（计算机应用技术专业论文）嵌入式usbhost的研究与实现.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我茁导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。 对本论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表示感谢。 作者签名 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留和使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 学位论文作者签名： 日期：j 喇 保密的学位论文在解密后适用本规定。 导师签名：三螳耸 日期：翟2 垡：i ；： f 华东师范大学硕士学位论文嵌入式u s b h o s t 的研究与实现 摘要 在现代科技的发展过程中，随着处理器技术的发展和通信、控制、消费类电子产品等 嵌入式应用的发展，嵌入式系统逐渐深入到人们生活的方方面面。各类嵌入式系统产品之 间往往通过某种接口进行交互或数据传递。 在早期的系统接口中，有串行口、并行口和p c i 接口等等。由于这类接口存在传输速 度低，切换复杂，操作使用不方便等种种局限性而产生了u s b 接口。 当前，在数据采集的嵌入式系统中，数据交换大多还是使用软盘、串行接口或以太网 等方式。相对上面种种方式，在嵌入式系统设备上使用u s b 接口的便利和优点逐步体现出 来。可是各种u s b 接口的设备都是基于p c 机系统的。所以，基于嵌入式系统的u s b 接 口的研究具有其实用的价值和意义，特别是起m a s t e r 作用的h o s t 端接口的研究。 本论文的主要部分，首先追述了u s b 的发展历史，然后系统分析了u s b 接口规范 ( u s b l 1 ) ，研究和比较了基于w i n d o w s 的p c 机系统、基于嵌入式操作系统、以及基于 无操作系统的嵌入式系统中的u s b 协议栈的实现方式。建立了基于无操作系统的嵌入式 u s b h o s t 的实验模型，在实验模型上实现了h i d 类和m a s ss t o r a g e 类，验证了嵌入式系 统接入h i d 类的鼠标设备，在资源相对有限的嵌入式系统上实现了对u s bm a s ss t o r a g e 类 设备( u 盘) 的读写控制，其中，还详细的研究和分析了f a t 文件系统。 在自主建立的实验模型的基础上，进行了大量的实验分析，根据实验记录定性分析了 嵌入式系统觌- u s b 接口和u s b 协议栈的性能区别。最后，展望了u s b 接口发展的问题 和方向。 关键字： 嵌入式系统u s b 协议栈 u s b h o s t h i d 类 m a s s s t o m g e 类f a t 文件系统 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式u s b h o s t 的研究与实现 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h em o d e mt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t s ，w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t so ft h ep r o c e s s o rt e c h n o l o g i e sa n de m b e d d e da p p l i c a t i o n ss u c ha s c o m m u n i c a t i o np r o d u c t s ，e l e c t r o n i cc o n s u m e rg o o d s ，e t c t h ee m b e d d e ds y s t e ma l l i s a v a i l a b i ei np e o p l e s l i v e s a m o n ga 1 1k i n d so fe m b e d d e dp r o d u c t s d a t at r a n s f e r s u s u a l l ya r ec o m p l e t e db ys o m ei n t e r f a c e a m o n gt h ee a r l yp cs y s t e mi n t e r f a c e s ，t h e r ea r em a n yk i n d so fi n t e r f a c es u c ha ss e r i a l i n t e r f a c e ，p a r a l l e li n t e r f a c e ，a n dp c ii n t e r f a c ee t c b e c a u s et h e r ea r el o wd a t as p e e d h a r d n e s st o s w i t c h ，a n dd i f f i c u l to p e r a t i o ne t c ，a sar e s u l t ，u s bi sp r e s e n t n o w , i nt h ee m b e d d e ds y s t e mo fs i g n a la n dd a t ac o l l e c t i o n ，t h ed a ms w i t c h i n gi sc o m p l e t e d b yf l o p p yd i s k ，s e r i a li n t e r f a c e ，o re t h e m e te t c a sac o m p a r i s o n ，u s ba v a i l a b l ei nt h ee m b e d d e d s y s t e ms l o w l yt a k eo na d v a n t a g e so fo p e r a t i o n b u ta l m o s ta l lu s bi n t e r f a c ei sb a s e do np c s o t h er e s e a c ho f e m b e d d e du s bi sv a l u a b l e i ns p e c i a l l y , o f t h eu s bh o s ti n t e r f a c ea sm a s t e r t h em a i np a r to f t l l i st h e s i sg o e sb a c kt h eh i s t o r yo f u s bf i r s t l y , t h e na l i a l y s e st h e u s b1 1s p e c i f i c a t i o nc o m p l e t e l y , a n dc o m p a r e st h ed i f i e r e n c ea n dr e a l i z a t i o no ft h e u s bs t a c ki nt h ep c i nt h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do no s a n di nt h ee m b e d d e d s y s t e mb a s eo nn oo s a sar e s u l t t h ee x p e r i m e n tm o d e lw i t hu s bh o s ti n t e r f a c e b a s e do nn oo si nt h ee m b e d d e ds y s t e mi ss e tu p o nt h em o d e l ，h i dc l a s s ( u s b m o u s e ) a n dm a s ss t o r a g ec l a s s ( u s bf l a s hd i s k ) i si m p l e m e n t e da n dv a l i d a t e d a m o n gt h ep r o c e s so ft h er e s e a r c h t h e 汀f i l es y s t e mi sf u l l yr e s e a r c h e da sw e l l a tt h es a m et i m e al o to fl a ba n a l y s i si st a k e no nt h em o d e lb u i l tb ym y s e l f , b a s e do nt h er e c o r d s o fe x p e r i m e n t ，t h eq u a l i t n i v ea n a l y s i so ft h eu s bi n t e r f a c ea n du s bs t a c kr e s p o n s et h e d 硐r e n c e si nt h ed i f i e r e n te m b e d d e ds y s t e m a t1 a s t , i nt h el a s tp a r to f t h i st h e s i s t h ef l l r t h e r r e s e a r c h i n go f u s ba n ds o m el a t e rp r o b l e m sa r ea l s od i s c u s s e d k e y w o r d e m b e d d e ds y s t e m ，u s bp r o t o c o ls t a c k , u s b h o s t ，h i dc l a s s ，m a s s s t o r a g ec l a s s ， f a tf i l es y s t e m 华东师范丈学硕士毕业论文 嵌入式u s b h o s t 的研究与实现 引 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础软、硬件可裁剪的专用计算机 系统。它是对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的计算机应用系统，广泛应用 于制造工业、过程控制、仪器仪表、军事装备和消费类产品等领域。嵌入式设备通常具有 较少数的专用功能，在某些特定环境中具有如：实时性、内存、能耗和安全性等的特殊需 求。 由于早期的计算机系统中，常常用串行口或并行口等接口连接外围设备。每个接口都 需要占用计算机的系统资源( 如中断，i o 地址，d m a 通道等) 。无论是串行口还是并行k i 等等，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i s a e i s a 或p c i 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。由于种 种的局限性和矛盾而产生了u s b 接口。 当前，在嵌入式系统中，数据采集和交换大多还是使用软盘、串行接口或以太网等方 式。使用u s b 接口的种种便利和优点，在嵌入式系统设备上也逐步体现出来。可是各种u s b 接口的设备都是基于p c 机系统的。所以，基于嵌入式系统的u s b 接口的研究具有其实用 的价值和意义，特别是起m a s t e r 作用的h o s t 端接口的研究。比如，嵌入式数据采集系统 对移动存储的需求，就需要在采集系统中实现u s b h o s t 接口。 本论文系统分析了u s b 接口规范( u s b i 1 ) 。研究和比较了基于w i n d o w s 的p c 机系 统、基于嵌入式操作系统、以及基于无操作系统的嵌入式系统中的u s b 协议栈的实现方式。 建立了基于无操作系统的嵌入式u s b h o s t 的实验模型，在实验模型上实现了h i d 类和 m a s ss t o r a g e 类，验证了嵌入式系统接入h i d 类的鼠标设备，在资源相对有限的嵌入式系 统上实现了对u s bm a s ss t o r a g e 类设备( u 盘) 的读写控制，其中，还详细的研究和分析 了f a t 文件系统。在实验模型的基础上，定性分析了几种嵌入式平台实现u s b 协议栈的 性能差别。最后，展望了u s b 接口发展的问题和方向。 第1 页共6 4 页 华东师范大学硕士毕业论文 嵌入式u s b - h o s t 的研究与实现 第1 章概述 1 1 研究嵌入式u s b - h o s t 的意义 1 1 1 嵌入式设备及u s b 的定义 计算机系统根据其应用可分为两大类别：通用计算机系统和嵌入式计算机系统。通用 计算机系统一般在硬件上都咀标准形态( 如p c 、笔记本电脑) 出现，针对各类应用配置不 同的软件，供用户使用；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品 和系统中，用户一般察觉不到其存在。 一台通用计算机的外部设备中包含了多个嵌入式微处理器例如键盘、鼠标、显示号、 网卡、m o d e m 、打印机、扫描仪、数字相机等均是由嵌入式处理器控制的，又如家庭生活 中的装置和设备、实验室中科学实验的可靠记录设备、关注病人健康的全天自动监测设 备这些含有嵌入式计算机的设各统称为嵌入式设备。 在早期的计算机系统上，常常用串行口或并行口连接外围设备。每个接口都需要占用 计算机的系统资源( 如中断，i o 地址，d m a 通道等) 。无论是串行口还是并行口都是点对 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i s a e i s a 或p c i 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。 u s b 总线是i n t e l 、d e c 、m i c r o s o f t 、毋m 等公司联合提出的一种新的串行总线 标准，主要用于p c 机与外围设备的互联。u s b 线缆包括4 条线：v b u s ( u s b 电源1 、d + ( 数 据) 、d - ( 数据) 和g n d ( u s b 地) 。线缆最大长度不超过5 m 。u s b l 1 的传输速率最高为1 2 m b s ( 低速外设的标准速率为1 5 m b s ，高速外设的标准速率为1 2 m b s ) 。u s b 总线最多可支 持1 2 7 个u s b 外设连接到计算机系统。u s b 的拓扑是树形结构，有1 个u s b 根集线器( r o o t h u b ) ，下面还可有若干集线器。1 个集线器下面可接入多个u s b 接口的设备。u s b 总线具 有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，已被广泛地用在p c 机及嵌入式 系统上。 1 1 2 嵌入式设备接口的应用及发展方向 当前嵌入式设备在应用数量上远远超过了各种通用计算机。在我们的生活中，大约 9 8 的处理器不是应用在我们传统的桌面计算机设备上，而是广泛应用在制造工业、过程 控制、通讯设施、军事装备、消费类产品等方面的嵌入式设备。 传统的嵌入式设备与主机的通讯接口一般是基于p c i 总线、i s a 总线或者是r s 一2 3 2 c $ 行 总线、并行口等等。它们的传输速率如表1 1 所示。 表1 1 ：常用串行口比较： 接口格式负载能力( 设备个数)速率( 晟大值b i t s ) u s b异步串行 1 2 71 5 m 、1 2 m 、4 8 0 m r s 一2 3 2异步串行2 1 1 5 2 k r s - 4 8 5 异步串行 3 21 0 y i r d a 红外异步串行 21 1 5 2 k m i c r o w i r e同步串行82 m s p i 同步串行 82 1 m 1 2 c 同步串行4 04 0 0 k 第2 页共6 4 页 华东师范大学硕士毕业论文嵌入式u s b h o s t 的研究与实现 i e e e 一1 3 9 4 串行 6 44 0 0 m i e e e 一4 8 8串行1 5 8 m e t h e r n e t串行1 0 2 4i o m l o o m 1 g m i d i 电流环 23 i 5 k 从上表可知，p c i 总线虽具有高的传输速度( 1 3 2 m b p s ) ，支持“即插即用”功能，但其 缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限( 一般为5 6 个) 。i s a 总线存在着同样的问题。r s 一2 3 2 c 串 行总线虽然连接简单，但其缺点是传输速度慢。并行口也存在同样问题。 现在，网络接口也逐步在嵌入式设备中出现。网络接口的方式虽然在设备数量、通信 距离、通信速度等诸多方面都具有优势，但它需要有网络的物理环境，也即只有在有网络 布线的场所才能使用。而且，在有的应用场台，网络接口不能很好或根本不能发挥作用。 比如野外作业的数据采集设备，当采集的数据量比较大的情况。 最近几年，基于p c 机系统的u s b 接口解决了以上诸多问题。同时，嵌入式系统设备越 来越多的t g x u s b 接口。并且，嵌入式系统设备不仅仅作为一个u s b 接口的外部设备，很 多场合已经需要嵌入式系统设备扮演p c 主机系统的角色，即在嵌入式系统中实现u s b 接口 的u s b h o s t 功能。 1 1 3 研究嵌入式u s b h o s t 的必要性 当前，数据采集系统、工控行业和嵌入式用户对移动存储的需求越来越大。比如在医 学信息网络化中，经常需要将各种医学仪器( 如脑电图、心电图等) 获得的各种医学信息 记录下来。在这些系统中，数据采集和交换大多是使用软盘、串行接口( r s 2 3 2 r s 4 8 5 ) 或 以太网等方式。软盘存储容量小、可靠性差，而串行接口速度太慢，以太网都需要布线施 工，成本投入大，而且不具备移动性。随着目前移动存储技术，特别是基于u s b - f l a s h 技 术的u s b 移动存储器技术的发展为上述领域中的数据存储和交换提供了新的可能性。如何 在嵌入式系统中实现u s b 移动存储成为急需解决的问题。而在u s b 接口的技术规范中，将 使用u s b 进行数据传输的双方分划为两种角色：h o s t 和s l a v e ，并且规定，数据传输只能 发生在h o s t 和s l a v e 之间。目前，绝大多数h o s t 功能角色被集成在各种类型的p c 机( 或 以上层次机器) 上，如笔记本电脑、台式机、m a c 机及服务器等。各种各样的基于u s b 接 口的设备，比如u s b 移动存储器、带u s b 接口的数码相机等都集成了u s bs l a v e 功能或角 色。这样，就导致这些作为u s bs l a v e 的u s b 接口的数字设备无法应用于嵌入式系统中。 解决这一问题的根本办法就是在需要使用u s b 设备的嵌入式系统中集成u s bh o s t 功能模 块，使之具有与u s bs l a v e 设备进行数据传输的能力。由此可见，研究嵌入式u s b - h o s t 就显得非常必要。 1 2实现嵌入式u s b - h o s t 的技术基础 1 2 1处理器技术的发展 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器分为嵌入式微处理器、嵌入式 微控制器、嵌入式d s p 和嵌入式片上系统( s o c ) 这四类。 ( 1 ) 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是基于通用计算机中的c p u 技术，只是其电路板是根据特定应用而定 制的母扳，而且体积小、功耗低。嵌入式微处理器也与标准微处理器的发展类似，从早期 的4 位，8 位逐渐增到1 6 位3 2 位甚至6 4 位。 第3 页共6 4 页 华东师范大学硕士毕业论文 嵌入式u s b h o s t 的研究与实现 ( 2 ) 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器即单片机，以种微处理器内核为核心，在芯片内部集成 r o m f e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、i o 、串行口等各种必要功能和外 设。单片机控制器具有体积小、可靠性高的特点，是当前嵌入式系统的主流，约占7 0 的 市场份额。通用单片机系列包括8 位的8 0 5 1 、1 6 位的m c s - - 9 6 1 9 6 2 9 6 等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ge d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，适合于执行浮点、向量运算，编译效 率、指令执行速度高。d s p 运算能力高于单片机。嵌入式系统的智能化推动了嵌入式d s p 处理器的发展。例如各种带有智能逻辑的消费类产品生物信息识别终端，带有加解密算 法的键盘，实时语音压缩、解压系统，虚拟显示等等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 嵌入式片上系统( s o c ) 是指集成系统性能于一块芯片上的极大型集成电路。它通常 含有个微处理器核，若需要再增加一个或多个d s p 核，以及多个或几十个的外围特殊功 能模块和一定规模的存储器t r a m 、r o m ) 等。微处理器核由硬件描述语言( v h d l 等) 描 述，作为标准库存储。用户只需定义整个应用系统，仿真通过后就可将设计图纸交给半导 体工厂制作样片，而整个嵌入式系统就集成在这一块或几块芯片中，电路板简洁并且可靠 性高。嵌入式微处理器多系列的发展为实现各种多功能的嵌入式系统设备提供条件。 嵌入式微处理器的发展，使得嵌入式系统中的高速运算、多媒体运算、向量运算等都 成为可能。在运算速度、处理能力上为实现嵌入式u s b h o s t 提供了保证。随着i c 制造 技术的发展进步，嵌入式微处理器的衍生产品中纷纷加入了u s b h o s t 芯片支持功能。即 u s b h o s t 接口功能不再需要分立的接口芯片来实现。 1 2 2u s b 接口协议的完善 1 9 9 4 年，i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等七家 公司组建u s b i f ( u s b 实施者论坛) 来实现u s b 标准的制定。此后，花了近两年的时间 于1 9 9 5 年1 1 月正式制定了u s b 0 9 规范。但由于缺乏相应的软件和硬件设备的支持u s b 接口基本上未得到很好的发展和应用。到了1 9 9 7 年开始，才有真正符合u s b 技术标准的 外设出现，与此同时，微软在w i n 9 5 0 s r 2 ( w i n 9 7 ) 中开始以外挂模块的形式提供对u s b 的支持。1 9 9 8 年9 月2 3 日，c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 四公司联手发布u s b l 1 正式版的接口规范。从此时起，微软在w i n d o w s 中内置了对u s b 接口的软件支持模块， 加上u s b 设备的日渐增多，u s b 逐步趋向实用阶段。 到了1 9 9 9 年初，在i n t e l 的开发者论坛大会上，与会者介绍了u s b 2 0 规范，该规范 的支持者除了原有的c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 四个成员外，还有惠普、朗讯和菲 利浦三个新成员。2 0 0 0 年4 月2 7 日，上述七公司联手发布了u s b2 0 接口规范。 目前，普遍采用的u s b l1 ，其主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低 速1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种。低速的u s b 带宽( 1 5 m b p s ) 支持低速设备。如：调制 解调器、键盘、鼠标、磁带机、软驱等。全速的u s b 带宽( 1 2 m b p s ) 将支持大范围的多 媒体设备。u s b 2 0 也逐步在扩大应用，因为u s b 2 0 向下兼容u s b i 1 ，数据的传输率也 将达到1 2 0 m b p s - - 2 4 0 m b p s ，它还支持宽带数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储 设备等。更重要的是，各种外围设备类的协议规范逐步增多和完善。比如剐开始时只有 人机接口设备类( h i d ) 和音频设备类等。现在，出现了几乎所有外设的类规范，比如：通信 设备类，显示设备类，海量存储设各类( m a s ss t o r a g e ) ，图像设备类，物理接口设备类( p i d ) ， 电源设备类，打印机设备类等。由此可见，u s b 接口的协议是比较完善了。 第4 页共6 4 页 华东师范大学硕士毕业论文 嵌入式u s b h o s t 的研究与实现 1 2 3 u s b 接口芯片的发展 目前，u s b 接口芯片很多，但主要有2 类：一类是带有微控翎器( m c u 、的u s b 接口 芯片。这类u s b 接口i 吝片的微控制器从底层控制u s b 接口。比如：c y p r e s 5 的e z u s b f x f x 2 系列，c y p r e s s 半导体公司的c y 7 c 6 3 x x x ( 低速) 、c y 7 c 6 4 0 1 3 ( 全速) ，这类芯片的微控制器 有自己的系统结构和指令。有些u s b 接口芯片的微控制器是通用芯片f 基于8 0 5 1 内核) ， 比如i n t e l 公司的8 x 9 3 1 ，8 x 9 3 0 ，c y p r e s s 半导体公司的e z u s b 等。另外，也有很多公司 的基于a r m 核的s o c 也带有u s b 接口功能，如a t m e l 的a t 7 6 c 1 1 3 就有两种功能角色 的u s b 接口，此类芯片多数是消费类电子产品芯片。 另一类是纯粹的u s b 接口芯片，它需要一个外部微控制器控制。比如：朗讯的u s s 8 2 0 8 2 5 ，n a t i o n a l 半导体公司的u s b n 9 6 0 2 、u s b n 9 6 0 3 ，n e t c h i p 公司的n e t 2 8 8 8 ，和p h i l i p s 公司的p d i u s b d l l ( 1 2 c ) 、p d i u s b d l 2 ( 并行接口) 等。一些公司已开发出支持u s b 2 0 的产 品，其中，c y p r e s s 半导体公司是u s b 控制器的带头者。该公司已开发出了称为e z u s bf x 2 的单芯片u s b 2 0 。 总之，u s b 接口芯片种类已经很多，品种也比较齐全，能很好的满足各种应用需求。 1 3国内外当前对嵌入式u s b - h o s t 的研究现状 嵌入式u s b h o s t 作为u s b 的延伸，国内、外的研究都是处于积极研究和发展的阶 段，同时已有有为数不少的半导体公司提供接口芯片，比如p h i l i p s ，c y p r e s s ，a l i 和s c a n l o g i c 等，市场上也逐步出现具有部分功能的嵌入式u s b 主机产品。但大多数厂家和u s b 论坛 所能提供的产品或d e m o 多数是依靠嵌入式操作系统w i n c e 和l i n u x 等。在国内，也有 家北京的高科技公司提供嵌入式u s b - h o s t 解决方案，虽然也能接入“u 盘”，但还很不 完善。因此，不依托任何操作系统的u s b 主机系统的研究具有一定的领先性、前瞻性和实 用性。 1 4本论文的研究内容 本论文追述了u s b 产生的历史背景及特点，系统分析了u s b l ，1 协议接口规范；研 究和比较了基于w i n d o w s 系统的p c 平台，基于带嵌入式操作系统的嵌入式系统平台，和 无操作系统的嵌入式系统中的u s b 协议栈的实现方式、方法；建立了无操作系统的嵌入式 u s b h o s t 的实验模型，在实验模型上实现了h i d 类的u s b 鼠标的接入和m a s ss t o r a g e 类的“u 盘”读写，验证了嵌入式系统接入h i d 类和m a s ss t o r a g e 类设备的可行性；定性 分析了不同嵌入式平台实现u s b 协议栈的性能差别，展望了u s b 接口发展的问题和方向。 第5 页共6 4 页 华东师范大学硕士毕业论文 嵌入式u s b - h o s t 的研究与实现 第2 章u s b 接口协议的研究 2 1u s b 接口的历史 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用 在计算机领域的新型接口技术。由于早期的计算机系统连接外围设备的接口并无统一的标 准，( 如键盘用p s 2 接口，连接打印机要用2 5 针的并行接口，鼠标则要用串行或p s 2 接 口。) 所以，人们努力去实现了一个方便使用、有统接口标准的新型接口：u s b 。 早在1 9 9 4 年，i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt a l e c o m 等 七家世界著名的计算机和通信工业领先的公司组成联盟，并建立u s b i f ( u s b 实施者论 坛) 来推进采用u s b 标准的兼容设备的开发。它最初是为将电话接入p c 机而设计的，然 而由于这种新的连接标准性能优良，u s b i f 决定将u s b 推广为一种计算机标准。此后， 花了近两年的时间形成了统一的意见，并于1 9 9 5 年1 1 月正式制定了u s b 0 9 通用串行总 线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 规范。与此同时，就有p c 带有u s b 接口了，但由于缺乏相应的 软件和硬件设备的支持，这些p c 机的u s b 接口基本上是闲置未用的。到了1 9 9 7 年开始， 才有真正符合u s b 技术标准的外设出现。因为此时，微软在w i n 9 5 0 s r 2 ( w i n 9 7 ) 中开 始以外挂模块的形式提供对u s b 的支持。1 9 9 8 年9 月2 3 日，c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 四公司联手发布u s b i 1 正式版的接口规范。可以说，从1 9 9 8 年起，随着微软在 w i n d o w s 9 8 中内置了对u s b 接口的支持模块，加上u s b 设备的日渐增多，u s b 逐步走进 了实用阶段。当然，u s b l 1 是目前推出的在支持u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准。 其后，到了1 9 9 9 年初，在i n t e l 的开发者论坛大会上，与会者介绍了u s b 2 0 规范，该 规范的支持者除了原有的c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 四个成员外，还有惠普、朗讯 和菲利浦三个新成员。从而使联盟的核心成员数重新恢复为七个。之后，u s b 一直持续不 断地增长。今天的u s b i f 已经拥有6 0 0 多个成员公司，几乎包括所有世界上的p c 和外设 制造商。在美国，1 0 0 的p c 机与膝上型电脑配备有u s b 接口。2 0 0 0 年4 月2 7 日，在 c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 、l u c e n t 、h p 和p h i l i p s 七公司联手发布了u s b2 0 接口 规范。u s b 2 0 向下兼容u s b i 1 ，数据的传输率将达到1 2 0 m b p s 2 4 0 m b p s ，还支持宽带 数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备等。目前，普遍采用的u s b l 1 ，其主 要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种。低 速的u s b 带宽( 1 5 m b p s ) 支持低速设备，如：显示器、调制解调器、键盘、鼠标、磁带 机、软驱等。全速的u s b 带宽( 1 2 m b p s ) 将支持大范围的多媒体设备。 到目前为止，从软件的角度来看：支持u s r 的p c 及外设越来越多，在软件上u s b 也己成为w i n d o w s 9 8 的一个关键部件，并很快在w m d o w s c e 和w i n d o w s 2 0 0 0 中得到支持。 a p p l e 的操作平台也早已提供对u s b 的支持， s u n 和d i g i t a l 的平台也提供了对这一技术 的支持。 从硬件的角度来看：u s b 已经在p c 机的多种外设上得到应用，包括扫描仪、数码相 机、数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等等。扫描仪和数码相机、数码摄像机是 从u s b 中最早获益的产品。传统的扫描仪，在执行扫描操作之前，用户必须先启动图像处 理软件和扫描驱动软件，然后通过软件操作扫描仪。而u s b 扫描仪则不同，用户只需放好 要扫描的图文，按一下扫描仪的按钮，屏幕上会自动弹出扫描仪驱动软件和图像处理软件， 并实时监视扫描的过程。u s b 数码相机、摄像机更得益于u s b 的高速数据传输能力，使 大容量的图像文件传输在短时间内即可完成。u s b 在音频系统应用的代表产品是微软公司 第6 页共6 4 页 华东师范火学硕士毕业论文 嵌入式u s b - h o s t 的研究与实现 推出的m i c r o s o f td i g i t a l s o u n ds y s t e m 8 0 ( 微软数字声音系统8 0 ) 。使用这个系统，可以把数 字音频信号传送到音箱，不再需要声卡进行转换，音质也较以前有一定的提高。u s b 技术 在输入设备上的应用很成功，u s b 键盘、鼠标器以及游戏杆都表现得极为稳定，很少出现 问题。目前市场上出现的u s b 设备还有u s b m o d e m 、i o m e g a 的u s b z i p 驱动器以及r e a l t e k 的u s bp c 网卡等等。对于笔记本电脑来说，使用u s b 接口的意义更加重大，通用的u s b 接口不仅使笔记本电脑对外的连接变得方便，更可以使笔记本电脑生产厂商不再需要为不 同配件在主板上安置不同的接口，这使主板的线路、组件的数量以及复杂程度都有不同程 度的削减，从而使系统运行中的散热问题得到了改善。也将促使高频的处理器可以迅速应 用在移动计算机中，使笔记本电脑与桌面p c 的差距进一步缩小。 u s b 的应用会越来越广泛，一些业界人士甚至预测，未来的p c 将是一个密封设备， 所有外设都将通过u s b 或其他外部接口连接。 2 2i j s b 接口的特点 u s b 之所以能得到广泛支持和快速普及，是因为它具备下列的很多特点： ( 1 ) 使用方便 使用u s b 接口可以连接多个不同的设备，所有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱； 支持“热插拔”，而不必关闭主机电源。在软件方面，为u s b 设计的驱动程序和应用软件 可以自动启动，无需用户干预。u s b 设备也不涉及i r d 冲突等问题，它单独使用自己的保 留中断，不会同其它设备争用p c 机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。u s b 设 备能真正做到“即插即用”( p n p ：p l u ga n dp l a y ) ，即设备连接后由u s b 自检测，并且由软 件自动配置，完成后立刻就能使用，不需要用户进行干涉。 ( 2 ) 连接灵活 u s b 接口支持多个不同设各的串列连接，一个u s b 口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设 备。连接的方式也十分灵活，既可以借用中枢转接头( h u b ) 使用“串行连接”方式，把多个 设备连接在一起，再同p c 机的u s b 口相接；也可以采用“级联”方式，即每个u s b 设 备用一个u s b 插头连接到一个外没的u s b 插座上，而其本身又提供一个u s b 插座。通过 这种类似菊花链式的连接，一个u s b 控制器可以连接多达1 2 7 个外设，而每个外设间距离 ( 线缆长度) 可达5 米。如图2 1 所示。u s b 还能智能识别u s b 链上外围设备的接入或拆卸。 u s b h o s tl 一r 0 0 t h 、u b i 根层 ，一 “ f s b ce)i“iusbh u b 1 第一层 u s bd e v i c e 2 1 i u s b h u b 2 第二层 ，b h 、3 i ，“s b ：m 4 i 第三层 一| u s bd e v i c e 3u s bd e v i c e 4u s bd e v i c e 5第四层 图2 i ：典型的u s b 拓扑结构 第7 页共6 4 页 华东师范大学硕士毕业论文 嵌入式u s b h o s t 的研究与实现 ( 3 ) 应用范围广 因为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，u s b 设备的带宽可从几k b p s 到几m b p s ( 在u s b 2 0 版本，最高可达 4 8 0 m b p s ) ，所以，一个u s b 系统可同时支持不同速率的设各，如低速的键盘、鼠标、显 示器、调制解调器、扫描仪、打印机、磁带机、软驱、光驱等，全速的i s d n 、语音，高 速的磁盘、图像等f 仅u s b 2 0 版本支持高速设备) 。 ( 4 1 较强的纠错能力 u s b 系统可实时地管理设备插拔。在u s b 协议中包含了传输错误管理、错误恢复等 功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。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 ) ，协议中对每个包中的控制和数据 位都提供了循环冗余码校验，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。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。 ( 5 ) 速度加快 快速性能是u s b 技术的突出特点之一。u s b 接口的最高传输率目前可达1 2 m b s ， 比“串口”快了整整1 0 0 倍，比“并口”也快了十多倍。 ( 6 ) 独立供电 普通使用“串口或并口”的没各都需要单独的供电系统，而u s b 设备则不需要，因为 u s b 接口提供了内置电源。外围设备能够直接得到5 v 的电源。电流大小则取决于集线器 的端口，范围从1 0 0 m a 至5 0 0 m a ，因此新的设备就不需要专门的电源了，从而降低了这 些设备的成本，并提高了性价比。u s b 虽然可以提供高达5 0 0 m a 的电流，但对于高电耗 的设备，还是需要外部设备自身供电。 ( 7 ) 支持多媒体 u s b 提供了对电话的两路数据支持，u s b 可支持异步以及等时数据传输，使电话可与 p c 集成，共享语音邮件及其它功能等。u s b 还具有高保真音频。由于u s b 音频信息生成 于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会，从而使音频系统具有更高的保真 度。u s b 在音频系统应用的代表产品是微软公司推出的m i c r o s o f t d i g i t a l s o u n ds y s t e m 8 0 ( 微 软数字声音系统8 0 ) 。使用这个系统，可以把数字音频信号传送到音箱，不再需要声卡进 行“数模”转换，音质也较以前有定的提高。 ( 8 ) 低成本 为了把外围设各连接到p c 上去，u s b 提供了一种低成本的解决方案。所有系统的智 能机制都驻留在主机并嵌入芯片组中，方便了外设制造。u s b 接e l 电路简单，易于实现， 特别是低速设备。 第8 页共6 4 页 华东师范大学硕士毕业论文 嵌入式u s b h o s t 的研究与实现 2 3 u s b 接口协议：u s b l 1 接口规范分析 2 3 1 u s b 规范产生的背景 众所周知，p c 机的改装是极其不灵活的。虽然，现代计算机的一些软、硬件协调机制 和新一代总线结构使得计算机的冲突大量减少，且趋向于容易改装，但以终端用户的眼光 来看，p c 机的输入输出( 如串行并行端口、键盘、鼠标、操纵杆接口等) ，都还没有达 到即插即用的特性，即易用性不够。另外，当要添加外围设备时，总是被有限的端口数目 制着。缺少一种双向、价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备( 诸如电话、 电传、调制解调器、扫描仪、键盘、p d a ) 的开发。现有的连接方式只可以对极少数设备进 行优化，而对于p c 机的新的功能部件的添加需要通过定义一个新的接口来满足。即从端口 扩充的角度看也非常需要一种新的、统一标准的接口。随着科技的发展、下一代计算机基 本的应用将是用计算机来进行通信，而机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜 的连通网络。由于目前产业间的相互独立发展，尚未建立统一标准，而u s b 则可以达到广泛 的统一，u s b 正是在这种情况下应运而生。它作为一种快速、双向、同步、动态连接且价 格低廉的串行接口，可以满足计算机机发展的现在和未来的需要。 2 3 2 u s b 规范的目标和分类 设计u s b 的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛的使用。 u s b 的工业标准主要遵