a n t a g ea n du s b 2 0t h a tu s bb u sc o m p a r e sw i t ho t h e rb u s e s a n d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nu s b l 1a n du s b 2 0 2 v i d e ot r a n s f e r c h i p s a a 7111aa n du s b 2 0o fc y p r e s s c o m p a n y 一c y 7 c 6 8 013h a v em a d ec o r r e s p o n d i n gi n t r o d u c t i o n h a v e p u t f o r w a r dt h ed e s i g np l a no fah i g h s p e e dp i c t u r e g a t h e r i n ga n d t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nc p l da n du s b 3 h a v ei n t r o d u c e dt h ee x i s t i n gm e t h o dt h a tt h ep i c t u r ei sg a t h e r e d ， t h ef r a m es t o r e s ，a c c o r d i n gt o h a n d l i n gu ps o m ec h a r a c t e r i s t i c so f e x t r e m ep o i n tg r e a t l yo ft h er e a l t i m ec h a r a c t e ro ft h es y s t e ma n d 哈尔滨l ：程大学硕+ 学位论文 c y 7 c 6 8 0 13 h a v ep u tf o r w a r dt h en e wf e a s i b l em e t h o d a c c o r d i n gt o t h et i m es e q u e n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed a t e o u to fs a a 7 1 lla h a v e w r i t t e nt h et i m es e q u e n c ec o n t r o lp r o c e d u r eo fc p l da n dc a r r i e do n e m l a l a t i o n 4 a c c o r d i n g t ot h e s y s t e m a t i cd e m a n d ，w r i t e t h ef i r m w a r e p r o c e d u r eo fu s b 5 w r i t et h ed r i v e ro fu s bw i t hd r i v e rs t u d i o k e yw or d s ：u s b ；c p l d ；c y 7 c 6 8 0 13 ；s a a 7 1 l l a ；i m a g e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：盏堡墨 日期帕年月2 1 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 高速图像数据采集系统主要完成数据信息的采集、a d 转换、压缩处理， 然后通过p c 接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理。目前，以 这一部件为核心的设备在国内外得到广泛的应用，如：工业控制中现场数据 的采集系统；机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备：家 庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。但是，这些数据采集系统普遍 采用的是p c 上的r s 一4 8 5 总线、i s a 总线、p c i 总线和e p p e c p 总线等。 1 r s 一4 8 5 总线 r s 一4 8 5 总线是c c i t t 标准化v 1 l x 2 7 兼容的平衡式电气特性标准。这 种标准应用集成电路技术，在一对平衡的互联电缆a 和b 上传送差分信号， 在接收端使用差分接收器进行信号判决。在电缆a 和b 上，如果a 线的电 位比b 线高0 3 v ，则发送的是逻辑“1 ”；如果a 线的电位比b 线低o 3 v ， 则发送的是逻辑“o ”。这种接口的抗干扰性能很好，信号发送频率最高可达 1 0 m h z 。在信号发送速率小于1 0 0 k b p s 时，传输距离可大于1 0 0 0 米。r s 4 8 5 接口在一个回路上可以进行半双工通讯通信。所以只需要两根线就可以进行 双向通讯，并可以很方便的构成一个一点对多点或多点之间相互通信的网络。 2 i s a 总线 i s a 数据总线最早用于p c a t 机，也被称为a t 总线。它是对x t 总线 的扩展，以适应8 1 6 位数据总线。i s a 总线的时钟频率为8 3 3m h z ，最高传 输速率为8 3 3m b p s 。 3 p c i 总线 p c i 总线是i n t e l 公司于1 9 9 3 年推出的新一代局部总线标准。它可同 时支持多组外围设备。p c i 局部总线不受制于处理器，为中央处理器及高速 外围设备提供一座桥梁，更可以作为总线之间的交通指挥员，提高数据吞吐 量。p c i 采用高度综合化的局部总线结构。其优化的设计可充分利用今同最 哈尔滨j 程人学硕士学位论文 先进的处理器及个人电脑科技。它可确保电脑部件、附加卡及系统之间的运 行可靠，并能完成兼容已有的i s a 、e i s a 和m c p 扩展总线，最高传输速率 为1 3 2 m b p s 。 这些数据采集设备存在着以下缺陷：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插 槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差：在一些电磁干扰性强的测试现 场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真；r s 4 8 5 总线和i s a 总 线的传输速度慢，不能满足音视频高速实时传输的要求。 u s b 全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，是1 9 9 4 年底由i b m 、 i n t e l 、c o m p a q 、d e c 、m i c r o s o f f 、n e c 和n o r t h t l e c o m 共同丌发的p c 外设 接口标准。它的主要优点如下：数据传输速率明显快于一般的串口；支持四 种传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输，以满足不同外设的 需要；最多可以连接1 2 7 个外部设备；支持热拨插和即插即用；占用的系统 资源少( 只占用一卜i r p ) ；无总线竞争等。u s b l ，1 支持两种传输速率 1 2 m b p s ( 全速) 和1 5 m b p s ( 氐速) ，而u s b 2 0 数据传输速度可达4 8 0 m b p s 。这 样就给我们提供了一个高速、方便、低成本的接口，在很大程度上改善了外 设和接口之间的矛盾。 一般的图像采集和传输方法是：帧图像的奇数场图像数据在场延时后 存储在奇数场s r a m ，偶数场的图像数据延时后存储在偶数场s r a m 。在一 帧图像采集完毕后，u s b 此时接收到一个中断，u s b 开始从奇数场s r a m 和 偶数场s r a m “乒乓”式读出两场数据。由于u s b 2 0 所拥有的4 个大吞吐 量端点的特点以及u s b l 1 以及其他总线速度上的不足，不能满足图像实时 性的要求，故需要在硬件和软件方面进行相应的改进才行。在硬件方面，采 用了c y p r e s s 的u s b 2 0 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 ，从而满足了图像实时性的要求。 在软件方面，摒弃了以前的图像帧存储的方法，采用了另一种不同的图形存 储方法，正好满足c y 7 c 6 8 0 1 3 大吞吐量端点读写数据的特性。 1 2 课题的主要研究内容和主要工作 本课题主要研究了u s b 总线技术，包括总线特征、信号环境、数据传输 类型、数据流模型和信息包等，并对u s b i 1 和其他的总线进行了进行了分析 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 和比较。 基于u s b 2 0 技术，我们提出了一种u s b 接1 2 1 的图像采集卡实际应用方 案，设计并制作了基于c p l d 和u s b 接口的图像采集和传输的硬件系统，编 写了u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的固件程序。最后，为了实现主机软件和 硬件系统之间的通信，我们编写了u s b 设备的驱动程序。 1 3 论文的内容结构 1 第一章介绍了课题的由来，然后讲述了课题的研究内容和主要工作， 最后列出了论文的内容结构。 2 第二章介绍了u s b 协议，包括总线特征、信号环境、数掘流模型和 信号包。 3 第三章阐述了基于c p l d 和u s b 的硬件设计方案，对视频转换芯片 s a a 7 1 1 i a 和u s b 2 0 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 作了介绍，提出了图像采集和帧存储 的可行的方法。 4 第四章介绍了本系统中u s b 的固件开发。 5 第五章详细地说明了u s b 设备的驱动程序开发。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章u s b 2 0 的通信协议 为了解决传统p c 机在发展过程中所遇到的些问题，如外设通信端口 数量不足，外设连接繁琐，配置困难，数据传输速率低等，c o m p a q ，d e c ， i b m 、i n t e l ，m i c r o s o f t ， n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 七家公司共同研制开发 了u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，即通用串行总线。u s b 是一种快速的、方便 的、廉价的新一代总线接入技术，其优点如下： 1 成本低。为了把外设连接到p c 机上，u s b 提供了一种低成本的解决 方案； 2 u s b 支持热插拔和即插即用； 3 占用的系统资源少( 只占用一个i r p ) ，无总线竞争； 4 速度快：u s b i 1 支持1 5m b p s 和1 2 m b p s 两种传输速率，而u s b 2 0 可达4 8 0 m b p s ； 5 u s b 端口支持多个不同设备的串联，一个u s b 口理论上可连接1 2 7 个u s b 设备； 6 u s b 事务处理包括错误检测机制，用以确保数据无错误的发送； 7 设备能够直接由u s b 总线进行供电； 8 支持四种传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输。支持 多媒体：u s b 提供了对电话的两路数据的支持，可支持异步及等时传输，使 电话可与p c 集成，共享语音邮件及其它特性，而且u s b 还能传输高保真音 频。 目前。u s b 设备的发展如日中天，国内外已推出了几百种u s b 设备， 包括u s b 集线器、打印机、扫描仪器、存储器、数字音箱、数码相机和调制 解调设备等。u s b 设备在实际应用中已经逐渐取代传统的外设，因此研究 u s b 具有一定的意义。本章将介绍设计u s b 设备所必须的基本知识。 2 1 u s b 总线的物理连接和电气特征 u s b 数据传输采用四根电缆，其中两根( d + ，d 。) 是用来传送数据的串行 通道，另两根( v b u s ，g n d ) 是符合标准的电源线，为下游的u s b 设备提供 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电源，如图2 1 所示。 其中，d + ，d 地是串行数据通信线，它支持两种数据传输速率，对于 高速且要求高带宽的外设，u s b 以全速1 2 m b p s 或高速4 8 0 m b p s 传输数据； 对于低速外设，u s b 则以1 5 m b p s 的传输速率传输数据。u s b 总线会根据 外设情况在不同的传输模式中自动地动态转换。v b u s 通常+ 5 v 电源，g n d 是地线。u s b 总线是基于令牌的总线，类似于令牌环网络或f d d ! 基于令牌 的总线。 v b u s ，、 霹， d l g n d t l 图2 1u s b 电缆 2 1 1 设备的连接和速度的检测 高速设备和低速设备的区别在于电缆下行端上的上拉电阻的位罱不同。 高速设备电缆的下行端上的上拉电阻位于d + 线上，而低速设备电缆的下行端 上的上拉电阻位于d 谶上。u s b 也是以此来判定连接u s b 上的设备是高速 的还是低速的。 2 1 2 电源 u s b 的电源主要包括两方面： 电源分配：即u s b 的设备如何通过u s b 总线获得u s b 主机提供的能 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 协调工作。 1 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 哈尔滨。1 程人学硕士学位论文 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 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 的系统软件和 主机电源管理系统相互作用，以此来控制挂起、唤醒等系统电源事件。另外， u s b 设备可以具有u s b 技术规范所规定的电源管理信息，从而系统软件或 类驱动程序可对其进行电源管理。 2 2u s b 总线信号环境 u s b 串行数据是用n r z i 进行编码的，编码过程是在通过u s b 数据线进 行传输之前进行的。图2 2 就是在通过u s b 数据线段进行的信息传输时包含 的步骤。n r z l 编码首先由u s b 代理执行，它负责发送信息。接下来，编码 后的数据被放入u s b 数据线，这是由差分驱动程序完成的。接收器放大传来 的差分数据，并把n r z i 数据发送到解码器，对数据进行编码和采用差分信 号进行传输有助于确保数据的完整性和消除噪声干扰。 n r z l 编码器差分驱动器电缆段差分接收器 n r z i 解鹛器 ：奠1 图2 2 在u s b 上采用n r z i 编码和差分信号的传输方式 2 1 1n r z i 数据编码 当u s b 发送包时，采用的是n r z i 数据编码。在n r z i 数据编码中，l 表示在电平上无变化，而0 表示电平有变化，也就是说若数据为1 ，则n r z i 编码不变；若数据为0 ，则n r z i 编码发生改变。图2 3 表示数据流及其对应 n r z i 编码。 6 哈尔滨i l j 程大学硕士学位论文 图2 3 n r z i 数据编码 2 2 2 位填充( b i ts t u f f in g ) u s b 中差分数据与时钟一起编码传送，位填充是指在连续为1 的数据流 中插入一个0 位以引起一个在数据线上允许p l l 锁定的电气转换。当在 u s b 上发送一个包时，发送设备使用了位填充。 数据按n r z i 编码时，数据流中每6 个连续的“l ”后插入一个“0 ”这 样使接受器至少每7 个位时间有一个逻辑数据转换，以保证数据和时钟的锁 定。接收器必须解码n r z i 数据，识别填充的位，然后将他们丢弃掉，位填 充起始于同步头并贯穿于整个过程，同步头的结束数据“i ”将作为序列中的 第一位。除e o p 信号前的最后一位，在一个数据包中的数据都是根据位填充 规则进行填充。 2 2 3 同步头( s y n cp a t t e r n ) 同步头位于每个包前，允许接收器同步它们的位恢复时钟。同步头等效 于7 个0 后接一个l 的数据结构。 2 3u s b 数据流模型 u s b 按照通信服务协议为主机和连接的设备提供通信服务。图2 4 就是 一个u s b 设备和主机相连的示意图。 l 竺兰1 竺兰兰i 图2 4 简单的u s b 主机设备连接图 y 。 * ， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 通信服务的协议按照不同的功能分为功能层、设备层和接口层，这些层 之间的通信模型如图2 5 所示。 设备 功能层 u s b 设 备层 u s b 总线 接口层 # 逻辑通信流方向 实际通信流方向 图2 5u s b 的多层次通信模型 模型中的u s b 设备、客户软件、u s b 系统软件和u s b 主控制器是u s b 系统的四个执行范围，先对其解释如下： u s b 设备：一种位于u s b 电缆末端的硬件，完成一些有用的终端用 户的功能，如打印、扫描等。 - 客户软件：在主机上执行的u s b 设备相对应的软件，有操作系统供给 或u s b 设备单独提供。 u s b 系统软件：操作系统中支持u s b 的软件由操作系统提供，独立 于u s b 设备或客户软件。 - u s b 主控制器( 主机端的总线接口) ：允许u s b 设备连接到主机的硬件 和底层软件。 如图2 5 所示，主机和设备间的连接要求不在一层的实体之间有相互作 用。u s b 总线接口层为主机和设备间提供物理信号包的连接。u s b 设备层 的u s b 系统软件必须具有完成一般u s b 操作的功能。功能层通过一个特定 的与功能模块匹配的客户软件层来实现u s b 设备的功能。每个u s b 设备层 和功能层都没有一个在层内的逻辑通信流。实际上，u s b 中真正的数据传送 是通过u s b 的总线接口层来完成的。 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 2 3 1u s 8 总线的拓扑结构 u s b 总线拓扑是指u s b 设备和主机之间的连接模型，包括u s b 主机、 设备以及他们之间的相互连接。 1 u s b 主机 主机由三部分构成：主机控制器、u s b 系统软件( 包括u s b 驱动程序、 主机控制器驱动程序及主机软件) 和客户软件。 u s b 主机在u s b 系统中占据控制位置。因其特殊的地位，它对与之连 接的设备有着特定的职责，并控制所有u s b 设备的访问。另外，主机还负责 u s b 的拓扑结构。 2 u s b 设备 u s b 物理设备由u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功能模块构成。u s b 设备为主机提供补充的功能，功能类型范围很广，如打印、视频和音频等。 然而，所有的u s b 设备对主机有着相同的基本接口，这就允许主机以相同的 方式管理u s b 设备中与u s b 相关的部分。 为帮助主机识别和配置u s b 设备，每个设备都带有并报告和配置相关的 信息。一些报告信息是所有逻辑设备共有的信息，另外的一些信息是提供给 设备特定的功能。这些信息的具体格式依赖于设备的类型而变化。 3 u s b 主机和设备的连接 如图2 6 所示，u s b 上的设备经由分层星型拓扑结构与主机进行物理连 接。u s b 连接点由一个称为集线器的u s b 特殊类提供。这个集线器提供的 额外连接点称为端1 ：3 ( p o r t ) 。主机包含了一个嵌入的集线器，这个集线器我 们称之为根集线器。主机通过根集线器给u s b 设备提供一个或多个连接点。 提供额外功能给主机的u s b 设备叫功能块。多个功能块和一个集线器可被封 装在一起，构成一个复合设备。复合设备只有一个设备地址。从主机来看， 一个复合设备是一个连接了多个功能块的集线器。 哈尔滨 i 程大学硕士学位论文 厂i i l f 7 i i 丫厂 、一， 、1 l 设备 、 、 厂 、厂 设备1 漩备l l j o _ j 图2 6u s b 物理总线拓扑结构 集线器在高速系统中扮演着重要的角色。它把全速和低速信号环境从高 速信号环境中分离出来。集线器支持高速的u s b 设备，同时它也允许u s b l 。l 的集线器连接到它的端口上，并让该u s b l 1 的集线器运行在全速低速状态 下。这个u s b 2 0 的主机控制器可直接与全速“氐速的设备相连。 当设备以分层的星型拓扑结构连接到u s b 上时，主机与每个逻辑设备 之间的连接就像是逻辑设备直接连接到集线器端口上一样。与图2 6 的物理 拓扑的逻辑相对应的如图2 7 所示。 图2 7u s b 总线的拓扑结构 1 0 翠 、乡q 、 哈尔滨i ：程火学硕士学位论文 2 3 2u s b 的通信流 u s b 为主机上的软件和u s b 的功能模块提供了通信服务。根据不同的 客户与功能模块之间的不同通信要求，u s b 设备对数据流有不同的要求。由 于允许不同的数据流独立地进入一个u s b 设备，u s b 能更好地利用整个总 线的资源。每个通信流利用一些总线访问的方式来完成与功能模块之间的通 信。每个通信流终止于设备上的一个端点。设备的端点是u s b 设备的唯一的 可标识部分，用来标识每个通信流的方向，它是在主机和设备之问的通信流 的信息源或终点。对u s b 系统来说，u s b 逻辑设备像是端点的一个集合。 端点组合成实现接口的端点组，接口是面对此功能块的。系统软件使用与端 点0 相关的缺省管道( d e f a u l tp i p e ) 来管理设备。管道( p i p e ) 是描述设备上的端 点和主机上的软件之问的联系的一个抽象通道。客户软件要求主机的缓冲器 和u s b 设备上的一个端点之削传送。主机控制器( 或依赖于传输方向的u s b 设备) 对数据进行打包后往u s b 上传送。 2 3 3 设备端点( d e v ic ee n d p o in t ) 每个u s b 逻辑设备由各个独立操作的端点的集合构成。但是每个逻辑 设备有一个唯一的地址，它是在设备连接u s b 的时刻由系统分配的地址。软 件可经由一个或几个端点与u s b 设备进行通信。设备上的每个管道端点有一 个唯一的标识端点号( e n d p o i n tn u m b e r ) 。设备地址和端点号的组合可以 唯一地确定每个端点。 端点号不为0 的端点在被设置前处于未知状态，不能被主机访问。 1 对0 号端点的要求：所有u s b 设备都要求有一个端点号为0 的特殊 端点，主机用该端点来初始化设备和配置逻辑设备。端点0 提供对设备配置 信息和一般的u s b 控制、状态信息的访问。端点0 支持控制传输，一旦设备 被连接和加电，端点0 就被配置。 2 对非o 号端点的要求：设备可以有除0 号端点以外的其他端点，这取 决于设备的实现。低速设备在0 号端点外，只能有2 个额外的端点。而高速 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 设备可具有的额外端点数，仅受限于协议的定义( 协议中规定，晟多1 5 个额 外的输入端点和最多1 5 个额外的输出端点) 。除缺省端点0 外，其他的端点 只有在设备被设置后才可使用，对它们的配罱是设备设置过程的一部分。 2 3 4 管道 一个u s b 管道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系。体现了主 机上缓存和端点间传输数据的能力。有两种不同的且互斥的管道通信格式。 1 流管道( s t r e a mp i p e ) ：流管道中的数据是流的形式，也就是说该数据 的内容不具有u s b 要求的结构。数据从流管道的一端流进的顺序与它们从流 管道另一端流出时的顺序是一样的，流管道中的通信流总是单方向的。流管 道支持同步传输、中断传输和块传输类型。 2 消息管道( m e s s a g ep i p e ) ：消息管道是用请求数据状态范例传送数据 的管道，通过消息管道的数据是具有某种u s b 定义的格式的数据流。 消息管道与端点的关系同流管道与端点的关系是不同的。首先，主机 u s b 设备发出一个请求；接着，就是数据的传送；最后，是一个状态阶段。 为了能够容纳请求数据状念的变化，消息管道要求数据有一个格式，此格 式保证了命令能够被可靠地传送和确认。消息管道允许双方向的信息流，虽 然大多数的通信流是单方向的。 特别地，缺省控制管道是一个消息管道，用于在主机和u s b 设备的端点 0 之间传送控制和状念信息。系统软件用此管道来确定设备标志和配置要求， 以及用来配置设备。 u s b 系统软件保证多个请求不会同时发给同一个端点。在某一时刻，一 个端点只能为单个信息请求服务。主机上的多个客户软件通过缺省管道能产 生请求，但他们以先进先出的顺序被送到端点上。在响应主机事务的数据和 状态阶段，端点能控制信息的流动。只有当端点上的当前信息处理完成后， 端点才会正常地发送下一个信息。 一个设备信息管道在2 个方n o n 或o u t ) 要求有一个单一的设备端点 号。对于每个方向，u s b 不允许信息管道与不同的端点号相联系。 哈尔滨i 程火学硕士学位论文 2 3 5 帧和微帧( f r a m e sa n dm ；c r o f r a m e s ) u s b 工作在全速低速状态下时，主机控制器每隔1 毫秒发送一帧数据； 而工作在高速状态时，主机控制器每隔1 2 5 微秒就发送一帧数据。一帧( 或微 帧) 数据可包含几种事务。 2 4u s b 数据传输类型 u s b 数据传送类型是从u s b 系统软件的管理角度来描述的。传送 ( t r a n s f e r ) 是指在客户软件和它的功能模块之间的一个或多个信息传输的总 燃- ( b u st r a n s a c t i o n ) 。传送类型决定于客户软件和它的功能模块之间的数 据流的特性。u s b 定义4 种传输类型，以满足在总线上进行不同的数据类型 传输的需要。 2 4 1 块传输 块传输用于支持突发的大量的数据，全速模式时以8 ，1 6 ，3 2 或6 4 字 节( 高速模式时是5 1 2 字节) 的信息包传送。由于对出错的数据自动地进行重 发，块数据可确保无误发送。当总线上有空闲时，主机安排块数据包。块数 据可用于打印机、扫描仪、调制解调器的数据。块数据流由握手信息包控制。 块传输如图2 - 8 所示。 叵一冈日一 腑一凰 哈尔滨丁程火学硕十学位论文 图2 8 两种块传输，i n 和o u t 2 4 2 中断传输 中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输。实际上是 一种主机定时侦听设备，看看有没有中断的传输方式。设备的端点模式器的 结构决定了它的查询频率，从1 2 5 5 m s 之间。这种传输方式典型的应用在少 量的、分散的、不可预测数据的传输。键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型。 中断方式传输是单向的并且对于主机来说只有输入的方式。中断传输在高速 时的数据载荷可达1 0 2 3 字节；在全速时的载荷量小于6 4 字节；在低速时为 8 个字节以下。中断数据采用流管道进行传输。中断传输如图2 9 所示。 2 4 3 同步传输 图2 9 中断传输 圆 用于保证时间优先的数据流，如音频和视频数据流，传输的时间对于数 据来说是非常重要的必要条件，在全速模式时，一个同步包包含1 0 2 3 字节； 在高速模式时，一个同步包包含1 0 2 4 字节。 在每一个u s b 帧中，为同步传输分配了一定u s b 带宽。为了减少内部 的事务操作，同步传输没有握手信号( a c k n a k s t a l l n y e t ) ，如图2 1 0 所示，也不具有重发机制。错误检测受限于1 6 位c r c 。同步传输不使用数 据轮换位机制，在全速模式时，同步数据只使用d a t a op i d 标志；在高速模 式时，同步数据使用d a t a 0 ，d a t a i ，d a t a 2 和m d a t a 。 在全速模式时，对于每个端点，一帧中只有一个同步包。在高速模式时， 对于每个端点，一个微帧中就可以包含多个同步包 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 4 控制传输 图2 1 0 同步传输 控制传输是双向的，数据量通常较小。u s b 系统软件主要用来进行状态 查询、配罱和发送命令到设备。由于其重要性，它使用了最广泛u s b 错误检 测协议。控制传输由主机以最有效原则进行。主机为控制传输保留了每一个 u s b 帧的一部分时间。 控制传输由两个或三个段组成，如图2 1 1 所示。s e t u p 段包括u s b 控 制数据的8 个字节。如果需要的话，在可选的d a t a 段中还包含更多的数据。 s t a t u s 段( 或握手段) 用于外设向主机报告控制操作的完成情况。 囝圆 画圆 画圆 图2 1 1 控制传输 s e t u p s t a g e d a t a s t a g e f o p t i o n a l ) s t a t u s s t a g e =陀m旧万一|i陀限陀阵一雠一=e r c ；万一一哥引引燃一引叫刚-峨一研洲塾一 凰蠕一豳一 哈尔滨j i 程人学硕士学位论文 2 5 信息包 信息包是用束执行所有的u s b 事务处理的机制。进行数据传输时由主机 控制器初始化所有的数据，以包的形式传送。包在总线上发送的顺序是先低 位后高位f 先l s b ，后m s b ) 。 包一般由同步域、p i d 、c r c 校验等组成。例如对u s b 数据包来说， 开头是1 个字节的同步域，接着是五个字节的包标识p i d 。接着是最多1 0 2 3 字节的数据域。最后两字节是c r c 校验，用于验证数据传输的正确性。包标 识域由它自己的冗余检查机制来决定。图2 1 2 给出了u s b 数据包的图示。 关于每一个包的类型的细节在下面部分将加以描述。 2 5 1 包的格式 图2 1 2 数据包的格式 这一节对令牌、数据和握手包的完整格式分别进行了说明。图中的各个 域是按照在总线上发送的顺序从左到右安排的。 1 令牌包( t o k e np a c k e t ) 令牌包出p i d 域、地址域、端点域和c r c 域组成，它只能由主机发出。 其格式如图2 1 3 所示。其中地址域和端点域唯一确定了某个设备上的某一个 端点。 图2 1 3 令牌包 2 帧丌始包( s t a r t - o f - f r a m ep a c k e t ) 主机在低速时每1 0 m s ，全速时每1 0 0 m s 士0 0 0 0 5 m s ，在高速时每1 2 5 土0 0 6 2 5u s 发送一个帧开始( s o f ) 包。每个s o f 后可紧接着一个微帧。接收 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 到s o f 令牌的功能块不会返回确认包。 帧开始( s o f ) 包由p i d 域、帧号域和5 比特的c r c 检查域组成，如下图 2 1 4 所示。 图2 1 4 帧开始包格式 3 数据包( d a t ap a c k e t ) 数据包由包标识域、0 - 1 0 2 3 字节长度的数据域和1 6 比特的c r c 检查域 组成，如下图2 1 5 所示。 8 b i t s 0 10 2 3 b i t s 16 b i t s mendpc r c s l6 图2 1 5 数据包格式 4 握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 握手包用来表示一个t r a n s a c t i o n 的完成状态。它的格式最简单，只由一 个8 比特的p i d 域组成。 5 特殊类型包 p r e 格式的包由主机发送。在一个u s b 的系统中，主机首先发送一个 p r e 包，如果存在不同速率的设备，则不同于总线速度的设备就会响应一个 p r e 包，从而主机会忽略该设备。 2 5 2 包中域的格式说明 1 同步序n ( s y n c l 同步序列由8 个位组成，由7 个连续的逻辑值0 开始，结束为逻辑值1 。 由于0 用差分数据线上的电平跳变来编码，所以这7 个0 在每一位开始的时 候都建立一个电平跳变，这就提供了一个时钟，用来同步。同步性序列还通 知u s b 接收器马上要有一个信息包被发送，这个信息包紧跟在这8 位同步序 列之后。 哈尔滨：【：程人学硕士学位论文 2 包标识( p i d ) 包标识域紧跟在每个u s b 包的同步域后，如图2 1 6 所示，低4 位表示 包类型域，高4 位为低4 位的补码作为校验域。 图2 1 6p i d 格式 主机或功能模块将收到包标识域取补，如果其值不等于接收到的校验 域，则它将不接受整个包。此时，包接收器将忽略包中的其余部分。表2 1 列出p i d 类型定义及描述。 表2 1p i d 类型 p i dp i dp i d 描述 类型名称口：0 t o k e n0 u t0 0 0 1 1 3 在主机功能模块的事务中的地址+ 端点号 i n1 0 0 1 b 在功自梗块主机的事务中的地址稍点号 s o f0 1 0 1 b帧开始标记和帧号 s f r l j p11 0 1 b 为目日置控制端点在主机功能块的事务中地 址+ 端点号 d a t a d n i m0 0 1 1 b偶数的数据包p d d 椰l l1 0 1 1 b奇数的数据包p i d d 删叭1 1b用于高速高带宽等时佶输的撇帧中 m d 衄。1 1 1 1 b 用于高速高带宽等时信输的微帧中 h a n da c k0 0 1 0 b 接收器接收无错误的数据包 s h a k en a k1 0 1 0 br x 设备不自接收数据或t x 设备不能发送： s t a u 11 1 0 b 据端点己发生敢障 n y e t 叭1 0 b 无响应 s p e c h l p r e1 1 0 0 b主机发出的前导包，给低速设备势能下线 e r r11 0 0 b 的传输信息量 s p u t1 0 0 0 b 由高速到低速时拆分事务处理的令牌 p i n g 0 1 0 0 b 高速时的流控制 k m0 0 0 0 b 3 地址域( a d d r e s sf i e l d s ) 设备上的端点用设各地址域( f u n c t i o na d d r e s sf i e l d ) 年f l 端点域( e n d p o i n t f i e l d ) 两个域来确定。 设备地址域由7 个比特组成，共有1 2 8 个，如下图2 2 6 所示。在复位和 上电时，功能块地址的缺省值为0 ，然后主机必须在设备枚举过程中给设备 的每个功能块分配一个唯一的地址。地址为0 的功能块是保留的缺省地址， 不能分配给其它的用户。故共有附加1 2 7 个设备。 哈尔滨一l 程人学硕士学位论文 端点域出4 个比特组成，用于确定设备上的端点号，如图2 2 7 所示。 l s b m s b 厂= 丌i = i t a d d e r 2i i a d d e r 4 一网i ： 图2 2 6 设备地址域 l s bm s b e n d p 0e n d p l e n d p 2e n d p 3 图2 2 7 端点域 4 帧号域( f r a m en u m b e r ) 帧号域长度为1 1 比特，逐帧加l ，到达7 f f h 后清0 。主机在每帧的开 始发一个帧开始( s o f ) 令牌，帧号域是其中的一个域。 5 数据域( d a t