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u s b 接口及其在数控系统中的应用 摘要 本文详细研究了u s b 2 0 规范，以及开发u s b 设备的两种方法：介绍了w d m 设备驱动程序模型以及如何开发u s b 设备驱动程序。对红外线技术、u s b 技术 和蓝牙技术进行了比较，然后从芯片、开发器的性能和价位等方面考虑，采用 a t 8 9 c 5 2 单片机和飞利浦公司p d i u s b d l 2 接口器件构成了外设的核心，初步设 计了带u s b 接口的数控机床手持控制器。 针对目前开放式数控系统各模块通讯的现状，研究了u s b 在数控系统中的 应用，提出了基于u s b 总线的开放式数控系统模型。 ，一，、一 最后对目前一种新型通讯机制蓝牙技术进行了探讨，提出了基于蓝牙技 术的数控p d a 的构思。 关键词：数控系统u s b 驱动程序：蓝牙 u s bi n t e r f a c e a n d1 t sa p p l i c a t i o n i nc n cs y s t e m a b s t r a c t t h et h e s i ss t u d i e su n i v e r s a ls e r i a lb u ss p e c i f i c a t i o n ( r e v i s i o n2 , 0 ) a n dt w o w a y so fd e v e l o p i n g au s bd e v i c ei nd e t a i l s ；t h e ni ti n t r o d u c e sw i n d o w sd r i v e r m o d e la n dh o wt o d e v e l o pad r i v e r f o rau s bd e v i c e i n f r a r e dt e c h n o l o g y , u s b t e c h n o l o g ya r mb l u e t o o t ht e c h n o l o g y a r e c o m p a r e d ，b a s e d o nt h ec h i p ，c h a r a c t e r i s t i c s o fd e v e l o p m e n tk i ta n dp r i c e ，ah a n d h e l dc o n t r o l l e rf o rc n cm a c h i n ew i t hu s b i n t e r f a c e ，w h o s e c o r es t r u c t u r ei s c o m p o s e d o fa t 8 9 c 5 2m i c r o p r o c e s s o ra n d p d i u s b d l 2i n t e r f a c ed e v i c em a d e b yp h i l i p sc o ，i sd e s i g n e d a f t e ra n a l y z i n gt h ec o m m u n i c a t i o nw a yb e t w e e nd i f f e r e n tm o d u l e so fa no p e n a r c h i t e c t u r ec n c s y s t e m ，t h ea u t h o rs t u d i e su s ba p p l i c a t i o ni nc n cs y s t e m a n da l l o p e n a r c h i t e c t u r ec n c s y s t e mm o d e lb a s e d o nu s bi sp r o p o s e d ， a tl a s t ，an e wc o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ，b l u e t o o t h ，i sa l s od i s c u s s e d t h e i d e ao fd e v e l o p i n gap d a s p e c i a l l yf o rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw i t hab l u e t o o t h m o d u l ei sc o n c e i v e d k e y w o r d s ：c n cs y s t e m u s bd r i v e rb l u e t o o t h 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。也不包含为获得盒鲤王些盔兰或其他教育机 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。 学位论文作者签名：卉堪伽 签字日期：为；年3 月砷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盍堂有关保留、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 借阅本人授权盒胆王些太堂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适用本授权书) 学位论文作者签名；者艏即 签字日期：脚；年；月坪日 学位论文作者毕业后去向j 工作单位：、 f 司科嘻衢彳； 通讯地址：中f q 料吾磊；f 量 黜名；2 多乏窃导师签名：么多夕乏莩 辩鼢堪p ，粥月7 日 电话： 邮编；o o - “ 致谢 在我的硕士学位论文完成之际，特别地向我的导师王治森教授致以最衷心 的谢意。感谢导师在我攻读硕士学位阶段在学习和生活中给予的无微不至的关 怀：感谢导师在我的硕士学位论文的选题、调研、撰写、修改等过程中所给予的 悉心指导；感谢导师在我困难的时候，给我的鼓舞和帮助。导师严谨的治学态度、 献身科研的探索精神、诲人不倦的指导作风、精湛的学术造诣给我留下了极为深 刻的印象，使我终身受益。 感谢合肥工业大学c l m s 研究所韩江老师、杜晓荣老师、张勇老师、镪凯 老师对我多方面的无私的教导和帮助。 感谢高锷博士在我学习遇到困难时给予的热心解答和指导。 感谢汤阳、郭志城、刘俊同学，他们踏实努力、真诚友善，和他们的相处 和合作令我终生难忘。 感谢我的爱人徐正红女士对我的理解、关心和支持。 篷生麻中，不扶而直，庆幸遇到了这么多的好老师、 他们身上学到的许多东西让我受益匪浅。 我将怀念在合肥工业大学c i m s 研究所的学习时光， 加辉煌。 作者： 好同学和好朋友，从 衷心祝愿她的未来更 癖世p ， j 日期：们。j 冲 第一章绪论 1 1 开放式数控系统通讯现状与研究意义 自从1 9 5 2 年美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一 台三坐标数控铣床以来，数控系统已经发展到第五代。前三代即电子管、晶体管、 中小规模集成电路的数控系统属于硬件数控，已完全被淘汰。第四代的小型机数 控也己淘汰。目前的第五代微型机数控属于计算机数控。 第五代数控系统又分为封闭式和丌放式两种类型。二十世纪九十年代以来， 数控系统迅速向开放式转变。开放式数控系统其核心是建立一种向数控系统的硬 软件开发商、机床制造商和最终用户都开放的体系结构和标准，使数控系统不依 赖于特定厂家，达到可互联、可互操作、可重组和可互换的目的。 一、开放式数控系统为数控系统带来了新的前景，然而它的体系结构和操作模式 的研究和开发没能跟上计算机的发展。 目前比较流行的开放式数控主要有三种结构： 1 、 c n c + p c 主板：把一块p c 主板插入传统的c n c 机器中，p c 板主 要运行非实时控制，c n c 主要运行以坐标轴为主的实时控制。 2 、p c + 专业运动控制卡。它们多数采用上下位机的主从结构：p c 机 主要用作处理非实时控制的系统管理和人机界面等，而把运动控 制卡插入计算机标准插槽中做实时控制。这种数控系统有很好的实 时性，但运动控制卡增加了成本，且用户仍然要依赖于运动控制卡 的专业厂商，其开放性不够充分； 3 、 全开放式，即完全基于p c 机体系结构和软硬件标准的数控。这种 数控系统的开发以软件为主，不受专业厂商的硬件限制，其成本也 较低，因而代表了开放数控的主流。 开放式数控系统各模块之间能否流畅地交换数据，对开放式数控系统来说， 是十分关键的，它将对数控系统的性能和开放程度有重大影响。目前各模块之间 的通讯樱制各种各样。例如，p c 与运动控制卡典型的通讯方式有总线通讯和双 口r a m 通讯。总线通讯采用p c ! 或i s a 总线结构，运动控制卡插在p c 机的总 线接口槽中，使用相应的控制寄存器和协议建立起p c 机与运动控制卡之间的通 讯。双口r a m 通讯则是采用一种特殊的存储器，该存储器具有两个端口，可以 分别与p c 和运动控制卡的c p u 相连，两个c p u 可互不干扰地对其读写操作。 采用这种通讯方式能明显提高数据交换速度。数控系统与可编程逻辑控制器p l c 大多采用串口进行通讯，而数控系统与控制面板大多采用p s 2 或串口进行通讯。 这各种各样的通讯机制给人们增加新的外设带来了很大麻烦，势必影响着数控系 统开放性和扩展。因此，探索一种能够适合于开放式数控系统各模块之间通讯的 机制将会大大增加数控机床各模块的通用性，简化各模块的开发，有利于促进开 放式数控系统的发展。 通用串行总线u s b 具有三种传输速度，低速为1 5 m b p s ，全速为1 2 m b p s ， 高速为4 8 0 m b p s ，适合于各种传输速率要求，它的热插拔、易扩展、接口通用性 等一系列优点( 作者将会在第二章做更详细的介绍) 决定了它适合成为开放式数 控系统各模块之间的通讯接口( 见图1 1 ) 。_ 丁i = 发基于u s b 总线的新型开放式数 控系统将会把计算机科学发展中的新技术注入数控机床，为数控机床的发展带来 一次机遇。本论文研究开放式数控系统各模块之间新型通讯方式，以求促进新型 接口和通讯方式在数控系统中的应用。 图1 1 采用u s b 总线的开放式数控系统结构模型 二、数控机床在性能大大提高的时候，其操作模式基本上没有什么变化，数控机 床的调试和操作仍然束缚着劳动者，主要体现在以下方面： 在数控机床，尤其是大型机床的工作台与操作面板离得较远的情况下， 进行机床调试时，往往比较麻烦，因为既要观察运动部件的运动情况( 例如，在 加工前进行对刀时，要观察刀架的运动情况) ，又要操作控制面板，要使观察与 操作协调一致有时却难以做到，尤其是迸行精密调试时，更是如此。 由于数控系统功能结构的局限性，当前数控机床的操作方式仍然束缚着 操作者，在实际操作过程中，如果要改变加工过程中机床的工作状态就必须要按 动操作面板上的按钮，从而限制了操作者不能离开数控机床，导致人必须围着机 床转的局面。 数控加工程序输入不方便。c a m 生成的大程序要采用传统的d n c 方式 通过r s 2 3 2 或4 8 5 传送，不仅速度慢，操作也不方便，而人工编写的n c 加工 程序则需要操作者站在机床旁边一条一条地输入数控机床，这样很容易造成操作 者疲劳，且容易出错。 开发数控机床专用的手持控制器将会改变人们操作机床模式，把人们从固 定地点和固定姿态的机床操作模式中解放出来，由机器为中心转变为以人为中 心。另外，手持控制器还可以上升为数控p d a ( 个人数字助理) 作为编程和n c 程序以及其它信息的传输工具，从而将数控机床提升到个更高的水平。 1 2 开发数控机床手持控制器方案的比较 1 2 1 采用红外遥控技术 采用红外控制技术可以- 丌发出无线的数控机床手持控制器。目前红外线传 输是应用最广泛的无线传输技术，红外线已经广泛应用于计算机和外设的信息交 换。红外线遥控是指利用红外线来传输控制信号，实现对控制对象的控制。具体 的讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接受机接受下来并对信号进行处理， 最后实现对控制对象的各种功能的控制。 目前计算机领域广泛采用i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o np r o t o c o l ，红外数 据联合协议) 作为无线传输标准【1 7 】。它是一种点对点的半双工技术，采用分层 结构，其通信协议层如图1 2 所示。 近年来在i r d a ( i n f r a r e d d a t aa s s o c i a t i o n ，红外线数掘协会) 组织的努力下， 红外线的传输速率已经大幅提高，传输速度的标准从最早的s i r ( s e r i a li n f r a r e d ) 的1 1 5 2 k b s ，发展到f i r ( f a s ti n f r a r e d ) 的4 m b s ，更进步到v f i r 的1 6 m b s 的标准。红外线传输发射出红外线光束的波长介于8 5 0 n m 9 0 0 n m ，传输距离在1 米以内时，最快的传输速率v f i r 的1 6 m b s ，传输距离提高到5 米以上，传输速 度降至7 5 k b s t 1 。 物理层 匿互匪口 图1 2 红外线的通信协议层 当然，采用红夕 遥控技术开发无线的数控机床手持控制器也存在着许多不方便之 处。利用红外线进行通信时，两个红外线端口必须正对着，周围既不能有强电磁 干扰，中间也不能有任何障碍物，否则都会造成通信失败。 1 2 2 采用u s b 技术 u s b 是英特尔等公司开发的一种全新的高性能串行总线标准，它允许外设 和计算机连接时不必重新配置系统，也不必打开机箱安装适配卡。计算机可以自 动识别这些设备并安装适当的驱动程序。 采用u s b 技术丌发数控机床手持控制器的一项主要任务是实现手持控制器 与数控机床之间通过u s b 接口和协议进行数据交换，从而实现对数控机床的各 种控制和信息传输。由于u s b 的先进性，因而采用该技术开发数控机床手持控 制器是一种十分理想的方案。 相对于其它技术，u s b 技术具有以下一些优点： 1 、u s b 设备可以进行热插拔，因而可以在机床在运行中将其插在机床上， 对机床进行控制，而在不需要的时候，可以随时将其从机床上拔下，不会对机床 和手持控制器造成任何不良影响。 2 、u s b 最高传输速度可达4 8 0 m b s ，这种高速度将允许开发人员开发出功 能强大的手持控制器，解决了数控传输的“瓶颈”现象。适合解决大程序( 尤其 是模具加工程序) 下载等一系列需要大量数据传输的问题( 如优盘、p d a 等) 。 3 、由于u s b 是有线传输，操作一台数控机床不可能对邻近的机床产生任 何影响，采用u s b 技术开发的产品适合批量生产。 1 2 3 采用蓝牙技术 蓝牙是一种实现多种设备之间无线连接的协议。采用蓝牙技术开发数控机 床手持控制器可以实现真正的无线遥控。操作人员对机床的控制不必像红外遥控 器或u s b 手持控制器那样被束缚在机床的周围，可以在1 0 米的范围内实现对机 床的遥控，当然若增大蓝牙设备的发射功率，传输距离可以扩大到1 0 0 米。 目前，蓝牙的初期产品已经问世，一些：c ! ! l ：片厂商已经刀：始着手改进具有蓝 牙功能的芯片。与此同时，一些颇具实力的软件公司或者推出自己的协议栈软件 或者与芯片厂商合作推出蓝牙技术实现的具体方案。尽管如此，蓝牙技术要真正 普及还需要解决以下几个问题：首先要降低成本，目前市面上蓝牙芯片的价格一 般8 美元左右，这对大部分蓝牙设备来说价格偏高；其次要实现方便、实用，并 真正给人们带来实惠和好处，目前大多数蓝牙产品都是简单的应用；第三提高数 据传输速率，目前蓝牙1 m b s 的速率对于一部分设备来说显得偏低。虽然困难重 重，但蓝牙技术正在获得推广。 1 3 1 课题来源 1 3 课题来源及主要内容 合肥工业大学c i m s 研究所多年来一直致力于数控系统的开发研究，已经开发了 多系列的数控系统，其g l2 0 0 0 数控系统采用了基于p c 机的开放性体系结构， 具有丰富的功能和友好的人机操作界面，有较高的可靠性和性价比。本课题来源 于合肥工业大学c i m s 研究所开发的g l _ 2 0 0 0 数控系统系列化、产品化研究项目， 目的是采用新的接口和通信技术来提高数控系统的操作性能。 1 3 2 本论文的主要内容 本论文主要研究u s b 总线在数控系统中的应用，具体地晓，主要有以下几 点： ( 1 ) 分析目前数控机床的操作模式和数控系统各模块之间的通讯现状， 探讨基于u s b 总线的新型开放式数控系统的模型。 ( 2 ) 研究u s b 2 0 规范，为开发u s b 设备打下基础。 ( 3 ) 研究开发u s b 设备的方法，包括硬件选择和固件编程。 ( 4 ) 研究u s b 设备驱动程序的开发方法； ( 5 ) 探讨u s b 在数控系统的应用，初步设计基于u s b 接口的数控机床 手持器。 最后作者对蓝牙技术进行了探讨，提出了基于蓝牙技术的“数控p d a ”的构想。 第二章u s b 规范 2 1 u s b 出现的历史背景 2 1 1 传统p c 的1 1 0 模式的缺点 早期的计算机系统所使用的大多数外围设备都是基于串行接口、并行接口、 p s 2 等实现的，这些接口最初是由i b m 公司在2 0 世纪8 0 年代设计的，这些接 口的设计有很多缺陷，它们不仅给设计者带来许多麻烦，而且也给用户带来诸多 不便。 ( 1 ) 传统的i o 模式中，每个外围设备都需要占用计算机的系统资源( 如中断、 i o 地址、d m a 通道) ，这样很容易产生冲突，常常造成了许多问题。 ( 2 ) 传统p c 的外围设备接口都是非共享式接口，仅支持单个设备的连接，由 于在一个给定时刻只有一个外围设备可以连接，这样，连接的灵活性就被最小化 了。由于这个限制，通常是做一块专用的扩展卡插到扩展总线上，通过它来为新 的外围设备建立一个连接点，但是这种做法相对来说成本比较昂贵。 ( 3 ) 传统接口的外围设备的安装和配置复杂。通常需要打丌计算机的机箱，然 后设置开关和跳线，再安装驱动程序，并且需要确保它所使用的系统资源没有被 系统中的其它设备所使用。 ( 4 ) 传统接口的外围设备不能热插拔。如果进行热插拔很容易造成硬件的损坏， 即使侥幸硬件没有损坏，计算机对在启动以后插入的设备也不能识别，用户当然 也不能使用该设备。只有通过重新启动计算机才能检测到刚连接的设备，并且要 为这个设备装入必要的驱动程序才能使用。 2 1 2u s b 的含义及其发展 u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，即通用串行总线。最初是由c o m p a q 、 d i g i t a l 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 以及n o r t h e r nt e l e c o m 七家世界著名的计 算机和通讯公司共同开发的一种新的外设连接技术，它是一种快速、双向、支持 热插拔的低成本串行接口。这一技术将最终解决对串行设备和并行设备如何与计 算机相连的争论，大大简化了计算机与外设的连接过程。 经过一年多时间的酝酿，1 9 9 6 年1 月1 5 日u s b l 0 标准正式发布，由于当 时的主流操作系统w i n d o w s 9 5 不支持u s b ，加上其设计性能一般，所以u s b 没 有立即流行起来，直到w i n d o w s 9 8 操作系统推出后，u s b 接口的支持模块才真 正日趋成熟，因此从某种意义上说，w i n d o w s 9 8 操作系统成为u s b 技术发展和 应用的“催生婆”，1 9 9 8 年9 月2 3 日又推出了u s b l 1 。为了提高u s b 的传输 速度，c o m p a q 、h p 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 、p h i l i p s 组成的u s b 2 0 核 心团体对u s b i 1 规范进行了修正，于2 0 0 0 年4 月2 7 日f 式公布u s b 2 0 的最 终规范。其最大特点就是传输速度的提高，u s b 2 0 的传输速度( 高速模式) 为 4 8 0 m b p s ，这使得更多基于u s b 接口的外设的丌发成为可能。 2 1 3 几种常见的串行外部总线的比较【4 、2 4 5 4 计算机总线是计算机各模块之间进行信息传输的通道，利用总线，一个设备 就可以完成与另外一个设备或多个设备之间的通信【4 】。通常使用的总线大多包括 数十乃至数百根的信号线，这些信号线一般包括数据线、地址线、控制线以及电 源和地址等。按照总线的规模、用途和应用场合，计算机总线分为片间总线、板 问总线、外部总线。 片间总线芯片间互连的总线，它是微控制器构成一个部件或一个很小的系统 所用的总线。如s p i 总线，1 2 c 总线s c i 总线等。 板间总线就是我们通常所说的微型计算机总线，这种总线用于微型计算机系 统中各插件板功能部件之间的通信，如c p u 和存储器或i o 接口之间通信所需 要的总线，如p c i 总线，e i s a 总线等。 外部总线也称i o 总线，用于在系统之间互连，如微型机之间，微型机与仪 器或其它设备之间。常见的有r s 一2 3 2 c 、u s b 、i e e e l 3 9 4 、r s 4 8 5 等。 ( 1 ) r s 一2 3 2 c r s 一2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 制定的 一种用于单点通信的串行物理接口标准，该总线标准共有2 5 条信号线，包括一 个主通道和一个辅助通道，在大多数情况下，主要使用主通道。对于一般的双工 通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线，一条接受线，一条地线。浚标 准规定的数掘传输速率为5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、 9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。该标准还规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距 离将受此电容限制，例如采用1 0 0 p f m 的通信电缆时，通信距离为1 5 米，若每 米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另外一个原因为 r s 一2 3 2 c 属单端口传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用 于2 0 米以内的通信。 f 2 ) i e e e1 3 9 4 总线 i e e e l 3 9 4 是由美国苹果电脑公司丌发的一种品质极高、传输速度极快的串 行总线技术，其商标称为f i r e w i r e ( 火线) 。1 9 9 5 年被i e e e ( 美国电气及电子工 程师学会) 认定为串行数据总线工业标准i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 。i e e e1 3 9 4 技术通过 一条6 针线缆将不同的设备连接起来在6 针线缆中，含有一对电源线和两对屏蔽 的双绞信号线。该总线的拓扑结构不在意是如何连接，树形、星形、菊花链或混 合方式连接都可以，最多可以连接6 3 个不同的设备。i e e e1 3 9 4 采用d s l i n k 编 码方式，它同时支持同步和异步两种数据传输模式。i e e e1 3 9 4 适用于多媒体应 用中的实时数据传输，其数据传输率将来可望达到8 0 0 m b p s 、1 6 g b p s 或 3 2 g b p s ；当实时连接或断开时，数据不会丢失或中断；支持带电插拔、即插即 用；具有不同设备的通用连接方式。 i e e e1 3 9 4 既是新一代接口，又是新一代总线；既是计算机外设的接口标 准，又是家电接口标准：作为用户友好的多媒体连接方式，它可以广泛用于家庭、 移动环境及办公室。i e e e1 3 9 4 总线( 接口) 在家电中诞生，在d s s 等数字娱 乐软件、a d s l 、数字通信技术、音频视频设备的数字化中发展起来。它以计算 机为中心，集计算、娱乐、通信及各种多媒体应用为一体，将计算机产业和家电 产业联系起来，从而开创了信息技术应用的新领域。 ( 3 ) r s 一4 8 5 在通信距离为几十米或上千米时，广泛采用r s 4 8 5 串行总线标准，它采用 平衡发送和差分接受，因此具有抑制共模干扰的能力，加上总线收发器具有高灵 敏度，能检测低至2 0 0 m a 的电压，故传输信号能在千米以内得到恢复。r s - 4 8 5 采用半双工工作方式。任何时候只能有一点处于发送状态，因此发送电路必须由 使能信号加以控制。r s 4 8 5 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线， 应用r s 4 8 5 可以联网构成分布式系统，最多允许3 2 台驱动器和3 2 台接受器。 ( 4 ) u s b u s b 作为一种新型高速的通用串行总线，具有以下一系列优点： 连接简单快捷所有u s b 外围设备接口一致，即 “o n e s i z e f i t s a l l ”。在不关闭计算机电源的情况下，可以直接 通过u s b 电缆同p c 的u s b 口相连接，设备连接后由u s b 自动检测， 并由软件自动配置，完成后即可使用，无须用户干涉。 应用范围广u s b 系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时 支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个u s b 系统由一个u s b 主机与若干个u s b 设备或u s b 集线器组成，它最多可支持1 2 7 个物 理设备。u s b 设备的带宽可从几m b p s 到几百m b p s f 在u s b 2 0 版本， 最高可达4 8 0 m b p s ) ；个u s b 系统可同时支持不同速率的设备，如 低速的键盘、鼠标，全速的i s d n 、语音，高速的磁盘、图像等( 仅 u s b 2 0 版本支持高速设备) 。 支持多设备连接利用菊花链的形式对端口加以扩展。可以使一个 u s b 系统实现多达7 层的拓扑连接，最多可以连接1 2 7 个不同速率 的设备。 无须外接电源所有的u s b 端口都可以为连接其上的设备提供5 v 电压，1 0 0 m a 电流，最大可提供5 0 0 m a 电流。因此新设备就不需要 专门的电源，降低了这些设备的成本并提高了性价比，当然u s b 设 备也可以采用自供电方式。 较强的纠错能力u s b 协议支持主机系统和u s b 设备之j 训的数据无 损传输，通过信息包错误检查、数据触发器错误检查、p i d 检查、循 环冗余校验( c r c ) 、位填充来保证数据发送的正确性。 速度快快速性能是u s b 的突出特点之一，u s b 2 0 的传输速度可达 4 8 0 m b p s ，相当于串i ：3 速度的4 0 0 0 多倍，特别适合于需要大量数据 交换的外设。 低成本u s b 接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。u s b 系 统接口电缆也比较简单，成本比串口并口低。 简而言之，u s b 的出现不仅解决了i o 插口不够的问题，而且建立了一条 连接和访问外设的更有效的方法。这些方法可以有效地减少总体成本，增加可连 接的外设数目，简化设备的连接和配置。 2 2 1u s b 的层次结构 2 2u s b 的体系结构 u s b 通常分为三层，即u s b 总线接口层、u s b 设备层和功能层( 如图2 】) 。 总线接口层为主机和设备提供物理、信令和分组的连接：设备层是u s b 系统软 件中用于对一个u s b 设备执行通常操作的部分；功能层则通过客户软件层向主 机提供附加服务。 主机物理设备 客户软件 k 卜i。 l 卅 圳8 5 tt 功能层 li 卜 u s b 逻辑设备u s b 系统软件 旷 tf u s b 设备层 工i +l u s b 总线接口 u s b 总线接j u s b 主控制器 i - ， g = = = = = 令逻辑通信流- 实际通信流 图2 1u s b 的分层结构 2 2 2u s b 总线拓扑结构 u s b 设备和u s b 主机通过总线连接。u s b 的物理连接是一个星形结构，集 线器位于星形结构的中心，每一段都是主机和某个集线器，或某一功能设备之间 的一个点到点的连接，也可以是一个集线器与另一个集线器或功能模块之间的点 到点的连接。( 如图2 2 ) 。 h u b 指u s b 集线器f u n c 指u s b 设备h o s t 指u s b 主机 图2 2u s b 总线拓扑结构 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 设备 ( u s bd e v i c e ) 、u s b 集线器( u s bh u b ) 。 ( 1 ) u s b 主机”刮 在一个u s b 系统中，有且只有一个u s b 主机，u s b 主机有以下功能： 管理u s b 系统； 每毫秒产生一唢数据： 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 b 设备 在一个u s b 系统中，u s b 设备和u s b 集线器总数不能超过1 2 7 个。u s b 设 备接收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 主机的数据包与u s b 主机进行数据传输。 虽然u s b 设备都会表现u s b 的一些基本的特征，但是u s b 设备还是可以 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，从 而简化了设备驱动程序的开发，下表就给出一些基本的u s b 设备类型分类。 表2 1 设备类型分类 设备类型设备举例类型常量 音频扬声器 u s b d e v i c e c l a s s a u d i o 通信调制解调器u s bd e v i c e c l a s s c o m m u n i c a t i o n 人机接口键盘、鼠标 u s b d e v i c e c l a s s h u m a n 。i n t e r f a c e 设备 图象摄像机、扫u s bd e v i c e _ c l a s s i m a g e 描仪 显示监视器 u s b d e v i c e _ c l a s s _ m o n i t o r 物理回应游戏操纵杆 u s b d e v i c e c l a s s p h y s i c a l i n t e r f a c e 设备 电源不问断电源 u s b d e v i c e c l a s s p o w e r 打印机 u s b d e v i c ec l a s s p r i n t e r 大容量存硬盘 u s b d e v i c e - c l a s s s t o r a g e 储器 集线器 u s b _ d e v i c e c l a s s h u b ( 3 ) u s b 集线器 u s b 集线器用于设备扩展连接，所有u s b 设备都连接在u s b 集线器的端 口上。一个u s b 主机总与一个根集线器相连。u s b 集线器为其每个端口提供 1 0 0 m a 电流供设备使用。同时，u s b 集线器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 主机的数据包把端口状态汇报给u s b 主机。 一般来说，u s b 设备与u s b 集线器间的连线长度不超过5 m ，u s b 系统的级联 不能超过7 级。 2 2 3u s b 设备的总线枚举 u s b 总线枚举是指对u s b 总线上接入的设备进行识别和分配地址操作。对 许多总线而言，这一工作是在启动时完成的，并且所搜索的信息也是静态的，而 u s b 技术允许在任何时间从u s b 总线上插入和拔除u s b 设备，因此，u s b 设 备识别是动态的，而且u s b 总线枚举还可以发现和处理设备的移出。这是u s b 与传统总线技术的一个重要区别。 u s b 总线枚举过程如下： 1 、设备连接 u s b 设备接入u s b 主机。 2 、设备上电 u s b 设备可以使用u s b 总线供电| ：乜可以使用外部电源供电。 3 、主机检测到设备，发出复位信号 设备连接到总线后，主机通过检测设备在总线上的上拉电阻检测到有新的设 备连接，然后主机向该端口发送一个复位信号。 4 、设备缺省状态 设备要从总线上接受到一个复位信号后，才可以对总线的操作做出响应。设 备接受到复位信号后，就使用缺省地址( 0 0 h ) 来和主机进行通讯。 5 、地址分配r 当主机接受到有设备对缺省地址的响应的时候，就对设备分配一个空闲的地 址，该设备以后就对该地址进行响应。 6 、读取设备描述符 主机读取u s b 设备描述符，确认u s b 设备属性。 7 、设备配置 主机依照读取的u s b 设备描述符来进行配置。如果u s b 设备所需的资源得 以满足，就发送命令给u s b 设备，表示配置完毕。 8 、挂起 为了节省电源，当总线保持空闲状态3 m s 以后，设备就会进入挂起状态。当 被挂起时，u s b 设备保留了包括其地址和配置信息在内的所有内部状态。 完成以上几步工作以后，u s b 设备就可以使用了。在枚举过程中，设备不一 定要求进入挂起状态。 2 3u s b 设备的描述符及其标准设备请求 2 , 3 iu s b 设备的描述符 u s b 设备的描述符是对u s b 设备的属性说明，标准u s b 设备有五种u s b 描述符，分别是设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描 述符，各个描述符呈树状结构( 如图2 3 ) ，它们之间是递阶的，即前者包括后者， 多个或一个后者组成前者【2 2 1 。 设备描述符 配置描述符fl 配置描述符fl 配置描述符 接口描述符ll 接口描述符il 接口描述符 端点 描述符 端点 描述符 端点 描述符 端点 描述符 端点 描述符 端点 描述符 2 3 2 标准描述符的定义 图2 3u s b 描述符树状结构 1 、设备描述符 设备描述符给出了u s b 设备的一般信息。这包括对设备及所有设备配置起 全程作用的信息。一个u s b 设备只有一个设备描述表。u s b 规范规定设备描述 符由1 4 个字段组成。它们分别为b l e n g t h ( 设备描述符的字节数) 、b d e c r i p t o r t y p e ( 描述符的类型) 、b c d u s b ( 设备u s b 版本号) 、b d e v i c e c l a s s ( 设备的类码) 、 b d e v i c e s u b c l a s s ( 子类型代码) 、b m a x p a c k e t s i z e 0 ( 端点0 的最大包大小) 、 i d v e n d o r ( 厂商标志) 、i d p r o d u c t ( 产品标志) 、b c d d e v i c e ( 设备出厂编码) 、 i m a n u f a c t u r e r ( 厂商信息的字符串索引) 、i p r o d u c t ( 产品信息的字符串索引) 、 i s e r i a l n u m b e r ( 设备序列号的字符串索引) 和b n u m c o n f i g u r a t i o n s ( 可能的配置 数) 。 2 、配置描述符 配置描述符描述了有关某个设备配置的信息。u s b 规范规定配置描述符有 8 个字段，它们分别为b l e n g t h ( 描述符的字节数) 、b d e s c r i p t o r t y p e ( 描述符类 型) 、w t o t a l l e n g t h ( 配置信息的总长) 、b n u m i n t e r f a c e s ( 配置所支持的接口数) 、 b c o n g f i g u r a t i o n v a l u e ( 作为s e t c o n f i g u r a t i o n 的一个参数) i c o n f i g u r a t i o n ( 配置 字符串描述符的索引) 、b m a t t r i b u t e s ( 配置特性) 和b m a x p o w e r ( 总线电源耗费 量) 。 3 、接口描述符 接口描述符在一个配置内给出一个接口的信息。一个配置可提供一个或几个 接口，每个接口都有自己的端点描述符来描述该配置中的端点集。u s b 规范规 定接口描述符有9 个字段，它们分别为b l e n g t h ( 描述符的字节数) 、 b d e s c r i p t o r t y p e ( 描述符类型) 、b i n t e r f a c e n u m b e r ( 接口编号) 、b a l t e r n a t e s e t t i n g ( 可选设置的索引值) 、b n u m e n d p o i n t s ( 端点数目) 、b i n t e r f a c e c l a s s ( 类型代码) 、 b i n t e r f a c e s u b c l a s s ( 子类码) 、b i n t e r f a c e p r o t o c o l ( 协议码) 和i i n t e r f a c e ( 接口的 字符串描述符表的索引值) 。 4 、端点描述符 每个接口使用的端点都有自己的描述符，此描述符被主机用来决定每个端 点的带宽需求。每个端点的描述符总是作为配置描述的一部分返回的，端点0 无描述符。u s b 规范规定设备描述符有6 个字段。它们为b l e n g t h ( 设备描述符 的字节数) 、b d e c r i p t o r t y p e ( 描述符的类型) 、b e n d p o i m a d d r e s s ( 端点地址) 、 b m a t t r i b u t e s ( 端点属性) 、w m a x p a c k e t s i z e ( i e l 端点能够接收或发送的最大数据包 的大小) 和b i n t e r v a l ( 轮询数据传送端点的时间间隙) 。 5 、字符串描述符 字符串描述符是可选的。如果一个设备不支持字符串描述符，所有其它描 述符表中有关字符串描述符的索引都必须为0 。字符串描述符有3 个字段，它们 是b l e n g t h ( 设备描述符的字节数) 、b d e c r i p t o r t y p e ( 描述符的类型) 和b s t r j n g ( u n i c o d e 编码的字符串) 2 3 3u s b 标准设备请求 u s b 标准设备请求是用来完成u s b 设备枚举的命令。u s b 设备必须对标准 设备请求做出响应。所有的u s b 设备通过缺省控制通道( d e f a u l tc o n t r o lp i p e ) 对 主机的请求发出响应。这些请求是通过使用控制传输来达到的。请求及其的参数 通过s e t u p 包发向设备。主机负责设置s e t u p 包内的每个域的值。每个s e t u p 包 有8 个字节。 u s b 的设备请求由8 个字节组成，格式定义如表2 。2 所示。 表2 2u s b 设备请求格式 偏移量域大小值描述1 0 b m r e q u e s t t y p e 1位图请求特征： i d 7 ：传输方向i o = 主机至设备j l = 设备至主机l d 6 5 ：种类 o = 标准j l = 类型】 2 = 厂商 3 = 保留 d 4 一o ：接受者 0 = 设备 1 = 接口 2 = 端点 3 = 其他 4 31 = 保留 l b r e q u e s t 1值u s b 设备请求 2w v a l u e2值内容根据不同的请求而变化， 用来向该请求指定的设备传递 参数。 4w l n d e x2索引指明接口或端点。 6 w l e n g t h 2 计数指明数据阶段字节数。 u s b 标准设备请求有1 1 个命令，对应的代码和说明见表2 3 。 表2 3u s b 标准设备请求 标准设备请求代码况明 g e t s t a t u s 0 返回所指接收者的状态 c l e a rf e a t u r e l 用来清除一个指定的特性 s e t f e a t u r e 3 用来设置或使一个特性生效 s e t _ _ a d d r e s s 5 为设备设置地址 o e t d e s c r i p t o r 6 返回存在的描述符 s e t d e s c r i p t o r 7 用于更新或添加新的描述符 g e t c o n f i g u r a t i o n 8 返回当前设备配置值 s e t c o n f i g u r a t i o n 9 设置设备配置值 g e t i n t e r f a c e 1 0 返回接口选中的设置 s e t i n t e r f a c e 1 1 让主机为指定的接口一个设置 s y n c hf r a m e 1 2 用来设置或汇报个结点的同步f 帧 2 4 1u s b 分组标识及其分类 2 4u s b 数据传输 u s b 分组标识( p i d ) 用来标识操作的属性。传输的数据包由p i d 进行区