（信号与信息处理专业论文）usb数据采集板的测试系统.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 在欧洲粒子物理研究所(cern)的大型离子对撞实验(alice)中，光子探测系统 (phos)需要大量的数据采集板，该板完成光电转换所产生的电信号的处理、数据采 集。为了保证批量生产的数据采集板在 phos 系统中能正常工作，需要对每块板进 行测试，而人工测试工作量大、效率低，因此需设计一个可对该板进行离线测试的 测试系统，以高效完成对数据采集板的功能测试及故障诊断，减小测试难度。 本文根据数据采集板上的测试需求，结合虚拟仪器概念，从 usb总线技术的基 本原理出发，对 usb体系结构、数据传输类型、usb设备相关概念等几方面进行了 分析和阐述，提出了基于 ez- usb 的测试系统方案。该方案主要包括测试系统硬件 设计、下位机固件程序和上位机应用程序的设计。下位机固件程序采用嵌入式软件 编程，通过前台的主循环程序和后台的中断服务程序实现，按照功能需求完成 usb 传输，保证了测试系统数据传输的正确性和稳定性。通过使用面向对象语言开发上 位机应用软件可以实现测试界面和采集板之间的数据高效交换，此外通过图形用户 界面还可以随时对数据采集板上 fpga 工作状态进行控制，并对 fpga 进行重新配 置。 实验的测试结果表明，该测试系统可以对数据采集板进行离线测试，通过友好 人机界面来操作测试系统，从而正确完成对数据采集板的工作状态控制、板上 fpga 的可重配置以及各类数据的采集、显示、存储、导出等功能，便捷高速而且降低了 测试成本。 关键词：测试系统；ez- usb；数据传输；下位机固件；上位机应用程序 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract the photon spectrometer, subsystem in a large ion collider experiment (alice) of european organization for nuclear research (cern), requires a large number of data- acquiring modules to acquire signal from high- speed particle collision. to guarantee the batch fee cards working normally in phos, testing for each card is necessary. it will have a great amount of w ork with low efficiency to test manually. to decrease the test difficulty, a test system is designed to handle the function test and error diagnosis in mass production. in this thesis, the test system is composed of a pc equipped with virtual instrument as host and an ez- usb- based microcomputer controller as the slave computer. as communication between the host and the slave computer is via usb bus, system architecture and data transmission types of usb are mentioned first. according to the test demand, system hardware scheme, embedded firmware of slave computer and host application software are proposed respectively. by using the program of embedded system, the bottom firmware is implemented with the foreground procedures: main- loop, background procedures: servings for interrupt. the coordination of the firmware program in the slave computer and the hardware insure the reliability and stabilization of the data transmission in the test system. the host application is developed by object- oriented language with friendly graphical user interface (gui). it insures efficient data exchange with slave controller with smart control to field status. the fpga chip in slave system can also be reconfigured by host pc flexibly. in mass production, the test system mentioned can be operated offline from the system bus of phos. all field statistics can transfer to host pc via usb link, which can be displayed in pellucid tables, stored/exported for farther scientific analysis. compared with traditional manual testing, the test system reduces the cost sharply. key words: test system; ez- usb; data transfer; bottom firmware; host application 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 51 缩略语 alice a large ion collider experiment apd avalanche photon diodes cern european organization for nuclear research csp charge sensitive preamplifiers dcs detector control system dma direct memory access fee front end electronics fifo first- in first- out fmd forward multiplicity detector fpga field- programmable gate array gpib general purpose interface bus gpif general programmable interface hmpid high momentum particle identification detector i2c inter- integrated circuit its inner tracking system irp i/o request packet lhc the large hadron collider project muonspec muon spectrometer pci peripheral component interconnect pdu protocol data unit phos photen spectrometer pmd photon multiplicity detector pwo lead- tungstate crystal pxi pci extensions for instrumentation rcu readout control unit scl serial clock line sda serial data tof time- of- flight tpc time projection chamber tru trigger region units usb universal serial bus vxi vme externted for instrument 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。 本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 概 述 1.1 引言 大型离子对撞实验(alice)合作组是由大学和研究所组成的一个合作组织，目前 这个组织正筹备一个将在大型强子对撞机(lhc)上进行的大型实验， 位于瑞士日内瓦 近郊的欧洲原子能研究中心正在筹建这个对撞机。lhc 竣工后将是世界上最大的粒 子加速器对撞机，届时将允许来自世界 40 余个国家的科学家在 lhc 上进行大量的 以研究粒子的结构和物质性质为目的的重要实验。 alice 实验装置包括内部跟踪系统(its)，计时发射室(tpc)，辐射跃迁探测器 (trd)，光子探测系统(phos)，高能粒子识别探测器(hmpid)，光子多样性探测器 (pmd)，前向多样性探测器(fmd)，介子分光计(muonspec)等几个部分1。其中 phos 包括有探测控制系统(dcs)，可读控制单元(rcu)，数据采集板(fee)。dcs 中 含有软件部分（server，linux，driver） ，通过 rj45 接口和 ethernet连接。rcu中的 各模块都通过 rcu总线通信。phos 光子探测系统的结构如图 1.1 所示，粒子碰撞 后的光子束投到 apd上通过光电转换，生成电信号，再经过电荷前端放大器(csp)， 转换为阶跃信号输入到数据采集板的shaper上整形放大， 再经过altrochip 模数转换， 信号到 rcu上经过数据分析处理后，由光纤传到数据采集机。 shaper altro chips pcm rcu rcui2c altro- bus tru diu daq ddl pwo crystal apd csp rj45 ethernet 室温区 低温区 fee(数据采集板) pc 机 数据 采集机 下位机 上位机 可读控制单元 dcs 探测控制系统 图 1.1 phos 系统结构框图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 在 phos 系统中对粒子碰撞实验中产生的各种模拟数据进行采集，它有 5 个模 组，每个模组有 112 块数据采集板，每块采集板上有 32 路数据通道，当整个系统运 行起来时，需要通过系统并行总线(gtl bus)同时采集多达 17920 个通道的数据2。 为了高效地对大批的数据采集板进行性能测试，需要设计一种测试系统来对批量生 产的数据采集板进行离线的功能测试、故障诊断，减小 phos 系统调试难度。 1.2 测试系统中的总线技术 近年来，新的总线技术不断涌现并应用在测试领域中，下面对这些总线技术分 别加以介绍。 gpib 总线： gpib 是专为仪器控制应用设计的。在七十年代， ieee488 标准的诞生致使 1975 年产生了gpib在电气、 机械与功能规格方面的标准； 在1987年ansi/ieee标准488.2 更明确定义了控制器与仪器通过 gpib通讯的方法，使先前的规格更完备。gpib是 一数字的 8 位平行通讯界面，传输速率达 8mbps。总线提供的一个控制器在 20 米的 排线长度内最多可以连接 14 个仪器3。 vxi 总线： vxi 总线(即 ieee 1155 总线)是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。 vxi 总 线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达 40mbps，定时和同步精确、 模块可重复利用、众多仪器厂家支持等特点，因此得到了广泛的利用4。但是，组建 vxi 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高，其推广应用受到 一定限制，主要应用集中在国防军工领域。 pxi 总线： pxi 总线是以 compact pci为基础的，由具有开放性的 pci 总线扩展而来。pxi 总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了 pci 总线的全部优点。 pxi 构造类似于 vxi 结构，但它的设备成本更低、运行速度更快，体积更紧凑。目 前基于 pci 总线的软硬件均可应用于 pxi 系统中，从而使 pxi 系统具有良好的兼容 性。pxi 还有高度的可扩展性，它有 8 个扩展槽，而台式 pci 系统只有 34 个扩展 槽。pxi 总线的传输速度已经达到 132mbps（最高为 500mbps） 。 以太网络： 基于以太网的仪器控制的应用可以利用总线技术的特性，包括仪器远程控制， 企业内的资源共享和方便的报告生成等。另外，使用者还可以充分利用现有的以太 网络。但是，此优势亦可能对一些公司产生困扰，因为这会迫使网络管理员涉入传 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 统的工程应用。 以太网络要用于仪器控制方面，尚需考虑以下因素：传输速率，决定性和安全 性。最常见的以太网络传输速率是 10baset 或者 100baset，分别达到传输速率 10mbps 与 100mbps。但是，这些传输速率因为其他网络的流量、固定用途与不足的 资料流量而很少达到。 ieee 1394 (firewire)： ieee 1394- 1995 标准，亦称为 firewire，是苹果电脑在 1980 年代发展的高效的 串口总线，目前其资料吞吐速率最高可以达到 50mbyte/s。已经基本能为所有的外围 设备应用提供足够的带宽，但是由于其协议的复杂性使制造成本大为增加，不适合 实现低性能、低成本的外设5。ieee 1394 的主要缺点是 1394 接口并未内置于英特 尔的 pc 集成芯片的周边，因此，英特尔的 pc 使用者必须外接 1394 控制器，尤其 对 pci 板卡而言。 usb总线： usb 总线在性价比上是最好的一个解决方案。通用串行总线 usb（universal serial bus）是一种快速、灵活的计算机外设接口，与传统的串口和并口等通信接口 比较，usb 接口的最大特点就是易于使用、支持热插拔和即插即用，并且所有的配 置过程由系统自动完成，无需用户手工操作，数据传输速率在 1.1 版本时支持 12mbps，2.0 版本支持 480mbps，而且目前用于外设端的接口芯片价格低廉6。 usb 主机会自动探测新添加的设备，询问并确认设备身份，并适当配置驱动程 序。由于总线拓扑结构的影响，一个端口可以同时运行多达 127 个设备。这与传统 的串口形成了鲜明的反差，传统的串口在一个端口上只支持一个设备。此外，通过 增加网络集线器(hub)，主机上还可以添加更多端口，为更多的外围设备提供空间7。 目前 usb2.0 总线技术拥有的以下特色让它在测试方面的应用中表现极为出色, 因此本文在测试系统中选择采用 usb2.0 技术： 1、usb2.0 在传送和保持信号完整性方面的优势： usb2.0 较 usb1.1 数据总线的速度提高之后，测试用户可以享受更多的高性能 外设装置(usb 仪器等)，即使在 usb2.0 总线连接多部高速外设的情形下，也不必担 心遇到“带宽不足”的问题。而且，usb2.0 也延续了即插即用和热插拔功能。 usb2.0 高速和安全可靠的数据传输能力为测试设备之间的信号传输提供了基 础，可避免高采样率和大吞吐量的测试仪器之间传输信号时丢失数据。此外，一般 我们所使用的信号传输线或多或少都会存在信号完整性上的问题，即信号失真。大 致上可以有四种原因：一个区域内的信号质量问题；各个信号区域间的信号耦合问 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 题；由电源供电与接地分布上阻抗引起的问题；电磁干扰的问题。前两类问题和传 输路径的阻抗匹配有关，第三类加去藕电容即可，如果前三个问题解决了，电磁干 扰也就影响不大了。所以关键是解决阻抗匹配的问题，usb2.0 的优势就在于它可以 接受 tdr(时域反射测量)测试8。tdr 的典型测量设置是由阶梯信号生成器输入一 个正沿的入射信号“ei”到待测系统，如果负载阻抗等于传输线的特性阻抗，就无 反射信号“er”生成，如图 1.2(a)所示，反之，若是阻抗不匹配，部分入射信号就会 反射回来，见图 1.2(b)。 ei ei er t (b) (a) 图 1.2 tdr 测试举例 2、usb2.0 仪器在扩展测试系统的优势： usb2.0 为数据采集设备/仪器与 pc 机之间的连接提供了一个费用低廉且简单 易用的方案。usb2.0 在传统的串口技术之上迈出了一大步，其特色主要包括更快的 速率、热拔插功能、内嵌式操作系统配置，还有多点布线技术，这一技术使同一个 端口可以连接多个设备。所有这些特点为并行测试系统增加和升级测试设备提供了 基础，连接简单且无须添加驱动为开发商和用户提供了便利。再加上 usb2.0 信号传 输上的优势，更适合于测试系统的架构。 1.3 usb 总线的发展状况 usb， 全称为 universal serial bus （通用串行总线） 是在 1994 年底由康柏、 ibm、 microsoft 等多家公司联合提出的。 从 1994 年 11 月 11 日发表了 usb v0.7 版本以后， 到现在已经发展为 2.0 版本。 早期的 usb版本，在推出时普遍不受到重视。最大的原因是：当时的主板结构 以 babyat 板型为主，usb 功能接口在许多主板上都是一种选择的功能，有些主 板制造商在主板上提供了 42 或 52 的 usb针脚接口， 而更多的则为了节省成本， 连 usb 针脚接口都省掉了。另外，在 bios 方面也缺乏支持：当时很多主板都只提 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 供有 usb连接针脚接口，而主板的 bios 没有真正支持 usb。这样，很多用户为了 使用 usb，只有通过升级主板 bios 的方法，将主板 bios 刷新成支持 usb功能的 bios 才行。 这种情形一直延续到 atx 主板结构诞生。不过一开始的 atx 主板在支持 usb 方面还不是特别的好。因为一般 atx的设备接口都设计成一层高度，所能使用的接 口空间都给传统的串行通讯接口和 lpt 打印口占用了，根本没有余地留给 usb 接 口，所以当时如果要想使用 usb 接口的话，还得使用 usb 转接卡，通过连线与主 板上的 usb 接口相连才能得以实现。不过后来 atx主板的后部面板设计成了两层， 使 usb接口终于在主板上有了安身立足之处，无须再通过外接 usb接卡来实现了。 但是 usb1.1 速度较低、操作系统的不支持等问题导致它的应用不普遍。随着 新一代的 usb2.0 标准和 windows98 的正式推出，一切问题都迎刃而解。 在新的 usb2.0 接口标准技术中，它通过将内部时钟加快和其他方法，将传输速度提高到 v1.1 版本的 40 倍，达到了 480mbps 的速度9。在以前的 usb1.1 中，每毫秒发送一 条信息，而在新的 usb2.0 中，每毫秒现在可以发送 8 条信息，也就是说速度相应地 提高了 7 倍。加上 windows 的全面支持，使 usb设备的开发工作难度大大下降，使 usb很快普及10。 在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。每个接口都需要占用计 算机的系统资源（如中断，i/o 地址，dma 通道等） 。无论是串口还是并口都是点对 点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一个 isa或 pci 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。而 usb总线的出 现恰恰克服了这些缺点，使计算机与外部设备的数据传输更加方便。 1.4 本文主要内容和结构安排 本文主要工作是基于 ez- usb fx2 的数据采集板的测试系统的设计、实现，该 测试系统可对批量生产的数据采集板进行离线的功能测试、故障诊断，减小测试难 度。主要工作分为以下几部分： 根据课题需求完成测试系统的整体设计，包括 usb接口控制器的下位机程序的 编写，如 usb接口的列举、固件前台、后台程序，进一步完成测试系统的驱动程序 及上位机应用界面程序的实现。 各章节内容安排如下： 第一章介绍了测试系统设计的项目背景以及该系统在实际应用中的重要意义， 比较了 usb 总线和其他总线技术在测试系统中的性能和优势，最后简单阐述了 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 usb2.0 技术在国内外的发展概况。 第二章从基于 ez- usb fx2 的测试系统开发的角度描述了 usb协议相关内容。 首先介绍了 usb体系结构，其次简单介绍了 usb的层次结构以及 usb的数据传输 类型，最后阐述了 usb设备的相关概念。 第三章对测试系统的整体设计进行了描述，给出了系统框图和工作原理。同时 介绍了测试系统的硬件和软件设计，并指出了上位机和下位机之间的通信协议 第四章详细讨论了测试系统下位机固件编程。简要介绍了固件开发工具，阐述 了 usb设备请求和设备自举相关概念，具体描述了前台的主循环程序、后台的中断 服务程序、i2c 通信协议以及 fpga 可重配置功能的实现。 第五章对测试系统的上位机应用程序结构进行介绍，指出了驱动程序的分层体 系结构及开发技术。最后说明了测试应用程序的实现方法，对测试系统的图形用户 界面功能进行了阐述。 第六章对测试系统进行了功能验证，并给出了测试系统对样品数据采集板的测 试结果，该结果与手工测量值比较后在误差范围内相符，验证了测试系统满足项目 预期需求。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 usb 总线技术 2.1 usb 总线拓扑结构 一个 usb系统主要被定义成三部分：usb的互连、usb设备以及 usb主机。 usb设备和 usb主机通过总线连接。 usb的物理连接是一个星型结构，集线器位于 星型结构的中心，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 2.1。 一个 usb系统包含三类硬件设备：usb主机、 usb设备、 usb集线器11。 host hub1 hub4 hub3 hub2 hub5 func func funcfunc func func hub7hub6 func 复合设备 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 第六层 第七层 hub：usb集线器func：usb设备host：usb主机 根hub 图 2.1 usb的拓扑结构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 2.1.1 usb 设备 usb 设备分为诸如集线器、人机接口、打印机或大规模存储设备等种类。集线 器设备类指的是一种提供 usb连接点的设备，usb设备需要提供自检和属性设置的 信息，usb设备必须在任何时刻执行与所定义的 usb设备的状态相一致的动态。 usb构架如图 2.2 所示，它认为一个 usb由一些配置、接口和端点所组成。一 个 usb 设备可以含有一个或多个配置，如 usb 设备的自供电模式和总线供电模式 及支持远程唤醒功能和不支持远程唤醒功能都需要分别对应一个配置。而一个配置 又可以含有一个或者多个接口。一个接口又可以含有一个或者多个端点，usb 的数 据传输就是在主机和 usb设备的各个端点之间完成的。 设备 端 点 配置 接口 配置配置 端 点 端 点 端 点 端 点 端 点 接口接口接口接口 端 点 端 点 端 点 图 2.2 usb设备架构 当设备被连接、列举之后，该设备就被分配一个唯一的 usb 地址。设备就是 通过该 usb 地址被访问的，每一个 usb 地址通过一个或多个通道与主机通讯。所 有 usb设备必须在 0 号端点有一个指定的通道，每个 usb设备的 usb控制通道将 与之相连。通过此控制通道，所有的 usb设备都列入一个共同的准入机制，以获得 控制操作的信息。 在 0 端点上，控制通道中信息应当完整地描述 usb设备，信息包括以下几类： 标准信息： 这类信息是对所有的 usb设备共同性的定义， 包括一些如厂商识别、 设备种类、电源管理等项目。设备、设置、接口及端点也在此给出。 类别信息：这类信息给出了不同 usb的设备类的定义，主要反映其不同点。 usb厂商信息：usb设备的厂商可自由提供各种有关信息，其格式不受该规范 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 限制。此外，每个 usb设备均提供 usb的控制和状态信息。 2.1.2 usb 主机 由于 usb 通信系统是一个主从式的通信系统，因此任何一个 usb 系统都有且 只有一个 usb主机。从功能逻辑层次上来划分，usb主机主要有客户软件、usb系 统软件和 usb总线接口等三个不同的功能模块组成： 客户软件：包括 usb设备驱动程序和界面应用程序两部分，它主要负责和 usb 设备的功能单元进行通信，以实现 usb设备的特定功能。但是它不能直接访问 usb 设备，其与 usb设备功能单元间的通信必须通过 usb系统软件和 usb总线接口模 块才能实现。 usb 系统软件：usb 系统软件一般包括 usb 总线驱动程序、usb 主机控制器 驱动程序和非 usb 主机软件等。它主要负责 usb 逻辑设备进行配置通信，并管理 客户软件启动的数据传输。 usb总线接口： usb总线接口由 usb主机控制器和根集线器两部分组成。 主机 控制器负责完成主机和 usb 设备之间的实际数据传输，而根集线器则为 usb 系统 提供连接起点。 2.1.3 usb 连接 usb的连接是 usb设备和主机之间进行连接和通信的操作，采用层次星型的总 线拓扑连接结构，usb集线器，一台含有一个 usb主控制器的 pc 机最多可以连接 127 个外设。 2.2 usb 层次结构 usb 通常分为三层，即 usb 总线接口层、usb 设备层和功能层12。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 usb系统软件中用于对一 个usb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13。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 2.3 usb 数据传输 2.3.1 usb 通信流 2.3.1.1 设备端点 一个端点是一个可唯一识别 usb设备的部分，它是主机与设备间通信流的一个 结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了 usb 逻辑设备。每个逻辑设备有一 个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时，由主机分配的，而设备中的每个端 点在设备内部有唯一的端点号。这个设备号是在设备设计时给定的。每个端点都是 一个简单的连接点，或者支持数据流进设备，或者支持其流出设备，二者不可兼得。 一个端点的特性决定了它与客户软件进行的传送的类型。一个端点有以下特性： ? 端点的总线访问频率要求 ? 端点的总线延迟要求 ? 端点的带宽要求 ? 端点的端点号 ? 对错误处理的要求 ? 端点能接收或发送包的最大长度 ? 端点的传送类型 ? 端点与主机的数据传送方向 端点号不为 0 的端点在设置前处于未知状态，是不能被主机访问的。 对 0 号端点的要求： 所有的 usb设备都需要实现一个缺省的控制方法。这种方法将端点 0 作为输入 端点，同时也将端点 0 作为输出端点。usb 系统用这个缺省方法初始化及一般地使 用逻辑设备（即配置此设备） 。缺省控制通道支持了对控制的传送。一旦设备连上并 加电，且又收到一个总线复位命令，端点 0 就是可访问的了。 对非 0 号端点的要求： 设备可以有除 0 以外的其他端点，这取决于这些设备的实现。低速设备在 0 号 输入及输出端点外，只能有 2 个额外的可选端点。而全速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，最多 15 个额外的输入端点和最多 15 个额外的 输出端点） 。 除缺省控制通道的缺省端点外， 其他端点只有在设备被配置后才可使用， 对设备的配置是设备配置过程的一部分。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2.3.1.2 通道 一个 usb通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 存和端点间传送数据的能力。有两种不同且互斥的通道通信格式： 流（stream） ：指不具有 usb定义的格式的数据流。 消息（message） ：指具有某种 usb定义的格式的数据流。 usb不解释在通道中传送的数据的内容。 消息通道要求数据组织成 usb定义的 格式，但它的内容 usb 是不管的。特别地，有下列概念与通道相关：对 usb 总线 访问的申请，带宽的使用情况、传送类型、与通道相连的端点的特性，例如：端点 的数据传送方向，最大数据净负荷区的长度。 流通道： 流通道中的数据是流的形式，也就是该数据的内容不具有 usb要求的格式。数 据从流通道一端流进的顺序与它们从流通道的另一端流出的顺序是一样的，流通道 中的通信流是单方向的。 对于在流通道中传送的数据，usb认为它来自同一个客户。usb系统软件不能 够提供使用同一流通道的多个客户的同步控制。在流通道中传送的数据遵循先进先 出原则。 流通道只能连到一个固定号码的端点上，或者流进，或者流出。而具有这个号 码的另一个方向的端点可以被分配给其他流通道。流通道支持同步传送、中断传送 和块传送。 消息通道： 消息通道与端点的关系同流通道与端点的关系是不一样的。首先，主机向 usb 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/状态的变化，消息通道要求数据有一个格式，此格式保证了命令能够可 靠地传送和确认。消息通道允许双向的信息流，虽然大多数的通信流是单向的。特 别地，缺省控制通道也是一个消息通道。消息通道需要设备提供两个相同号码的端 点，一个用于输入，一个用于输出，两个号码必须相同。消息通道支持控制传送。 2.3.2 usb 事务处理 usb实际的数据传输是以帧（1ms）或者微帧（125us）为单位的，并且每个帧/ 微帧中可以包含一个或者多个事务处理，而其中的每个事务处理又可能有来自不同 的传输，但每个事务处理是一个单一的通信，在传输过程中必须不能被打断14。帧、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 传输与事物处理之间的关系如图 2.3 所示。 通道2 通道1 irp1(i/o请求包,由驱动程序例程1发出)irp2(i/o请求包,由驱动程序例程2发出) 事务处理 1- 0 事务处理 1- 1 事务处理 1- 2 事务处理 2- 0 事务处理 2- 1 事务处理 2- 2 帧/微帧1帧/微帧2帧/微帧3 令牌 数据 握手 (1- 0) 令牌 数据 握手 (2- 0) 令牌数据 握手 (2- 1) 令牌 数据 握手 (1- 1) 令牌数据 握手 (2- 2) 令牌 数据 握手 (1- 2) 图 2.3 usb传输中帧、传输与事务处理关系图 一个 i/o 请求（irp）需要若干个数据交易来实现，不同的 irp 就有许多个数据 交易要实现。这些不同 irp 的数据交易要是在 usb线上实现必然要共享总线带宽， 因此数据交易便被重新组合到不同的帧中。在一帧中可能完成不同数量的数据交易， 这要看具体的数据交易的种类和复杂程度而定，每个事务就由不同的信息包组合而 成，它涵盖识别、错误检测、状态和控制信息，还有要交换的任何数据，是通信的 最小细胞，是传输的最小组织。简单的说，每个传输包括一个或者多个事务，每个 事务最多由三个段：设置阶段、数据阶段和状态阶段，每个段又包括一个、两个或 三个包。 根据数据流的方向和事务建立的目的，事务分为三大类：setup 是发送控制传 输请求给一个设备，in 是从一个设备接受数据，out 是发送数据给其他一个设备， 协议规定，一个事务为到一个端点的服务传输。 2.3.3 usb 数据传输类型 usb 有四种数据传输方式：控制(control)传输、等时(isochroous)传输、中断 (interrupt)传输、块(bulk)传输。根据传输方式的不同分为两种通讯管道：流通道和消 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 息通道。流通道为单向的，支持块传输、等时传输、中断传输，而消息通道只支持 控制传输。通常所有的传送方式下的主动权都在主机侧，传输总是由主机启动的15。 控制传输是双向传输，数据量通常较小。usb系统软件主要用来进行状态查询、 配置和给 usb设备发送通用的命令。通常，控制传输由三个部分组成：由主机发往 设备建立连接的阶段；零个或多个数据交换阶段；由设备返回状态的阶段。控制传 输典型地用在主机和 usb外设之间的端点 0 之间的传输，但是产品制造商指定的控 制传输可能用到其它的端点。控制传输也只通过报文管道。 等时传输要求能在限定的时延下确保有足够的传输带宽。它被用于时间严格并 具有较强容错性的流数据传输。当数据传输有错时，将丢弃出错的数据而不进行重 传。等时传输可用于要求恒定的数据传输率的即时应用中。例如执行即时通话的网 络电话应用时，使用等时传输模式是很好的选择。等时传输要求确定的带宽值和确 定的最大传输次数。对于等时传输来说，即时的数据传递比完美的精度和数据的完 整性更重要一些。等时数据采用流通道进行传输。每个等时传输通道的最大数据载 荷可达 1023 字节16。 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 l 到 255ms 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。 块数据采用流通道进行传输。 块传输在全速时每个数据包可以包含 8、 16、 32 或 64 字节的数据；在高速时含 512 个字节的数据；低速情况下没有块传输。每个设备 每帧只能传输一个等时的传输包。在完成了系统的配置信息和连接之后，usb 的主 机就会调整来自各个客户的待处理的传输请求，使得它们适应帧结构中的可用带宽。 通常情况下，等时传输和中断传输最大可占用 90的可用带宽，剩下的就留给控制 传输。每个帧中的大多数可用带宽可以由一个设备的常规等时传输占用。在这种情 况下，由于缺少带宽，连接需要等时传输的另一个设备可能失败。 2.4 usb 设备相关概念 usb 设备有若干可能的状态，其中一些对于 usb 与主机来说是可见的，而另 外一些对 usb 设备来说是内置的，这小节描述的就是这些可见状态。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 2.4.1 usb 设备状态 外部可见的 usb设备状态之间的转化关系如图 2.4，usb设备共有接入态、加 电态、默认态、地址态、配置态和挂起态等六种总线状态17。表 2.1 对 usb设备的 各个状态进行了解释说明。 接入态 加电态挂起态 挂起态 挂起态 挂起态 默认态 地址态 配置态 非激活 激活 非激活 激活 激活 激活 非激活 非激活 图 2.4 usb设备状态图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 表 2.1 usb设备状态 接入态 加电态 默认态 地址态 配置态 挂起态 说明 否 设备尚未连接至 usb 是 否 设备已连接至 usb，但 未上电 是 是 否 设备已连接至 usb，且 已上电，但尚未被复位 是 是 是 否 设备已连接至 usb，且 已上电，并被复位，但 尚未被分配一个唯一的 地址，这时其将使用默 认地址 0 是 是 是 是 否 设备已连接至 usb，且 已上电，复位和地址分 配操作都已完成，但尚 未被配置 是 是 是 是 是 否 设备已连接至 usb，且 已上电，复位、地址分 配和配置操作都已完 成，且未被挂起。这时， 主机可以使用该设备所 提供的功能 是 是 是 设备已连接至 usb，且 已上电，当它在 3ms 内 没有检测到总线活动 时，将进入挂起状态。 当设备处于默认、地址 和配置状态时，也能进 入挂起状态。 当设备处于挂起状态 时，主机不能使用该设 备所提供的功能。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 2.4.2 usb 设备的总线枚举 每个 usb 设备在正常工作之前，主机必须通过了解该 usb 设备的配置和能力 并为其选择合适的配置和接口，最后并给其加载相应的驱动程序，为 usb设备的使 用作好准备。枚举所定义的就是这个过程，它是主机与 usb设备最初的数据交换， 主要过程如下： 读取设备描述符：主机通过默认地址 0 和默认控制端点 0 读取得设备描述符， 从而获得默认管道的最大数据包长度用来指导其对设备默认管道的配置和通信。 设置地址：主机为 usb分配地址的过程。 读取设备描述符：用新地址再次读取设备描述符。 读取配置描述符。 设置配置描述符值完成配置，设备进入配置态。 usb设备进入配置态后， usb主机就可以和 usb设备之间运用指定的传输方式 来进行数据通信了18。 2.4.3 usb 描述符 usb 设备通过描述符来反映他们的属性。描述符有定义好的格式的数据结构， 每个描述符以一个字节打头表明本描述符的长度，紧跟其后是一个字节的描述符类 信息。使用描述符允许单个配置的属性的精简存储，这是因为每个配置可能重用具 有同样特性的其他配置的描述符或部分描述符。这样的话，描述符类似关系型数据 库的单个数据记录。 2.4.3.1 设备描述符 设备描述符是 usb 设备连接到总线上时主机所要读取第一个的描述符。每个 usb设备必须有且仅有一个设备描述符，它包含 usb设备的基本信息，如描述符共 有信息、设备的产品信息、配置信息等。设备描述符共有 14 个字段组成。 2.4.3.2 配置描述符 所有的 usb设备都至少支持一个配置描述符。此描述符包含设备的电源使用以 及支持的接口数目等信息，共有 8 个字段组成。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 2.4.3.3 接口描述符 usb 设备的接口是一个端点的集合，它负责完成该设备的特定功能。接口描述 符用于指出 usb设备中各个接口的特性，如端点数、所属设备类等。它共有 9 个字 段组成。 2.4.3.4 端点描述符 除端点 0 外，usb 设备中用的每个端点都必须有一个端点描述符。它用于描述 各使用端点的特性，如其所支持的设备的传输类型、传输方向、数据包大小和端点 地址等。端点描述符由 6 个字段组成。 2.4.3.5 其他描述符 除了设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符，usb 描述符还有字 符串描述符以及高速设备的设备限定描述符和其他速率配置描述符等标准描述符和 设备类描述符及厂商特定描述符等非标准描述符。字符串描述符用于保存一些文本 信息；设备限定描述符和其他速率配置描述符是既需要支持高速传输又需要采用全 速传输的 usb设备所必须支持的标准描述符。设备类描述符是一种与前面标准描述 符中设备类代码、子类代码和协议代码相关联的非标准描述符。 2.5 本章小结 本章主要介绍了usb总线技术的基本概念。 usb总线是一种主从式的总线结构， usb 主机是整个总线的控制者，并且总线上所有活动都是由它发起，设备无权发起 任何传输。先介绍了 usb 体系结构，接着描述了 usb 数据传输类型以及相关事务 处理，最后介绍了 usb 设备相关概念，比如 usb 设备状态、usb 设备的总线枚举 以及 usb描述符等。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 3 测试系统整体方案 usb 数据采集板的测试系统主要包括 1 台装有测试系统分析、应用软件的通用 计算机和提供基本测试和激励信号发出功能的测试硬件模块，并通过 usb总线接口 连接起来19。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合在一起，充分发挥 虚拟仪器和 usb总线的特点和优点20。虚拟仪器系统的开发采用“层次化”和“模 块化”的思想，基于 usb总线的虚拟仪器系统的分层结构关系如图 3.