（通信与信息系统专业论文）基于海事卫星接收系统的usb20的研究与实现.pdf

中文摘要 本文充分糕用高速遥臀串行总线( u s b 2 移) 所具有鲮传输速度快、支持热 捶拨、即插鄹用、易于扩展、占焉的系统资源少等优点，将其与i n m a r s a t ( 圈。 际海事卫星组织) 卫星接收系统相结合，设计宴现了一种将卫熙数据采集、分析、 处理与聂示为一体的新的卫星数据采集系统。 ” 基予课题的研究内容，本论文首先对i n m a r s a t 海事卫星系统的缀成和信 道类型进行7 相关介绍，然后讲解了u s b 2 。0 总线技术，包括总线特征、数据流 模型、传输类型以及u s b 2 0 对比u s b l + x 的澈善等。接着从项目实际应用的角 度出发，将u s b 2 0 接爨技术应用剩i n m a r s a t 受星接收系统中。在具体设计 和实现部分，从芯片配置、固件设计、f p g a 相关设计和主桃软件糕序等几个方 面详细阐述了相关的设计细节和研究成果。 在具体设计帮实现部分，论文首先介绍了u s b 2 0 接遴芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 酶 性能和特点，给出了具体的硬件设计方案，随矮，搬据芯片的内部配置以及固件 框架，给出了芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的具体固件设计。在f p g a 相关程序开发部分， 不仅设计了f p g a 相关状态枫的逻辑电路，蔼且也给出了嵌入式软核n i o si i 酶 相关软件开发过程及运行结果。在介绍竞设备驱动程孝的设计基，根据 i n m a r s a t 通信协议，详细分析了基于v i s u a lc + + 的主机应用程序设计过程， 包括解扰、c r c 校验、翻译等。 课题运耀u s b 2 。0 高速数据宰行传输接譬技术，将其应用到卫基数据采集系 统，实现了数据串行高速传输，满足了离数据吞吐爨要求，为卫星数据的采集提 供了一种更有效、更经济、更方便的数据采集方法。 关键词s 通用串行总线c y 7 c 6 8 0 1 3 a 阑件接口数据采集 a b s t r a c t an e wk i n do fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m f o ri n m a r s a ts a t e l l i t er e c e i v e ri s d e s i g n e di nt h i st h e s i s ，w h i c hi sb a s e do nh i g h s p e e du n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b 2 o ) t e c h n o l o g yw i t hs a t e l l i t e rd a t aa c q u i s i t i o n , d a t aa n a l y s i s ，d a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a y t o g e t h e r t h ea d v a n c e dp e r f o r m a n c eo fu s b w i t hh i g h s p e e d ，h o t p l u gi n ，p l u ga n d p l a y ，e a s i l yt oe x p a n d a n de n g r o s s i n gl e s ss y s t e mr e s o u r c ei ss h o w ni nt h es y s t e m 。 b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h i st h e s i s ，t h ec o m p o s i n go fa v i a t i o ns y s t e m i cf o r i n m a r s a ta n dc h a n n e lt y p e si si n t r o d u c e df i r s t l y s e c o n d l y ，t h eu s b 2 0b u s t e c h n o l o g yi sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gb u sa t t r i b u t e s ，d a t a f l o wm o d e l ，d a t a f l o w t y p e s ，也eu s b 2 。0 sa d v a n t a g eo v e ru s b 1 。xa n ds oo n 。a n dt h e nb a s e do nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n si ni n m a r s a td i g i t a lr e c e i v e r ，t h ed e s i g n i n gd e t a i l sa n dt h e s u c c e s si ns t u d yi sd i s c u s s e di nw h i e ht h e r ea r et h i r dp a r t s ：c h i pa n df i r m w a r e d e s i g n ，f p g al o g i cd e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no n p c 。 f i r s t l y ，t h ep e r f o r m a n c eo fu s b 2 0c o n t r o l l e rc y 7 c 6 8 0 1 3 a i sd e s c r i b e d ，a n d t h e nt h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m ei sg i v e ni nd e t a i l i nt e r m so ft h ec h i pd e s i g na n dt h e f i r m w a r ef l o wp r o v i d e db yc y p r e s sc o m p a n y ，t h ef i r m w a r ed e s i g no fs l a v ef i f o si s g i v e ni nt h ef o l l o w i n g i nt h ep a r to ff p g ad e s i g n ，b o t ht h ed e s i g np r o c e s s i n go n f p g aa n dt h ep r o g r a m m er e s u l to l le m b e d d e dp r o c e s s e ri sa n a l y s e d a tl a s t ，a f t e rt h e i n t r o d u c t i o no nt h ed e v i c ed r i v e r , t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m m eb a s e do nt h ev i s u a lc h i sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h ei n m a r s a tp r o t o c o l ，i n c l u d i n gt h es c r a m b l e r , c r c v 鲥分，i n t e r p r e t a t i o na n ds oo n t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o ri n m a r s a ts a t e l l i t er e c e i v e rb a s e do nu s b2 0 t e c h n o l o g yb u sp r o v i d e sam o r ee f f e c t i v e , m o r ee c o n o m i c a la n dm o r ec o n v e n i e n tw a y t oc o l l e c td a t a k e yw o r d s ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，c y 7 c 6 8 0 1 3 ，f i r m w a r e ，i n t e r f a c e ， d a t aa c q u i s i t i o n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘茔或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王立数签字吼2 叼年臼l ，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密居适用本授权说明) 学位论文作者签名：王立毒乙 签字日期：2 屿年g 月一日 ? 师虢锣季 签字日期：2 汐p 年多月7 日 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 u s b ( u n l v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线，貔在电脑外设接翻中褥到广泛应用 得益于它的实用性和便捷性。该接口技术从1 9 9 6 年由几家大公司制定1 0 标准以 来，得到越来越多的厂商支持，继而制定出u s b l 1 ，u s b 2 0 标准，u s b 2 0 标 准支持的高速传输模式使传输速率达到了4 8 0m b p s ，使更多的高速外设和网络 如高清晰数字会议视频设备、高速刻录机、宽带x d s l 和数字广播等，都可以通 过u s b 接口与控制主机相连接。 通用串行总线u s b 的产生是基于三个相关的考虑： 1 ) p c 枧与电话的连接。显然用计算机来进行计算枫通信将是下一代计算机基 本的应用，不牵地是，计算机技术和通信技术各自独立地发展。 2 ) p c 机外设在设置方面缺乏灵活性。从终端用户的角度，p c 的i o 接口，如 串、并行接墨，键盘、鼠标或游戏杆界面缺少即插即用的特性。 3 ) 端口扩展，外设数量的增加受到可利用外设端口数量的限制，现有的连接只 可对极少设备进行优化。 u s b 2 0 接露为上述考虑面出现豹矛盾提供了理想的解决方案。u s b 2 0 不仅 是一种传输速度快、支持热插拔、即插即用、易于扩展、占用的系统资源少的串 行接口，而且综合了不同p c 机的结构和体系特点并赋予p c 机新的功能，这与 将来p c 平台的发展需求相一致。 本文即是以i n m a r s a t 海事卫星接收系统为背景，将u s b 2 0 技术应用到接 收系统中，设计实现了将卫星数据采集、分析、处理与显示为体的新的卫星数 据采集系统。 1 2 斟m a r s a t 卫星通信系统概况 1 2 1i n m a r s a t 系统概述 国际海事卫星组织烈m a r s a t ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l es a t e l l i t eo r g a n i z a t i o n ) 是个提供全球范围内卫星移动通信的政府间合作机构，在世界移动卫星通信领 第一章绪论 域占有极重要的地位。该组织成立予1 9 7 9 年，为海、陆、空溺户提供全球卫基 移动通信和遇险安全通信业务，总部设在伦敦l l j 。 烈m a r s a t 海事卫星通信系统主要提供飞机与地面站之间的地对空通信业 务。该系统由3 部分组成：卫星、地面站( g e s ) 和机载蛞( a e s ) 。卫星与地 面站之闻采用c 频段，卫星与机载站之间采用l 频段。地愿站是卫星与地蘧公众 通信网的接口，是i n m a r s a t 地面站的改装型，机载站是设在飞机上的移动地 球站。i n m a r s a t 海事卫星通信系统的信道分为p 、r 、t 和c 信道睽。i na t 系统构造如图1 1 所示。 p 髂道 机 陆 r 信道 载 地 通信终端 彳信道 固定网络 站 站 ( a e s ) c 信道 ( g e s ) 1 2 2 机载站( a e s ) i 来鸯其他 ig e s 的p 信道 m 圈1 1l n m _ 蛾s a t 海事卫星通信系统结构 安装在飞机上用于通信的设备称作机载站，主要圭天线、高功率放大器、射 频单元、调制解调器( m o d e m ) 和终端接口设备等组成。发射频带为1 6 2 6 5 1 6 6 0 5 m h z ，接收频带为1 5 2 0 o 1 5 5 9 0 m h z t 引。所有的设备都要求体积小、重 量轻，能在振动、摇晃很厉害的条件下和温度、压力大范围变化的情况下保持正 常工作。机载站使用a 类高功率放大器，可以同时提供3 路数字话音通信。飞机 上般都是使用无绳电话机，可方便地供乘客和机组人员使用。有的把电话机装 在公共场所，乘客可以将无绳电话机拿到自己的座锻上打电话，有的电话机就装 在座椅背后，使用起来更为方便。 1 2 3 地球站( g e s ) 地球站设备包括天线、高功率放大器、低噪声放大器、交频器、调制解调器 以及控制和信令设备。地球站的功能是进行卫星信道指派、与地面网络连接和对 海攀卫星通信系统进行管理，发射频段为6 g i - i z ，接收频段为4 g h z t 舶。机载站和 第一章绪论 地球站必需有统一的售令规范，与公众电话网之阌具有自动呼叫连接功能。当从 飞机上向地面打电话时，与在地面上拨打国际电话相似，地球站将从飞机上来的 呼叫接至与公众网络连接的国际交换机，根据机上用户所拨的国家代码，将呼h q 接至相应的对端。所以飞机上的乘客可以与地覆上钰何国家蠹豹用户通电话。 1 2 4 信道类型 在海事卫星通信系统中，用于飞机和地面之间通信的传输业务信息和信令信 息的信遂，有p 、r 、t 、c 四种不霹酶信道翻。 1 ) p 信道 p 信道采用时分复用( t d m ) 分组方式，是条由g e s 连续发送的前向 ( g e s 列岖s 方向) t d m 信道，用来传输分组信令和分组数据。p 倍道可分为用 作系统管理功能用的p 信道( 记为p 。麟) 和用作业务信息传输的p 信道( & ) 。p 涨 和pd 可以是同一条或不同的信道。 2 ) r 信道 。 r 信道是随枫多址信道，以突发方式王作。信道采用时隙隧机访a 嚣- j s - a l o h a 方式。是一条由a e s 以突发方式发送的后向( a e s ，g e s 方向) 时隙a l o h a 信 道( s - a l o h a ) ，用来传输分组信令和分组数据。r 信道可分为用作系统管理功 能用翡r 信道 和溺作业务德息传输的& 瘩道( ) 。g i r d 可以是 同条或不同的信道。 3 ) t 信道 t 信道是隧褫多址僚道，以突发方式工作。信道采用时隙随枕访闯s - a l o h a 方式。是一条由俎s 以突发方式发送的后向( a e s - g e s 方向) 预约t d m 信 道( r - t d m a ) ，用来传输用户的分组数据。g e s 根据a e s 要发送的信息块长 度来分配时隙，a e s 只能在分配的时隙肉按照优先等级依次发送信息。 c 信道 c 信道是一条用在前后向的、采用按申请分配方式工作的单路单载波话音信 道。c 信道的使用由每次呼b q 开始时的分配信令和结束时的释放信令控制。c 信 首内可用时分复雳方式插入一条了带数据信道，在c 信道接通后传送信令与耀 户数据。前向c 信道是话音激活的，后向c 信道是一条连续载波的话音信道。 1 2 5i n m a r s a t 系统的发展前景 毫无疑问，二十一世纪将成为卫星逶信豹世纪，这一趋势可以从一些耗资照 大的全球移动卫星通信系统，如i c o 、g l o b a l s t a r 、i r i d i u m 等的纷纷上马可见一 斑。移动卫星通信市场竞争将会变得异常激烈。而i n m a r s a t 系统有自己的发 第章绪论 展策略，并显示出突出的优势： 1 ) i n m a r s a t 是世界上第一个将全球移动卫星通信业务投入商务运营的国际 电信机构，有近二十年成功运营的经验，系统稳定可靠。 2 ) i n m a r s a t 系统的投入成本已有一定程度的回收，新增的基础建设投入少， 见效快。系统使用无月租金，通信费较低廉，并有下调空阅，逐步改变移动 卫星通信费用高昂的概念。 3 ) i n m a r s a t 系统设有遇险通信的优先级别，可为野外作业入员和大范围漫 游者的人命安全提供可靠的保证。最重要的是，它是满足海上c m d s s 要求 的系统。 4 ) 业务定位明确，重在满足移动场所通信要求，比如：车辆、船只、内地农村， 矿区、森林。不与飞速发展的地面移动个人透僚竞争。 5 ) 不仅仅强调语音通信，更注重数据传输，与信息化数据通信时代接轨。 6 ) 以移动卫星i n m a r s a t 服务、移动卫星数据应用网络、移动卫星多媒体应 用、移动卫星全球数据交换网、高速数据通道的建立为特点，构成i n m a r s a t 的未来方向。 1 3i n m a r s a t 卫星接收系统项目介绍 对予i n m a r s a t 海事卫崖透信信道单元的研究与设计，囡外的技术已经比 较成熟，一些从事调制解调的通信公司已经研制出相应的产品，如美国的 e f d a t a 公司、r a d y n e c o m s t r e a m 公司、英囡的p a r a d i s ed a t a c o m 公司、以色 列的g i l a t 公谣。 但是这些产品有以下缺点： 1 ) 价格高，难以承受。 2 ) 只提供了应用层的数据，没有提供物理层的原始数据，不利于进行试验研究。 冒前国内北京大学信息技术学院卫星遥信研究所研究翌星逶倍系统中的中 频数字化技术，但没有专门针对国际海事卫星系统信道单元进行研究，其他相关 单位也只是针对移动通信中的问题进行研究。 本项目克服上述不足，实现i n m a r s a t 海事卫星系统的数据接收系统，完 整地提供了物理层的原始数据。项目首先通过模拟放大将收到的模拟信号进行放 大，然后经过中频接收( a ，d ) 将模拟信号转化为数字信号，这部分通过a d 6 6 5 4 实现，接着经过载波同步、位阍步、帧同步等处理健卫星数据同步，这部分是在 f p g a 中实现的，再经过解扰、c r c 校验、数据有效信息提取，最后通过u s b 接阴在p c 机上进行显示及数据保存，这部分是本论文涉及的内容，即图1 - 2 中 第一章绪论 虚线部分，主要是将u s b 2 0 技术应用到翌星接收系统中，使系统终端实现集数 据采集、分析、处理以及显示为一体。 l 。4 研究的圉的和意义 豳l - 2 项目系统构造 从目前的卫星接收系统来看，接口通常采用的是i s a 、e i s a 、r s 4 8 4 或r s 2 3 2 总线。但是，i n m a r s a t 卫星p 、t 、r 、c 四个信道同时传输的话，串口或传统 的总线根本就不能满足要求。 采用传统总线的结构有其固有的缺点，例如不仅安装麻烦、易受机箱内环境 的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多 设备等。u s b 2 0 接墨为传统总线所存在的缺点提供了理想的解决方案，使 i n m a r s a t 卫星数据接收系统终端在降低成本、提高可靠性、方便安装、缩短 开发和更新周期、提高设计灵活性、实现多信道数据同时接受以及自主知识产权 等方面向前迈进了一大步。 本课题的硬究目的是充分利用u s b 2 0 总线的高速、安装配置灵活方便以及 主机供电等特性，在完成对高速率的卫星数据接收且进行数据处理，同时简化安 装配置过程、减小系统的体积、降低功耗。将卫星数据接收与u s b 2 0 技术结合 起来，不仅可以发挥高速通用串行总线所具有的快速、双向、同步、低成本、动 态可连等优点，而且为卫星数据的采集、分析、处理以及显示提供了方便，更有 利于对i n m a r s a r 海事卫星系统信道数据的完整性进行深入的研究。 1 5 本文所做的主要工作 1 ) 选择芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，根据设计电路原理图，将芯片硬件实现。6 8 0 1 3 a 是c y p r e s s 公司的f x 2 系列中一种既满足u s b 2 0 协议同时兼容u s b l 1 协 议的功能强大的接翻芯片。 第章绪论 萄u s b 2 0 芯片的圈件程序编写。圆件开发主要是通过对f x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 a 进 行初始化设置、对u s b 请求进行处理来实现与u s b 兼容的外围设备所需的 基本功能。在k c i lu v i s i o n 2 集成开发环境下用k e i lc 编写相关固件，并配合 e z - u s bc o n t r o lp a n e l 进行相关调试。 3 ) 用v e r i l o g 硬件描述语言编写芯片相关状态机对序。豳的是使f p g a 成为一 个独立的外部设备控制器，将同步完成的卫星数据根据命令实时传送到u s b 芯片中。 钙在q u a r t u si i 、n i o si ii d e 中对n i o su 软核进行相关程序编写。用来接收主 机发送过来的命令后传达给f p ( 逾，同时进行收、发模块的控制。 5 ) 基予w i n d o w s2 0 0 0d d k 的驱动开发，主要实现u s b 驱动及i n f 文件的编 写，使主机能正确识别出设备。 国基于v i s u a lc + + 主机程序编写，调用a p i 函数将收集到的数据进行处理，包 括p 、r 、c 、t 四个信道的解扰，c r c 校验，分帧，翻译以及实时配置等。 1 6 论文结构 第一章从i n m a r s a t 卫星接收系统的相关概念出发，介绍了项目的具体内 容，最后介绍了本文的主要安排。 第二章详细介绍u s b 总线体系结构，包括物理拓扑、逻辑拓扑结构、数据通 信流程以及数据传输类型等，并比较u s b2 0 接口对u s b1 x 的改进，给出了系统 设计中需要注意的问题。 第三章描述了所选用的u s b 总线设备端控制器c y 7 c 6 8 0 1 3 af x 2 的芯片结 构点，给出了硬件配置方式和芯片固件程序的编写。 第四章对本论文涉及的f p g a 部分程序的开发，包括f p g a 部分编写的u s b 的收发模块以及n i o si i 部分的中断接收数据部分。 第五章主要是p c 端软件程序的开发过程，包括驱动豹相关开发以及主祝界 面程序的编写。 第六章全文的总结和未来的展望。 第二章u s b 2 0 韵总线协议 第二章u s b 2 0 的总线协议 u s b 通避总线来实现计算枫和静设之阏静数据交换。常瘸计算枫接毯靛改 较如表2 1 赝示。外设通过主枧调度共享u s b 带宽。在主机和外设工作期闽， 总线允许外设动态地连接、配置、使用及断开连接。u s b 提供三种数据传输速 率，高速4 8 0 m b p s 、全速速率1 2 m b p s 及低速速率蠹1 5 m b p s 。 表2 i 常用计算机接掰的磁较 接霹格式可连接设备最大长魔最大速度( b s )用途 嫩大数目( 英寸) ， u s b 异步率行 1 2 7 1 6 ( 或9 6 英 1 5 矗疰，1 2 a 茬， 鬣标、键 尺，使用5 4 8 0 m 盘、硬斑、 个集线器)调黼解调 器、毒频 r s 。2 3 2 异步 25 1 0 0 2 0 k 调制解调 枣行器、鼠糠 r s 4 8 5 异步 3 24 0 0 01 0 0 m 数据存取 枣露与控制 i r d a异步串行2 6 1 1 5 k 打日j 机、手 红井线 持计算枫 s p 重 同步 82 1 m 微处理器 串行遴信 毪c 厨步 4 01 83 。4 m 微处理器 串行通信 臻嚣器1 3 辫 枣行 6 4 1 5 4 0 0 ( 疆嚣王1 3 鲷墨 影像，丈容 可以n 3 2 g )量存储 臻嚣e 毒8 8 并行 1 56 08 轰莲 靛器 并行打印机并行21 0 o8 m打印机、扫 端疆攒铰 2 1 u s b 的总线拓扑 2 1 1 物理总线拓扑 u s b 设器物理上通过层叠型的星型结构连接到主机上，见图2 1 所示，连接 点由h u b 提供。拓扑形式是树型配置结构。 第三章u s b 2 0 的总线协议 多个功畿设备可结合在一起组成一个物理设备。组合体态，单个功能设备直 接连接在h u b 上，通过内部h u b 连接到u s b 上，这时就称该组合体为复合设备。 h u b 和连接到h u b 上的功能设备被分配各自的设备地址。在高速系统中，h u b 起 着很重要的作用，它将全速或低速信号环境与高速信号环境隔离开。高速h u b 也 容许u s b1 xh u b 以全速或低速连接和操作。每个高速操作h u b 增加了一个或多 个低速、全速总线，这样将容许更多的低速及高速总线连接到主机上，而不要求 额外的控制器。连接到主杌上的u s b 设备可多达1 2 7 个雕。 2 。1 2 逻辑总线拓扑 图2 1u s b 物理总线的拓扑 图2 之u s b 逻辑总线的拓扑 在物理结构上，设备通过h u b 连到主机上。但在逻辑上，主机是直接与各 个逻辑设备通信的，就好像它们是直接被连到主机上一样。这个逻辑关系如图 2 - 2 所示。当设备物理上连接到u s b 上时，主机与每一逻辑设备通信。尽管大多 数逻辑设备活动应用逻辑的观点，但主机保持对物理拓扑情况的掌握，以便支持 处理h u b 的移去。当h u b 从主机移去后，所有连接到h u b 上的设备必须从主机 第二章u s b 2 。0 的总线协议 逻辑拓扑中移去。 2 1 3 客户软件与功能软件的关系 尽管物理拓扑和逻辑拓扑反应了总线共享的本质，处理u s b 功能接口的客 户软件表现出仅处理接瑟部分的功能。u s b 设备豹客户软件必须使用软件程序 接嗣来完成其功能，像p c i 、e i s a 一样不能直接从存储器或f o 直接存取。访问 期间，客户软件应与连接到u s b 上的设备独立。这就使外设的设计者和客户软 件集中在软硬件相趸作用的设计细节上，如图2 3 所示。 苫毫葛 圈2 3 客户软件和应用间的关系 2 2u s b 系统的屡次关系 主机与设备的连接需要实体之间多层的相互作用。图2 4 详细说明了u s b 系 统的层次关系。u s b 总线接口层提供了主机和u s b 设备之间的物理连接。u s b 设 备层是u s b 系统软件与设备完成u s b 操作的一层。功能层向主桃通过选择适当的 客户软件提供更多的功能。u s b 设备层和功能层通过使用总线接口完成数据传 输，来完成层间的逻辑通信。特别地，有四个层次的实现是较为集中的【4 j 。 1 ) u s b 物理设备( u s bp h y s i c a ld e v i c e ) ：u s b 上的一种硬件，可运行一些 用户程廖。 2 ) 客户软件( c l i e n ts o f t w a r e ) ：为一个特定的u s b 设备而在主机上运行的软 件。这种软件由u s b 设备的提供者提供，或由操作系统提供。 3 ) u s b 系统软件( u s bs y s t e ms o t t w a r e ) ：此软件用于在特定的操作系统中 支持u s b ，它由操作系统提供。与具体的u s b 设备和客户软件无关。 4 ) u s b 主机控制器( u s bh o gc o n t r o l l e r ) ；总线在主机方面的接口，是软件 和硬件的总和。用于支持u s b 设备通过u s b 连到主机上。 这嬲个u s b 系统的组成部分在功能上存在相互重叠的部分。为了支持主机 与客户之间的坚固可靠的通信。 如图2 - 4 所示，一台主机与一个u s b 设备间的连接是由许多屡上的连接组 第二章u s b 2 。0 豹总线协议 成。u s b 总线接瑟瑟提供了在主枫和设备之瓣的镌理连接、发送连接帮数据包 连接。u s b 设备层对u s b 系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层来 完成对设备的一般的u s b 操作。应用层可以通过与之相配合的客户软件向主机 提供一些额终静功麓。u s b 设备层耱廒爝屠豁通信是逻辑上的，黠应于这些逻 辑通信的实际物理通信由u s b 总线接口层来完成。 = 三概 物理设备 _ _ i i _ _ _ 实际通信流 霉= = = = 逻辑通信流 二二二二 霰实现豹区域 2 。3u s b 通信流程 图2 一u s b 系统的层次关系 u s b 在主桃软件和功钱设备之间提供了道信服务。每一通信流剥用总线存 取来完成客户设备和功能设备的通信。实际通信流的完整定义支持逻辑设备和功 能设备层的遥信，这些通信流要遥过凡个接掰界谣。u s b 的逻辑设备对系统来 说是端点豹集合。端点被分戒完成接蜀经务瓣端点集。u s b 系统软件使用默认 管道管理设备。客户软件使用管道束客户软件要求数据通过主机上的缓存和u s b 端点之间进行数据传输。主控制器( 或u s b 设备，依赖于传输方向 将数据打 第二鬻u s b 2 0 的总线协议 包惑，在总线上传输。 豳2 ，5 说嘲了在端点翮主机侧存储缓存之筒的管道上数据怒如倚镥输的，释 壤煮缓存枣嚣毅据，逶遗逑辑鸷遵，瓷主撬熬控制下蒋输，主瓿上瓣较释遴过 系剥遴嫠流冬逻辫竣簧遥壤。 2 。3 薹设餐端点 鋈2 。薹u s b 遴落瀵 端点楚u s b 设备的瞧一可谈掰部分，是主梳帮设备阍酌遥信誉瀚逶。每一 u s b 逻辑设备襻壹一系判猿立瓣端熹摅藏。在设备连接时，系统绘每一避辑设 备势怒难邈址。设餐主瓣每一个端熙被赋予礁豹被称为端点号豹标识符。每 端点具肖数据传输的方向。设备地址、端点号稀传输方向的三者结合来区掰不 蓠戆设备。 赉称涛端点豁熬嚣端感缰麟麴管道，秣势默试饕遒，该管道在设备一旦加上 电源和总线复饿就可使用。而别的管道当u s b 设备配置艏才存在。默认控制管 道被主枫系统较律震来确定设鬻标识及琵霞设备。 2 3 2 管道 u s b 筵f 道建设备上端点和盎帆上软件之间馋输俯息的路径。脊两种互席的管 道通信模蓬滋。 一辫是鼗攒漉( s t r e a m ) 蛰遵。该警遴是逶过警遵转输数摄，u s b 没燕囊义 第二章u s b 2 。0 熬总线协议 具体的结构格式。数据铁流管道一端流入，丽从另一端以阉样斡顺序流出，流管 道是单方向的。通过流管道的数据与u s b 中的单个客户相互作用。系统软件在 可能访问相同流管道的多个客户间不提供同步机制。提交给流管道的数据通过管 道顺序流动，即“f i r s ti n ，f i r s to u t 。流管道支持批量数据传输、同步传输、中断 传输。 另一种是消息流( m e s s a g e ) 管道。该管道也是通过管道传输数据，但u s b 定义具体的结构格式。首先从主机向u s b 设备发送传输请求，该请求后面是以 一定方露传输的数据，最后是标识传输状态的标识。为了适应请求、数据、状态 的格式，消息管道在通信流上增加了数据结构以便命令被可靠地识别和通信。默 认控制管道总是消息管道。在设备侧只有当前的消息处理完后，下一消息才可从 主机送擞，然而，在错误状态下，消息传输可能被主机中断。从软传处理清息管 道的角度出发。错误的出现导致包的重试。消息管道支持控制传输模式。 2 3 3u s b 信息转换过程 分析信惠转换过程蓄先了解以下几个概念。 首先了解一下包的概念，在串行线路上传输最小数据块是包，它沿一个方向 发送，要么来自主机，要么发送给主机。一个包由同步信号、包i d ( p i d ) 、可 能的一些数据和一些c r c 校验字组成。主要的西类包为令牌( o u t 、i n 、s o f 、 s e t u p ) 、数据( d a t a o 、d a t a l ) 、握手( a c k 、n a k 、s t a l l ) 和特种( p r e ) 等。 在了解一下事务的概念，事务是主枫和一个设备之间使用一个或多个包的离 散交互。主机总是使用一个令牌类型的p l d 开始一个事务，数据包可以沿任何 个方向发送。最后，沿数据传输的相反方向发送回一个握手信号。例如一个控制 传输涉及主机给设备发送一个s e r 腰包，任何一方的0 个或多个d a t a 包以及一 个握手包。联或o u t 包搿始所有的传输。设备端点的定义确定它是中断传输、快 传输还是同步传输【6 】。 要完成主机与u s b 设备间的任何数据传送，必须要使用一定的u s b 带宽。主 机上有凡个部分是用于协调u s a & 的信息流的，它 | 、】是：客户软件、u s b 驱动器 ( u s b d ) 和主机控制器驱动器( h c d ) 【7 】o 1 ) 客户软件：通过对u s b d 界面发出调用( c a l l s ) 和响应调用( c a l l sb a c k s ) 的 i r p 请求，消费从应用端点来的数据或生产到消费端点去的数据。 2 _ ) u s b d ( u s b 驱动器) ：u s b 系统软件与客户软件之间的接口，提供给客 户软件一些方便的使用u s b 设备的功能。通过对合适的主机控制器驱动器 ( h c d ) 的调用( c a l l s ) 和响应调用( c a l l b a c k s ) ，将从设备端点来的或到 第二章u s b 2 0 的总线协议 设备端点去的i r p 中的数据进行一定转换。一个客户i r p 可能会需要几个传 送来完成。 3 ) 主机控制器驱动器( h c d ) ：它位于u s b 主机控制器与u s b 系统软件之间。 它将i r p 转换成事务或将事务转换成i r p ( 按照主机控制器的要求) ，并对 它们进行组织，以使主机控制器进行操作。h c d 和它的硬件闷的互相作用与 它的实现有关，不在u s b 说明的范围内。 4 ) 主机控制器：进行事务，为每个事务在总线上通过包传送数据。 圈2 - 6 从客户软件到总线的u s b 信息转换 圈2 - 6 说明了当在客户软件和u s b 间有信息流动时，主机上的不同部分是 如何工作鳇。它们之闻的爨面是了解的嚣标。 第二章u s b 2 0 的总线协议 2 4 四种数据传输类型 u s b 体系结构支持4 种最基本类型的数据传输 2 4 1 控制传输 主要用于在连接时刻配置一个端口。当u s b 设备初次安装时，u s b 系统软件 使用控制数据对设各进行设置，设备驱动程序通过特定的方式使用控制数据来传 送，数据传送是无损性的。控制传输应用于在主机列举设备时或主机想要发送定 义请求或接收相应的信息时。传输格式如图2 - 7 所示i 。 魍鳝画 哟癌圆 “”鹤鲍画豳鲍国 c o n t r o lo p e r a t i o n n o tc o m p l e t e d 图2 7 控制传输 c o n t r o lo p e r a t i o n c o m p l e t e d 2 4 2 批量数据传送 用于相对大量的数据传输应选择批量数据传输。批量数据传输是有序的 第二章u s b 20 的总线协议 可靠的( 通过错误检测和少量的重发) ，此外根据其它一些总线动作，被大量数 据占用的带宽可以相应的进行改变。论文中使用的就是这个方式。传输格式如图 2 - 8 所示吼 2 4 4 同步传输 图2 - 9 中断传输删传输 同步数据的建立、传送和使用时是连续且实时的，同步数据是咀稳定的速率 发送和接收实时的信息，同步数据要使接收者与发送者保持相同的时问安排，除 了传输速率，同步数据对传送延迟非常敏感。所以同步通道的带宽的确定，必须 第二章u s b 20 的总线协议 满足对相关功能部件的取样特性。不可避免的信号延迟与每个端口的可用缓冲区 数有关。同步传输用于那些需要实时传输的设备例如实时的音频、视频等，这种 传输需要保证传输的实时性。传输格式如图2 一l o 所示1 。 图2 一l o 同步传输i n 传输 2 5 u s b 20 对比u s b l x 的改善 2 0 0 0 年4 月u s b2 0 版本被推出，它的最高速率可选4 8 0 m b p s ，是u s b ll 协议的4 0 倍。新版本中的最大变化是传输速率的大幅提高。u s b lx 支持两种 总线速率：全速( 1 2 m b p s ) 和低速( 15 m b p s ) 。低速速率主要针对那些低消 耗的设备，例如鼠标、键盘等它们需要使用柔软的电缆( 没有良好屏蔽) 。 u s b 20 增加了一种更高速的总线速率：高速( 4 8 0 m b p s ) ，这个飞跃使该接口 可以面向更多的应用。当然，总线的速率并不等于设备真正传输数据的速率。数 据传输速率要根据总线的繁忙程度以及它所使用的数据传输类型来定。在最好的 情况下，高速的批量传输的传辅速率可以达到5 3 m b p s ，这时它占用将近9 0 的 带宽。下面对u s b2 0 协议改善部分作详细阐述，用以阐明u s b2 0 协议是如何 提高数据传输速率的，以及为提高传输速率在描述符、集线器上所作的改进，并 讲解新的u s b 设备开发需要注意的问题。 2 5 1 微帧和u s b2 0 集线器 尽管u s b2 0 总线可以提供高速的数据传输，但它仍允许用户在高速传输时 使用低速和全速两种传输的设备。在一个全速的总线上，总控制器将总线上的时 问分为长度为l m s 的帧，每帧使用作为时间参考的s o f ( s t a r t o g f r a m e ) 包开始 在每一帧内，主机安排传向多个目的的多个传输。每个传输包括将使用的缓存的 端点地址，在多数传输类型中，信息在两个方向上传输，主机开始事务，从主机 或到主机的数据传输并且接收返回的状态信息。对于高速传输，主机将每个 1 m s 的帧分为8 个微帧( 每个帧从s o f 包开始) ( 9 1 。每个微帧能够携带到达多个 第三章u s b 2 国的总线协议 地垃的多个传输。罔全速相比较，单个事务能够携带更多的数据，协议豹加强使 总线在各种速率时的适成都更加有效。 在u s b i 0 总线协议中规定每毫秒发送一帧数据，而在u s b 2 0 标准中引入 了微帧( m i e r o - f r a m e ) 的概念，邵每毫秒发送最多8 个微帧作为一帧，这样做 不仅可以极大的提高传输速率，固时对系统设计时所需要的缓存容量要求也大大 降低了。 u s b 2 0 完全向下兼容，主机控制器会自动监测连接的外设是u s b 2 0 还是 u s b i 。l 的，并自动调整带宽。当一个u s b 2 。0 癸设和一个u s b l 1 外设同时连接 到主机上时，它们能按照自己所要求的带宽，互不干扰的同时稳定工作。 集线器能够增加外设的端口数。一个典型的集线器可以有一个根集线器相连 的上游端墨以及最多7 今连接辨设或其它集线器的下游端口。一个支持u s b l x 协议的集线器支持全速和低速的数据速率，但是不能实现速率转换。如图2 11 所示，一个u s b2 0 集线器则相当于一个远程处理器，可以根据需要实现从高速 到低速或全速的转换。集线器的智能使得高速总线继续嗣u s b i x 的设备兼容。 同时它也意味羞u s b2 0 比u s b l x 的集线器要复杂。 豳2 1 lu s b 2 0 集线器拓扑图 当把一个设备连接到u s b l 。x 的集线器上时，集线器通过测量d + 和d 信号 之间的电压来判断设备的速率。因为高速总线比低速和全速总线要快得多，高速 总线在实现速度的转换时使用了一些其它的技巧来避兔总线的堵塞。当把一个 u s b2 。0 集线器连接到u s b2 0 根集线器时，在这些集线器之闻使用高速传输数 据。为了减少信号的抖动，集线器反复同步接收高速数据，另方面它不变地连 接到任何高速设备。 第二章u s b 2 。0 豹总线协议 2 5 2 优化的传愉协议 u s b 2 0 同u s b l x 一样也支持4 种传输类型。除了具有高速传输速率以外， u s b2 0 在协议土也有改善适疲高速传输的方法，提凄用于在高速总线上全速秘 低速传输的分裂传输。 高速的批量和控制传输有一个更好的握手方法。在接收数据之后，一个设备 端点将通过握手返溺一个n y e t ( n o ty 贰) ，表示端点已经接收过数据了，但它 没准备好接收更多的数据。当主机认为设备可能已经准备好了之后，它将发送一 个p i n g 标志包，端点返回a c k ( 响应) 或n a k 来通知高速主机是否可以进行 下次数据传输。 为了更有效地利用总线，高速传输的主机和集线器在和低速、全速设备连接 的时候使用了新的分裂传输。在低速和全速时，所有事务的包是依次进行的，在 它们之间没有其它的传输。例如，在接收过标志和数据包后，设备必须没有延时 返隧一个预期的握手包。但是一个高速的集线器，为了等待设各接收到标志和数 据包，接着作出反应，而浪费了大量的时间。解决的办法是将一个事务分成两部 分。在高速传输时，主机发送给集线器一个开始分裂标志包( s t a r t s p l i t ) ，并随 之发送主机在事务中所要发送於数据。然后主视就被释放去处理其它豹事务藤无 须等待这个事务被完成。高速集