（电路与系统专业论文）基于dsp和usb技术的微机图像处理系统设计.pdf

摘要 捅要 本文论述的是基于d s p 和u s b 总线的微机图像处理系统设计方法。在系统设计 中采用u s b 总线是考虑到其高速和支持热插拔特性。 整个系统分为图像采集、图像处理、图像传输和图像显示四个部分。本系统中利 用一片c p l d 来控制图像采集，d s p 负责对图像数据进行小波变换，e z u s b 将处理 过的数据通过u s b 总线上传到计算机中，做进一步的处理和显示。在本系统中图像 处理和传输是通过d s p 和m c u 构成的主从式双机系统来完成的。文中详细论述了 该系统的设计原理和方法。 系统工作需要的软件分为固件和计算机软件。固件分为d s p 程序和e z u s b 单 片机程序。文中针对这两类器件的特点和在系统中承担的任务，论述了它们的软件开 发方法和注意事项。计算机软件包括应用程序和驱动程序。对u s b 设备开发过程中 的难点驱动程序，文中详细分析了其工作机理和编程方法并给出了主要的设训。思 想、所依据的理论和程序流程图。对主机程序设计也作了简明介绍。 论文最后给出了在以后的开发中有待继续解决的问题。 关键词：d s pu s bc p l d 驱动程序固件 2 基于d s p 和u s b 技术的微机图象处理系统设计 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e t h o do ft h ee x p l o i t a t i o no fi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do i lu s ba n dd s p w i t ht h ep e r f o r m a n c eo f h i 醢s p e e da n dp n p , u s bi sa d o p t e d i nt h i ss y s t e m i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mc a r lb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g e p r o c e s s i n g ，i m a g et r a n s f e r sa n di m a g ed i s p l a y i nt h i ss y s t e m ，c p l di su s e dt oc o n t r o l i m a g ea c q u i s i t i o n ，d s pt op r o c e s si m a g ei nt e r mo f w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，e z - u s bt o t r a n s f e ri m a g et oc o m p u t e ro v e ru s b i m a g ep r o c e s s i n ga n dt r a n s f e ri sr e a l i z e di n m a s t e r s l a v es y s t e mc o m p o s e do fd s p & m c u t h a ti sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ri n d e t a i l s o f t w a r ei nt h i ss y s t e mc a nb ed i v i d e di n t of n r n w a r ea n dc o m p u t e rs o f t w a r e 、 f i r m w a r ei n c l u d ed s ps o f t w a r ea n de z u s bs o f t w a r e i nt e r m so fc h a r a c t e r i s t i ca n d f u n c t i o no ft h e s et w ok i n d so fd e v i c e ，t h i sp a p e rd i s c u s sh o wt od e v e l o pa n dr e s e a r c h s o f t w a r ef o rt h e m c o m p u t e rs o f t w a r ec o n s i s t so ft w op a r t s ：a p p l i c a t i o np r o g r a ma n d d r i v e rp r o g r a m f o rd r i v e , t h ed i f f i c u l t yi nt h ed e v e l o p m e n to fu s b d e v i c e ，t h i sp a p e r p r e s e n t si t sf u n c t i o na n dm e t h o d so fd e v e l o p m e n t ，a n dg i v em a i nd e s i g ni d e a ，t h e o r y a n df l o wc h a r t so f t h ep r o g r a m s a p p l i c a t i o np r o g r a mi si n t r o d u c e db r i e f l yi nt h ee n d f i n a l l yt h i sp a p e rp r e s e n t ss o m ei i b r o b l e m st h a tr e q u i r e dt ob e s o l v e da n d r e s e a r c h e di nf u t u r e k e y w o r d s ：d s pu s bc p l dd r i v e rf i r m w a r e 创新性声明 、, 5 8 3 7 6 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另t l ；b n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其它人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：量量墨 日期： 地生垡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：送墨 导师签名： 扣f 艺t - j 弓一 司” 口。 日期：墨趟壁、 日期2 鸣咖粥 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目的背景及意义 随着社会现代化程度的不断提高，文字和语音己不能满足人们对信息的需求。 据统计，人类从外界获取的信息中约有7 0 是通过视觉系统，由此可见图像信息的 重要性。伴随着计算机技术和微电子技术迅猛发展出现的高速总线技术及大规模 集成电路技术，使得人们对图像进行高质量的获取、传输、处理成为可能。 在早期，图像处理系统采用机箱式结构所以系统的体积比较大，功能也比较 强，当然系统的造价也很贵。到了2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初期，随着大规 模集成电路的实用化，图像处理系统外型不再是机箱式而是采用插卡方式。人们 把这种插卡式的图象板级产品称为图象卡。自2 0 世纪9 0 年代初期开始，以微机 p c i 总线( p e r i p h e i a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e ) 为图象压缩传输为特点的图象通信方式丌 始成为主流。尽管，这些系统仍是以图象卡的形式出现，但是融进了许多新的东 西。图象处理硬件系统和微机之间的数据传输不再是通过i s a 总线来进行，而是 通过高性能的p c i 总线来进行。 目前，u s b 总线作为一种新型的串行总线，其速度最高可达4 8 0 mb p s ，解 决了以往串行通信速度低的弊端，同时其在软件方面得到了w i n 9 8 、w i n 2 0 0 0 等 主流操作系统的支持，硬件上得到了主板厂商的支持，是当前计算机的标配接口， 有着很好的普及性。由此，基于u s b 总线的外设不会对计算机有过高的要求。同 时，其即插即用的特性克服了i s a 、p c i 等卡式设备占用资源、使用不变的缺点。 1 2 微机总线介绍 1 2 1 微机总线划分 计算机总线分系统总线、外部总线、内部总线三部分，外部总线也称i o 总线。 为了和系统总线加以区分，也把内部总线和外部总线叫做局部总线。 ( 1 ) 系统总线：也称微型机总线或板卡总线，用来和机系统、插槽上各种扩 充板相连，是微型机系统最重要的一种总线，系统总线有多种标准，如i s a 、e i s a 和目前流行的p c i 等。 ( 2 ) 外部总线：用于系统之间的互连，如微型机之间、微型机与仪器或其它 设备之问，常用的外部总线有r s 2 3 2 c 、i e e e 4 8 8 、v x i 等，u s b 总线也属于这 一总线类型。 ( 3 ) 内部总线：用于芯片一级的连接，将接口芯片与c p u 相接时就用到这 2 基于d s p 和u s b 技术的微机图象处理系统设计 种总线。它一般是c p u 引脚的延伸，与c p u 关系密切，负责与c p u 之间的通信。 比如1 2 c 总线。 不同的总线技术是为了解决某一方面问题而产生的，侧重于某一种问题的处 理，因而它对用户所呈现的物理接口就不同，用户实现的难易程度亦不同。 1 2 2 两种高速串行总线的比较 u s b 发展到今天，总共有三种标准：1 9 9 6 年发布的u s b i 0 ，1 9 9 8 年发布的 u s b ll 以及刚刚发布的最新标准u s b 2 0 ，此三种标准最大的差别就在于数据传输 率方面，当然在其它方面也有不同程度的改进。总体来说，就目前的u s b 2 0 而言， 已经十分完善了，速度也上了一个新台阶。 i e e e l 3 9 4 接口又称火线( f i r ew i r e ) 接口，火线就是f i r ew i r e 、i e e e l 3 9 4 接口 的中译名，这种i e e e l 3 9 4 接口最早是a p p l e 公司开发的一个名为f i r e w i r e 的高 速、实时串行标准。数据传输速率高，典型的数据传输速率为1 0 0 m b p s ，还有 2 0 0 m b p s 、4 0 0 m b p s 等多种更快的传输格式。连接方式灵活并且在计算机运行期 间可自由拔插。即将推出的p 1 3 9 4 b 标准，更将速度提升到8 0 0 m b p s 甚至1 6 g b p s 以 上。将来i e e e l 3 9 4 的传输距离也将达到u s b 的2 0 倍，即1 0 0 米：并且仍然可级连。 表1 1两种总线参数比较 u s b l 1u s b 2 0i e e e l3 9 4 传输速度1 5 m b p s 4 8 0 m b p s4 0 0 m b p s 支持长度 5 米 5 米( h u b 3 0 米) 4 5 米 支持系统 w i n 9 8 以上 w i n 9 8 以上w i n 9 8 以上 支持特性p n p 、热拔插 p n p 、热拔插p n p 、热拔插 支持设各 1 2 7 个 1 2 7 个6 3 个 从表中可以看出，i e e e l 3 9 4 相比于u s b 有很大优势，但目前它没有u s b 普 圾而且技术上还不够成熟。 。 1 3u s b 设计方案讨论及可行性分析 1 3 概述 通用串行总线u s b 0 d n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是由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 n 、t e l e c o m 等7 家世界著名的计算机和通信公司共同推 出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现了对外设的简单快速连接， 达到了方便用户、降低成本、扩展p c 连接外设范围的目的。它可以为外设提供电 源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是u s b 技术的突出特点之一，u s b 的全速传输速率可达1 2 m b p s 、最大传输速率可达4 8 0 第一章绪论 3 m b p s 而且u s b 还能支持多媒体。 u s b 总线由于其极高的速度和即插即用的特点而越来越多的应用于系统设计 中，但由于u s b 总线本身的复杂性，真正实现u s b 接口是有一定的难度的。这主 要体现在： l 、u s b 总线接口设计要严格遵守u s b 总线规范、电器技术规范和机械技术规 范。 2 、u s b 总线接口的实现即包含微控制器程序设计还包含驱动程序设计。要求 设计人员对操作系统有一定了解，知识面要广。 3 、进行软硬件产品的制作调试阶段还需要很多开发工具，比如基于软件调试 的s o f t i c e 、基于硬件的u s b 协议分析仪。有了这些开发工具进行u s b 总线接 口开发、定位故障就会方便的多。 1 3 2u s b 设备开发方法 目前，开发u s b 总线接口一般有两种方式：采用专用u s b 通信芯片设计和采 用具备u s b 通信功能的单片机设计。这两种开发方法各有长处，下面就对这两种 方法做一个简单的说明和比较。 1 ) 采用专用u s b 通信芯片设计 现在的专用芯片中较流行的有n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的u s b n 9 6 0 2 、 s c a n l o g i c 公司的s l l l 等。这类器件只完成接口工作，比如将串行数据变为并行 数据，采用这类器件构成的u s b 设备还需要一个微控制器来完成输入输出等控制 功能。 2 ) 采用具备u s b 通信功能的单片机设计 这类器件将微控制器和u s b 接口集成在一起，因而由其构成系统的电路简单， 调试方便，电磁兼容性好，如c y p r e s s 的e z u s b 系列、t i 的t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 等。 本设计采用的a n 2 1 3 1 q 就属于这类器件。它基于增强8 0 5 1 核、支持自动指针、 1 2 c 总线等。传输速率可达1 2 m b p s 。 、 1 3 3 结论 比较上面两种u s b 接口设计方案可知： 采用e z - - u s b 等专用芯片，可以比较容易的实现u s b 接口，可以让开发者 避开复杂的u s b 总线协议，减少工作量，降低设计难度，缩短开发周期。但是， 使用u s b 专用接口芯片也存在2 些问题：它价格太高、功能过全，开发者一般只 用了其中一部分功能，既造成了资源浪费又不经济：并且它接口固定，使用起来 不太灵活。 基于d s p 和u s b 技术的微机图象处理系统设计 i 4 本论文主要工作 在本论文中，我主要做了以下工作： l 、研究有关的基本知识和相关理论 基于d s p 和u s b 的数据采集卡的设计应用到许多方面的知识，其中包括图像 处理、小波变换、u s b 协议、d s p 系统设计原理、v h d l 硬件描述语言、c c + + 程序编写、w d m 格式驱动程序开发等。本论文的初期工作主要是阅读大量的相关 书籍，对项目的整体方案进行论证。找出并解决系统软硬件设计中的关键技术。 2 、硬件设计 硬件设计主要包括采集电路设计、可编程器件接口电路设计、d s p 系统设计、 u s b 接口电路设计、用v h d l 语言在可编程器件内部对控制模块的设讨等。在硬 件电路设计中，使用先进的e d a 开发工具、可编程技术等，大大提高了设计效率。 3 、软件设计 软件设计主要包括在d r i v e r w o r k s 中开发w d m 格式的驱动程序以及用v c + + 设计主机应用程序界面。其中，w d m 即w i n3 2 驱动程序模型，是m i c r o s o f t 力推 的全新驱动程序模型，它旨在简化驱动程序的开发。在用v c + + 编程时，采用了面 向对象的编程技术。 4 、系统调试 系统调试分为固件程序和驱动程序的编译调试。驱动程序编译采用 d r i v e r s t u d i o 集成开发环境。由于驱动程序在整个设计中起着连接器的作用，并且 驱动程序又是操作系统信任的部分，它的错误很容易破坏操作系统，使得整个u s b 设备无法工作，所以必须进行详细调试。另外，要对可编程器件中的控制模块进 行时序及功能仿真，验证逻辑设计的正确性。最后，还要将软件和硬件结合起来 进行调试，验证是否可以实现设计的要求。 第二章u s b 总线协议介绍 第二章u s b 总线协议介绍 2 1u s b 的由来 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”。它不 是一种新的总线标准，而是应用在p c 领域的新型接口技术。在1 9 9 4 年，由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 等世界上著名的七家 计算机公司和通讯公司成立了u s b 论坛，大概花了近两年的时间才形成统一的意 见，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 lb u s ) 规 范，而把u s b 接口真正设计在主板上用了一年的时间。1 9 9 7 年开始有真正符合 u s b 技术标准的外设出现。u s b l 1 是目前推出的支持u s b 的计算机与外设上普 遍采用的标准。新推出的u s b 2 0 规范向下兼容u s b l 1 ，数据的传输率最高将达 到4 8 0 m b p s ，预备支持宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。 在软件方面：1 9 9 7 年，微软在w i n 9 5 0 s r 2 ( w i n 9 7 ) 中开始用外挂模块提供对 u s b 的支持，1 9 9 8 年后随着微软在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。 2 2u s b 系统描述 开发基于计算机总线的设备，往往离不开计算机软件开发。开发基于u s b 总 线的设备，对计算机软件就更为依赖。一个u s b 系统可以从三个方面加以描 述：u s b 互联、u s b 主机和u s b 设备。 u s b 互联是指一个u s b 设备与u s b 主机相连并与其通信的方式 u s b 主机是整个u s b 系统的指挥官。一个系统只允许有一个主机。主计算机 系统的u s b 接口称之为u s b 主控制器。主机负责发现总线上新插入的u s b 设备， 并在拨下某一u s b 设备后释放先前为它分配的系统资源等操作。 u s b 设备是u s b 协议的具体实现。比如集线器、功能部件鼠标等。 2 3u s b 拓扑结构 总线拓扑结构是指u s b 主机和u s b 设备的连接模型。总线拓朴结构包括四个 重要的组成部分： 主机和设备：u s b 系统的基础组成部分。 物理拓朴结构：描述u s b 系统中的各组成部分是如何连接起来的。 6基于d s p 和u s b 技术的微机图象处理系统设计 逻辑拓朴结构：描述u s b 系统各种组成部分的地位和作用，以及描述从主 机和设备的角度观察到的u s b 系统。 客户软件层与应用层的关系：描述从客户软件层看到的应用层的情况，以 及从应用层看到的客户软件层的情况。u s b 系统物理拓扑结构描述如下： u s b 设备和u s b 主机通过u s b 总线相连。u s b 的物理连接是一个星型结构， 集线器( h u b ) 位于每个星形结构的中心，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 块之问的点到点的连接。 图2 1u s b 物理拓扑结构 在这种结构中所有的通信都是在u s b 主机和其它u s b 设备之间进行的，这时 就要明确u s b 协议中两个基本概念端点和管道。从而理解主机与设备之间通信在 u s b 协议中是如何实现的。 “端点( e n d p o i n t ) ”是主机和设备之间一个逻辑的通道。每一个u s b 设备 都支持几个确定的端点。而每个端点仅与一个方面的数据传输相对应，所以在u s b 主机和其它u s b 设备之间的双向传输就要有两个“端点e n d p o i n t ”相对应。总之， “端点”是所有u s b 设备中唯一可以视为其相同的部分。它与主机和设备之间某 一方向的数据传输相对应。 “管道( p i p e ) ”是u s b 主机上的一个功能软件和一个u s b 设备之间建立的一 个虚连接。在u s b 技术中有两种类型的管道流管道和消息管道。“流管道” 是指没有确定的总线帧结构而以数据流的方式进行数据传畅的“管道”。“消息管 道”中的数据具有一定的帧结构。因而其数据传输就可以与所需的带宽、传送类 型和端点特征( 传送方向和缓冲区大小) 相适应。管道是在一个设备插入系统后，由 位于u s b 主机上的软件建立的。所有的u s b 设备都必须支撑“管道0 ”从而使 u s b 主机可以利用该管道对u s b 设备进行配置。 第二章u s b 总线协议介绍 7 接口是端点的集合，端点用来接受和发送数据，也就是说，接口就是u s b 设 备发送或者接收数据集合，对于一个给定的u s b 设备，可能有一个或几个接口， 接口如果包含相同的端点则不能同时配置。 2 3u s b 传输方式 2 3 1 控制传送( c o n t r o lt r a n s f e r ) 控制传送允许访问一个设备的不同部分。控制传送用于支持在客户软件和它 的应用之间的关于设置信息、命令信息、状态信息的传送。控制传送由以下几个 事务组成：( 1 ) 建立联系，把请求信息从主机传到它的应用设备；( 2 ) 零个或多个 数据传送事务，按照( 1 ) 事务中指明的方向传送数据；( 3 ) 状态信息回传。将状态 信息从应用设备传到主机。当端点成功地完成了被要求的操作时，回传的状态信 息为“s u c c e s s ”。u s b 设备必须实现缺省控制通道，并将它实现成一个消息通道。 这个通道由u s b 系统软件使用。u s b 设备的确认信息、状念信息以及控制信息山 该通道传送。在( 1 ) 阶段规定主机所要求的操作。在u s b 协议中规定了许多标准 s e t u p 包，用户也可定义自己的包，但前提是必须在驱动程序和固件程序中实现。 在阶段( 2 ) 数据传输事务中传输方向和传输内容必须按照( 1 ) 中规定。控制传 送使用的是消息通道上的双向信息流。控制传送的端点决定了它所能接收或发送 的最大数据净负荷区长度。u s b 为高速设备定义的最大数据净负荷区长度为8 、 1 6 、3 2 或6 4 字节，低速设备的数据净负荷区的长度只能是8 字节。s e t u p 后的所 有数据包都要遵守这个规定，这个规定是针对这些数据包中的数据净负荷区的， 不包括包中的协议要求的额外信息。主机控制器对高速设备的控制通道端点支持 8 、1 6 、3 2 、6 4 字节的最大长度，对低速设备支持8 字节的长度。它不能支持更大 的或更小的其它长度。u s b 权衡所有控制通道的总线访问频率和正等待的i r p ， 从全局优化，提供一个“最佳”传送方案。u s b 要求数据帧中的一部分被留给控 制传送使用。 2 3 2 批传送( b u l kt r a n s f e r ) 为了支持在某些在不确定的时间进行的相当大量的数据通信，于是设计了批传 送类型。它可以利用任何可获得的带宽。批传送有以下几点特性： 以可获得带宽访问总线。 如果总线出现错误，传送失败，可进行重发。 可以保证数据必被传送，但不保证传送的带宽和延迟。 只当有可获得的带宽时，批传送才会发生。如果u s b 有较多的空闲带宽，则 批传送发生地相对频繁，如果空闲带宽较少，可能有很长时间没有批传送发生。 8基于d s p 和u s b 技术的微机图象处理系统设计 批通道是一种流通道，所以总是单方向的。如果要进行双向传送，必须用两个通 道。只有高速设备可以使用批传送。对于控制传送，有可保证的传送时间，而对 批传送，没有。只有当有可用的总线带宽时，批传送才发生。 2 3 3 中断传送( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 中断传送是为只传或收少量数据，而且并不经常进行传送，但它们有一个确 定的服务周期，这样的设各设计的。对中断传送有以下要求： 通道的最大服务期得到保证。 由于错误而引起的重发在下一服务期进行。 中断通道是一种流通道，所以是单向的。端点描述信息指明了通道的数据流 方向。高速设备和低速设备均可使用中断传送。u s b 要求不能有多于9 0 的顺时 间用于阶段传送( 同步传送或中断传送) 。 中断通道的端点可以指明它要求的总线访问周期。高速设备要求的时间周期 可以l m s 到2 5 5 m s ，而低速设备从l o m s 到2 5 5 m s 。要在u s b 上进行中断传送，必 须在每个周期对端口进行访问。中断通道的端点决定自己能接收和发送的最大数 据区长度，高速设备允许最大不超过6 4 字节( 或更少) 的数据区，而低速设备只允 许不超过8 个( 或更少) 字的数据区。 2 3 4 同步传送( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) u s b 环境下，要求同步传送能提供以下几点： 固定的延迟下，确保对u s b 带宽的访问。 只要数据能提供得上，就能保证通道上的恒定数据传送速度。 如果由于错误面造成传送失败，并不重传数据。同步通道是一种流通道，所 以是单方向的。在对端点的描述中指明了与它相连的通道的数据流方向。如果设 备要同步的双向流的话，只好用两个同步通道，一个流进，一个流出。u s b 限制 了同步通道的最大数据区长度为1 0 2 3 字节只有高速设备可以使用同步方式。同步 通道的端点描述自己的总线访问频率。所有的同步通道一般在一帧内传一个包( 也 就是说，l m s 一个包) 。但总线上的错误或者操作系统对客户软件调度上的延迟会 造成一个帧内一个包也没有的情况。此时，设备将一个错误指示信息作为状态信 息返回给客户软件。设备可以通过跟踪s o f ( 帧开始) 信号来测到此类错误。如 果两个s o f 信号间无数据包，则出错。 2 4u s b 电器特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 2 中的两根线是用于发送 第二章u s b 总线协议介绍 信号。 v b u s d + d g n d v b u s d + d g n d 图2 2u s b 电缆 存在两种数据传输率： u s b 的高速信号的比特率定为1 2 m b p s ； 低速信号传送的模式定为1 5 m b p s ； 低速模式需要更少的e m i 保护。两种模式可在用同一u s b 总线传输盼隋况下 自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式 只支持有限个低带宽的设备( 如鼠标) 。时钟被调制后与差分数据一同被传送出去， 时钟信号被转换成n r z i 码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一数据包中附 有同步信号以使得收方可还原出原时钟信号。 电缆中包括v b u s 、g n d 二条线，向设备提供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源。 u s b 对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。通过选择合适的导线长度以匹配指 定的i r d r o p 和其它一些特性，如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输 入电压和终端阻抗。重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终 端是否连接或分离，并区分出高速，或低速设备。与r s 2 3 2 不同的是r s 2 3 2 用 t x 发送数据用r x 接收数据。而u s b 接口的这一对数据电缆时同时传送数据的。 不同方向的数据在不同的时间传送。这是因为u s b 数据线利用两数据线上的电压 差值来传递数据，而不是象r s 2 3 2 利用绝对电压，这样u s b 总线的抗噪声性明显 提高了。 2 5u s b 设备结构 一个u s b 设备的逻辑结构可被划分三层： 底层是u s b 总线接口用来传送和接收数据包的总线接口 中间层处理总线接口与不同端点之间的数据路由端端点是数据的终结提供 处或使用处，它可被看作数据源或数据接收端( s i n k ) - 最上层的功能由串行总线设备提供即实现设备的特定功能。 基于d s p 和u s b 技术的微机图象处理系统设计 2 6 设备请求 所有的u s b 设备在设备的缺省控制通道( d e f a u l tc o n t r o lp i p e ) 处对主机的 请求发出响应。这些请求是通过使用控制传输来达到的，请求及请求的参数通过 s e t u p 包发向设备，由主机负责设置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。 表2 1s e t u p 数据包的格式 偏移量域大小值描述 b m r e q u e s t t y p e 1 位图请求特征： d 7 ：传输方向 0 2 主机至设备 l = 设备至主机 1 3 6 5 ：种类 0 0 = 标准 l = 类 2 2 厂商 3 2 保留 d 日0 ：接受者 0 t 设备 l = 接口 2 = 端点 3 = 其它 4 3 1 一保留 b r e q u e s t 1 具体请求( 参见文 1值 献) 2w v a | u e2 字长域，根据不同 值的请求含义改变 4w l n d e x2 字长域，根据不同 的请求含义改变 索引或偏移典型用于传送索 引或偏移 6 w l e n g t h 2 如有数据传送阶 段，此为数据字节 数 第二章u s b 总线协议介绍 一个设备类可定义更多的请求。设备厂商也可定义设备支持的请求。 2 7 描述符 u s b 设备通过描述符来反映它们的属性。描述符是有定义好的格式的数据结 构，每一个描述表以一个字节打头表明本描述表的长度，紧跟其后是一个字节的 描述表类信息。如果描述表值中的长度域值少于本说明的定义，此描述表非法， 不能被主机接受。如果返回的描述表中的长度值大于本说明定义，则过长部分当 被忽略，但下一个描述表的位置由返回长度而不是实际长度来决定。 2 7 1 设备描述符 标准设备描述符包括设备描述符、配置描述符、端点描述符、接i z l 描述符和 字符串描述符。其中字符串描述符不是必须有的。描述符向用户提供一些可以阅 读的信息。如果设备不支持字符串描述符则相应域应置零。 设备描述表给出了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 设备只能有一个设备描述表。所有的u s b 设备都有缺省 控制通道。缺省控制通道的最大包长在设备描述表中得到了说明。一个配置的端 端点与接口定义在配置描述表中，一个配置和它的接口不包括端点描述表。除最 大包长外，缺少通道的特性由本说明定义，并且对所有的u s b 设备都一样。 b n u m b e r c o n f i g u r a t i o n 域表明此设备支持的配置数。表2 2 为标准设备描述 表。 表2 2 标准设备描述表 偏移量域大值 描述、 小 o b l e n g t h 1 数字此描述表的字节数 l b d e c r i p t o r t y p e 1常量描述表种类为设备 2 b c d u s b 2b c d 码此设备与描述表兼容的u s b 设备说明版本号( b c d 码) 4b d e v i c e c l a s s1类设备类码 如果此域的值为0 则一个设置下每个接口指f j j 它自己的类，并个接口备自独立工作 ， 如果此域的值处于1 - f e h 之问，则设备杠不同 2基于d s p 和u s b 技术的微机图象处理系统设计 的接口上支持不同的类。著这些接口可能1 ；能独口 工作此值指出了，这些接口窦伴的类定义。 如果此域设为f f h 则此设备的类由j1 商定义。 5b d e v i c e s u b c l a s sl ，孑类 予类码 ； j 这些码值的具体含义根据b d e v i c e c a s s 域来看。 如b d e v i e e c l a s s 域为零，此域也须为零 如b d c v i c e c i a s s 域为f f h ，此域的所有值保留。 6b d e v i c e p o n o c 0 1 1 协议讲议码 这些码的值视b d e v i c c c l a s s 和 b d e v i c c s u b c i a s s 的值而定。 如果设备支持设备基础上的娄相关的协议，此 码标志了设各类说明上的值。 如果此域的值为零，则此设备不在设薪基础卜 支持设备类相关的协议。然而，它可能在接口基础 上支持设各类相关的协议。 如果此域的值为f f h 此设备使用厂商定义的 协议。 7 b m a x p a c k e t s i z c 0 l 数字端点0 的最大包大小( 仅8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 为合法值) 8i d v e n d o r2i d厂商标志( 由u s b 标准付值) 1 0i d p r o d u c t2i d产品标志( 由厂商付值) t 2b c d d e v l c e b c d 设备发行号( b c d 码) 2码 1 4i m a n u f a c t u r e r索引描述厂商信息的字串的索引。 l 1 5i p r o d u c t索引描述产品信息的字串的索引。 1 1 6j s e r i a l n u m b e r索引描述设备序列号信息的字串的索b i 。 1 1 7 b n u m c o n f i g u r a t i o n s 数字可能的设置数 1 2 7 2 配置描述符 第二章u s b 总线协议介绍 3 配置描述表给出了一设备配置的信息，描述表包括一个b c o n f i g u r a t i o nv a l u e 域，在s e t c o n f i g u r a t i o n ( ) 请时被用作参数来设置所需配置。 此描述表给出了此配置下的接口数，每个接口可以独立操作。比如，一个i s d n 设备可能配置有两个接口，每个都提供6 4 k b s 的有独立数据源与数据接收者的双 向通道在另一个配置下i s d n 可能表现为单个接口，将两个通道合成一个1 2 8 k b s 的双向通道。 当主机发出请求要得配置描述表时，所有相关接口与端端点的描述表都被返 回。 一个u s b 设备有一个或多个配置。每个配置只有一个或多个接口。而每个接 口又有o 个或多个端点。在一个配置下，一个端不会在接口之问共享，除非端点 被同一个接口的不同设置使用。在不同配置中端点可无此限制。 一个配置好后，设备可支持对配置的有限调整，如果一个接口有备选设置， 在配置好后可选择不同设置。表2 3 是标准配置描述表。 表2 3标准配置描述表 偏移量 域大小值描述 0 b i e r l g t h 1数字此描述表的字节数。 1 b d e s c r i p t o r t y p e 1 常量配置描述表类型 2w t o t a l l e n g t h 2 数字此配置信息的总k ( 包括配置。接u 端 点和设备类及厂商定义的描述表) 4b n u m i n t e r i t a c e s1 数字此配置所支持的接口个数 5 b c o n g f i g u r a t i o n v a l u e 1数字 在s e t c o n f i g u r a t i o n ( ) 请求中用作参数来 选定此配置。 6 i c o n f i g u r a t i o n 1 索引描述此配置的字串描述表索引 7b m a t t r i b u t e s1位图 配置特性： d 7 ：保留( 设为一) d 6 ：自给电源 d 5 ：远程唤醒 1 ) 4 0 ：保留( 设为一) 一个既用总线电源又有自给电源的世祷 会在m a x p o w e r 域指出需要从总线取的电 量。并设置d 6 为一。运行时期的实瞄：电 基于d s p 和u s b 技术的微机图象处理系统设计 源模式可由g e t s t a t u s ( d e v i c e ) 请求得 到。 8m a x p o w e r 1m a 在此配置下的总线电源耗费量。以2 m a 为一个单位。 2 7 3 接口描述符 此描述表在一个配置内给出一个接口的信息。如果一个配置支持不止一个接 口，端端点的描述表会跟在接口描述表后被返回，接口描述表总是作为配置描述 表的一部分被返回。接口描述不可直接用s e t d e s c r i p t i o n 0 乘lg e t d e s c r i p t o r ( ) 存耿。 一个接口可能包含备选设置，以使得端点或它们的特性在设备配置好以后能 改变。一个接口的缺省设置总是可选设置。s e t i n t e r f a c e ( ) 与g e t i n t e r f a c e ( ) 用来选择 与返回选择了的接口设置。 可选的接口设置使得部分的设备配置能在其它接口进行操作的情况下改变。 如果一个配置对于它的一个或多个接口有备选设置，每一设置包括一个独立接口 描述表和相关结点。 如果一个设备配置支持单个接口，并且此接口有两个可选设置，配置描述表 返回以后会紧跟着返回b i n t e r f a e e n u m b e r 与b a l t e r n a t e s e t t i n g 域皆为0 的第一个设 置的接口描述表及相关的结点描述表，而随之后是另一个设置接口描述表与结点 描述表。第二个接口描述表的b i n t e r f a c e n u m b e r 域也应为0 ，但b a l t e r n a t es e t t i n g 域应为l 。 一h。 如果一个接口仅使用端点0 ，则接口描述表以后就不再返回端点描述表，并且 此接口表示的是一个请求接口它使用连在端点0 上的缺省通道。在这种情况下 b n u m b e r e n d p o i n t s 域应被设置成o 。 一个接口描述表的端点个数不把结点0 计在内。表2 4 是标准接口描述表。 表2 4标准接口描述表 偏移量域大小值 说明 o b l 吼g i h 1数字此表的字节数 1 b d e s c r i p t o r t y p e l常量接| ：= f 描述表类 2b i n t e r f a c e n u m b e r1数字接口号，当前配置支 持的接口数组索引 ( 从零开始) 第二章u s b 总线协议介绍s 3 b a i t e m a t e s e t t i n g l数字可选垃置的索引值。 4 b n u m e n d p o i n t s l 数字此接口用的端点数 量如果是零则说叫 此接【_ _ 1 只用缺省摔 制管道。 5b i n t e r f a c e c l a s s类类值 1零值为将来的标 准保留。 如果此域的值垃 为f f h 则此接u 类由厂商说l 。 所有 它的位由 u s b 说明保帮。 6 b i n t e r f a c e s u b c l a s s了类了类码 1这譬值的定义税 b i n t e r f a c e c l a s s 域l 山 定。 如果b i n t e r f a c e c l a s s 域的值为零则此域 的值必须为零。 b i n t e r f a c e c l a s s 域小 为f f h 则所有值由 u s b 所保留。 7b i n t e r f a e e p r o t o c o l协议 协议码： 1m n t e r f a c e c l a s s 和 b i n t e r f a c e s u b c l a s s 域的值而定如果 一个接口支持设备 类相关的请求此域 的值指出了设备类 说明中所定义的协 议 8i i n t e r f a c a 索引 描述此接d 的宁串 基予d s p 帮u s b 教零瓣擞规嬲象处理系统设计 2 。7 。4 端点描述符 每个接墨健髑戆结点都有囊己鞠描述表，忿蕹述袭谈主飘瀚来竣定每个端点 的带宽需求。每个结点的描述黉总是作为配置描述的部分返网的，结点0 无描 述表。袭2 4 为标准端点摇述液。 裘2 。4嬷准端点撼述表 偏移量域大小值 说鞲 e b l c n g ! h 王 数字此描述袭的? 节数 l b d e s c r i p t o r t y p e 1常量 端点描述表类 2 b e n o i m a d d r e s s l披接述衰艇接述豹端点的地址。此地址粒燎 端点码如下； b i t3 一o ：端点号 b i t 在4 ：保留，为攀 b i t 7