（测试计量技术及仪器专业论文）基于usb20规范的嵌入式usb主机系统研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 既是一种通用外部总线结构，又是一种通信协议。 由于u s b 具有传输速度高、安装简便、连接容易、支持热插拔等传统串行总线所 无法实现的突出特征和优点，从而得到了从普通用户到计算机设备制造厂商的广 泛认可和接受。通常u s b 系统包括“u s b 主机”与“u s b 设备”两个部分，目前 基于p c 机的u s b 主机与u s b 设备开发技术已经成熟，但随着u s b 应用领域的日趋 扩大，人们对于u s b 的期望也越来越高，尤其希望u s b 能应用在不依赖于p c 环境 的技术领域，因此嵌入式系统的u s b 主机开发与应用技术日显重要。目前基于嵌 入式系统的u s b 主机在消费类电子领域已有所发展，但在工业控制领域仍未得到 充分研发与应用。 本文基于上海市科委科研项目“基于混合传输方式的测控系统研究”的实 际开发课题为研究背景，针对u s b 在嵌入式系统中应用的现状，结合工业控制 中测控系统的特点，提出了构建嵌入式u s b 主机的硬件和精简的u s b 主机处 理系统软件平台，最终要在该测控系统中实现u s b 主机的功能，并能与多种 u s b 设备进行通讯互联与数据交换，如实现键盘、鼠标及实时数据采集设备的 数据传输与交互。 主要研究内容，是基于l p c 2 2 9 2 ( a r m 7 ) 为c p u 、n u c l e u sp l u s 为实时 操作系统的测控系统平台，利用u s b 主机控制芯片构建u s b 主机模块，建立 一个精简的嵌入式u s b 主机处理系统平台，实现在工业控制领域中的嵌入式 u s b 主机功能。全文的主要工作，首先通过深入研究和分析了u s b 2 0 协议规 范，并结合u s b 技术在工业控制领域应用的特点，给出了嵌入式u s b 主机处 理系统平台的方案；其次在关键技术研究与系统方案分析的基础上，着重进行 系统平台的开发与实现工作，具体涉及核心单元和模块的硬，软件开发和设计。 硬件方面以p h i l i p s 公司i s p l l 6 1 a iu s b 主机控制芯片为核心进行了主机端口、 过流检测和抗干扰设计等一系列外围电路设计，实现平台的硬件模块构建与开 发功能，这是本文的主要工作之一；软件方面着重对u s b 主机驱动程序( u s b d ) 和u s b 主机控制器驱动程序( h c d ) 两层进行设计，其中基于u s b 2 0 协议深 v 上海大学硕士学位论文 入分析并进行了u s b 主机驱动程序( u s b d ) 的设计和开发，实现了适合嵌入 式测控系统特点的u s b 主机上层u s b 通信的数据管理，并且为u s b 设备驱动 程序提供了通用接口：u s b 主机控制器驱动程序( h c d ) 设计与开发，是基于 i s p l l 6 1 a 1 芯片的功能特点，结合o h c i 规范( o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，开 放主机控制器控制接口1 来实现u s b 2 0 通信的下层数据管理。通过上述两层核 心协议系统程序的设计与开发，成功实现了u s b 主机处理系统平台的u s b 2 0 协议主机栈和主机控制器驱动的功能。对u s b 主机处理系统的软件设计也是本 文工作的突出贡献之一 本课题以拓展嵌入式u s b 主机技术在工业控制领域中的应用为目的，通过 对嵌入式u s b 主机技术在工业控制领域应用的深入研究和积极探索，在嵌入式 u s b 主机处理系统平台的构建方法和开发技术上，获得了良好的研究结果和关 键技术方法的掌握，实现了系统模块的软硬件完整开发与具体设计功能，并为 u s b 通信技术在嵌入式工业控制系统的积极应用提供了关键技术储备。 关键词：嵌入式u s b 主机，u s b 主机控制器，u s b d ，h c d ，o h c i v i 上海大学硕士学位论文 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i sas c r i mb u sa n dac o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 u s b h a sg o tc o n f i r m i n go f t h ec u s t o m e ra n dm a n u f a c t u r e rw i t hi t sc h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha s h i g hs p e e d ，e a s yt oi n s t a l la n dc o n n e c t ，h o t - p l u g ，w i c ht h et r a d i t i o n a ls e r i a lb u sc a n n o to w n u s bs y s t e m si n c l u d eu s bh o s ta n du s bd e v i c e n o w , t h et e c h n o l o g y d e v e l o p i n go f u s b h o s tb a s e do np ca n du s bd e v i c eh a sa l r e a d yb e e np e r f e c t b u t w i t ht h ef i e l do fu s b 印p l i c a t i o ne x t e n d i n g ，p e o p l ew a n tt ou s eu s bw i t h o u tp c a l lt h e s em a k et h ed e v e l o p i n go fe m b e d d e du s bh o s tt e c h n o l o g ym o r ei m p o r t a n t i nc u s t o m e re l e c t r i cf i e l d ，t h i st e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n g ，b u ti ni n d u s t r yc o n t r o l f i e l di sn o te n o u g h 1 1 l i s p a p e ri s b a s e do nt h ep r o j e c to ft e s ta n dc o n t r o ls y s t e mw i t h m u l t i c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi sf r o ms h a n g h a is c i e n c ec o m m i t t e e w i t ht h es t a t u s o f u s bu s e di ne m b e d d e ds y s t e ma n dt h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e mi ni n d u s t r yc o n t r o l f i e l d ，t h i sp a p e rb u i l tah a r d w a r eo fe m b e d d e du s bh o s ta n das o f t w a r eo fs i m p l i f y u s bh o s tp l a t f o r m ，i no r d e rt or e a l i z et h eu s bh o s tf i m c t i o ni nt h i st e s ta n dc o n t r o l s y s t e mp l a t f o r m , s ot h a tt h i st e s ta n dc o n t r o ls y s t e mc a nc o m m u n i c a t ew i t hs o m e s p e c i a lu s bd e v i c es u c ha sk e y - b o a r d , m o u s ea n dr e a lt i m ed a t ac o l l e c t i n gd e v i c e t h i sr e s e a r c hc o n t e n ti sb u i l d i n ga l lu s bm o d u l ea n da ns i m p l i 母e m b e d d e d u s bh o s ts y s t e mp l a t f o r mw i t ha nu s bh o s tc o n t r o lc h i po nt h et e s ta n dc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hc p ui sl p c 2 2 9 2a n dr t o si sn u c l e u sp l u s ，t or e a l i z ee m b e d d e d u s bh o s tf u n c t i o ni ni n d u s t r yc o n t r o l l i n gf i l e d t h em a j o rt a s ko ft h i sp a p e ri sa s f o l l o w i n g ：t h ef i r s ti sd e e p l yr e s e a r c h i n gu s b 2 0p r o t o c o l ，a n dg i v et h eb u i l d i n g s c h e m ef o re m b e d d e du s bh o s ts y s t e mp l a t f o r m n e x tj o bi s d e v e l o p i n ga n d r e a l i z i n gt h es y s t e mp l a t f o r m ，b a s e do na n a l y z i n gt h ek e yt e c h n o l o g ya n dt h es o l v i n g s c h e m e t h i sj o br e l a t et ot h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r ed e s i g ni s i n c l u d eh o s tp o r td e s i g n ，o v e rc u r r e n tt e s ta n da n t i - i n t e r f e r i n gd e s i g n ，b a s e do nt h e i s p l l 6 1 a 1w h i c hi su s bh o s tc o n t r o l l e rc h i p t h i sd e s i g nf i n i s h i n gr e a l i z e dt h e v i i 上海大学硕士学位论文 h a r d w a r eb u i l d i n ga n dd e v e l o p i n gf u n c t i o n , w h i c hi so n eo f m a j o rt a s ko f t h i sp a p e r t h es o f t w a r ed e s i g ni sd i v i d e di n t ot h eu s bh o s td r i v e r ( u s b d ) a n dh o s tc o n t r o l l e r d r i v e r ( h c d ) n eu s b dd e s i g nr e a l i z e dt h ea d m i n i s t e r i n gd a t ao fs u p e r - s t r a t u m a n do f f e r e da l li n t e r f a c ef o ru s bd e v i c ed i v e r , w h i c hi ss u i tt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f e m b e d d e dt e s ta n dc o n t r o l l i n gs y s t e m h c dd e s i g na n dd e v e l o p i n gr e a l i z o dt h e a d m i n i s t e r i n gd a t ao fu n d e r - l a y e r , b a s eo nt h ef u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i co fi s p l1 6 1 a 1 a n do h c i ( o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) t h e s el a y e r sd e s i g nf i n i s h i n gr e a l i z e d u s bh o s tp r o t o c o ls t a c ka n dh o s tc o n t r o l l i n gd r i v e r s o f t w a r ed e s i g ni so n eo f a c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e r 1 1 l ea i mo ft h i sp a p e ri st oe x t e n dt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e du s bh o s t t e c h n i q u ei ni n d u s t r yc o n 们l l i n gf i e l d t h r o u g hd e e p l yr e s e a r c h i n ga n de x p l o r et h e a p p l i c a t i o no fe m b e d d e du s bh o s tt e c h n o l o g yi ni m u s t r yc o n t r o l l i n gf i e l d ，t h i s p a p e rg o tt h ef a v o r a b l er e s u l ta n dk e yt e c h n i q u eo ft h ed e v e l o p i n ga n db u i l d i n g e m b e d d e du s bh o s ts y s t e mp l a t f o r m ，a n dr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e f u r t h e rm o r e ，t h i sr e s e a r c hr e s u l to f f e rt e c h n i q u es u p p o r tf o rt h e a p p l i c a t i o no f u s bc o m m u n i c a t i o ni ne m b e d d e di n d u s t r yc o n t r o l l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e du s b h o s ts y s t e m ，u s bh o s tc o n t r o l l e r , u s b d ，h c d ，o h c i v i l l 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：盘蛰! 丝e t 期：坐堡塑塑 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期：州。j 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 通用串行总线( u n i v , m s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 是一种新兴的计算机外围串行 通信接口技术，与传统常用的计算机接口相比，通用串行总线具有热插拔、即 插即用、数据传输可靠、扩展方便、低成本等优点。u s b 接口除了在适用性上 具有突出的优势外，在数据传输速率上的优势也非常明显：在u s b 体系中，总 共有三种数据传输速率：低速( l o ws p e e d ) 1 5 m b i t s 、全速( f u l ls p e e d ) 1 2 m b i f f s ， 和高速( m g hs p e e a ) 4 8 0 m b i t s 。u s b 的通信结构分为u s b 主机结构和u s b 设备结构两个部分，有关u s b 的开发也就是对u s b 设备结构或u s b 主机结构 进行通信功能的开发。 在本章中针对u s b 通信技术的发展和特点、嵌入式u s b 主机的发展概况 进行了概要分析。在充分调研的基础上，提出了本论文的主要研究目的、研究 内容和预期效果，并给予了最终预期效果的图示说明。最后总结了本文的主要 工作以及章节的安排。 1 2u s b 技术的发展及现状 1 2 1u s b 的发展史 u s b 规范的前身是a c c e s s b u s 规范，由p h i l i p s 与数字设备公司( d i g i t a l e q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ) 所制定而成公开的标准。a c c e s s b u s 则是由1 2 c s y n e h r o n i c ss e r i a lb u s 发展而来。a c c e s s b u s 的设计是让键盘、指示设备以及 其他设备在每秒1 0 0 千位( 1 i l o b i 忸) 的速度下工作。a c c e s s b u s 可以支持1 2 5 个 设备，以及1 0 米长的电缆。这些设备是插入式的，电缆则包括+ 5 v 电源线与接 地线。a c c e s s b u s 定义键盘、指示设备、监视器、显示控制以及文字设备的 类别。与u s b 不同的是，a c c e s s b u s 使用开放收集器( o p e n - c o l l e c t o r ) 的驱 动程序，包含一条数据线与一条脉冲线。a c c e s s b u s 从未在p c 上使用，不过 上海大学硕士学位论文 仍然使用在智能式电池控制上【”。 之所以说a c c e s s b u s 是u s b 的基础，是因为与主机的连接只通过4 条线缆， 即电源线、地线、一条数据线( d a t a w i r e ) 、一条脉冲线( c l o c k w i r e ) 。同时， 它使用了开放收集器( o p e n c e l l c c t o r ) 驱动，这就形成了u s b 的发展雏形【“。 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 n t e l e c o m 等七家世界著名的计算机和通讯公司成立了u s b 论坛，花了近两年的时间形成 了统一的意见，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 l s e r i a lb u s ) 规范，1 9 9 7 年开始有真正符合u s b 技术标准的外设出现。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 飞利浦三个新成员。u s b 2 0 是目前推出的在支持u s b 的计算机与外设上普遍 r 、 采用的标准。u s b 2 0 向下兼容u s b l 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1 】【2 。 在p c 上最早提供u s b 支持的是w i n 9 5 的o e ms e r v i c er e l e a s e2 ，之后还 有两个修订版：o s r2 1 与2 5 。从1 9 9 8 年7 月的w i n 9 8 开始，u s b 外围设备 开始陆续出现，同时u s b 也成为最受欢迎的接口【1 t 。 经过了很多年的完善，u s b 规范的版本变动也作了很多变动，如表1 i t l 】 所示。 版本发表日期说明 o 7 1 9 9 4 年1 1 月1 1 日覆盖0 6 e 0 81 9 9 4 年1 2 月3 0 日修改第3 弼，1 0 ，1 1 章，新增附录 0 9 1 9 9 5 年4 月1 3 日修改所有章节 o 9 9 1 9 9 5 年8 月2 5 日 修改所有章节 1 o f d r 1 9 9 5 年1 1 月1 3 日修改第1 ，2 ，5 - 1 1 章 1 01 9 9 6 年1 月1 5 日修改扣1 l 章 1 1 1 9 9 8 年9 1 月2 3 日修改所有章节 2 0 ( d r a i t0 7 9 )1 9 9 9 年l o 月5 日 修改5 。7 ，8 ，9 。1 1 章来增加高速 2 0 ( d r a i 10 9 )1 9 9 9 年1 2 月2 1 日修改所有章节来增加高速 2 o 2 0 0 0 年4 月2 7 日高速模式的版本 o t g2 0 0 1 年1 2 月1 8 日u s bo n - t h e - g o 协议版本 表1 - 1 2 上海大学硕士学位论文 1 2 2 u s b 技术的特点 一个u s b 系统一般由一个u s b 主机( 以下有时简称h o s t ) 、一个或多个 u s b 集线器和一个或多个u s b 设备节点组成。如图1 - 1 所示的u s b 的拓扑结 构，u s b 的物理连接是是有层次的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心， 每条线段都是点对点的连结。在系统中，有且仅有一个h o s t ，而与h o s t 直接相 连的h u b 一般称为根集线器( 即r o o th u b ) 。所有u s b 设备都连接在u s bh u b 的接口上，同时h u b 有责任为其每个连接在其接口上的u s b 设备提供 + 5 w 5 0 0 m a 的电源。在u s b 系统中，u s b 集线器实际上就是一个具有特殊功 能的u s b 设备【3 】。 图1 - 1 u s b 系统结构图 在u s b 总线上，u s b 主机会为每个连接在总线上的u s b 设备( 包含u s b 集线器及根集线器) 分配一个地址，u s b 主机也就是通过设备地址访问相关的 设备。而对于复合设备( c o m p o u n dd e v i c e ) ，u s b 主机会为其分配多个地址以 适应其逻辑结构的需要。 u s b 主机根据各个设备的属性，周期性访问各个设备。u s b 设备是被动地 响应u s b 主机的访问请求，这样就避免了u s b 设备主动发送数据时可能导致 的总线冲突。但这种总线结构也存在很大问题，比如，如果没有u s b 主机， u s b 设备间就无法进行数据通信。而对于两个u s b 主机，也无法直接相连进 行数据传输。u s b 技术具有以下优点【3 】： 上海大学硕士学位论文 在u s b 系统中，不同种类的u s b 设备使用相同的接口，因而，用户 在设备连接时，不需考虑连接接口的类型，以及接口的硬件电气特性。 在系统接口的设计过程中，u s b 系统的设计者也只需考虑统一的u s b 接口，而不必设计另外的连接类型； u s b 设备具有热插拔、即插即用的特点； 系统总线供电。u s b 总线带有+ 5 v 的电源线和地线，u s b 设备可以从 系统总线上获得+ 5 v 、小于等于5 0 0 m a 总线供电，因而，在u s b 设备 设计时可选择采用总线供电或外接电源。 传输带宽：为了适应不同的应用需要，u s b 总线提供了3 种不同的数 据传输速率：1 5 m b s 的低速数据传输、1 2 m b s 的全速数据传输、 4 8 0 m b s 的高速数据传输，仅u s b 2 0 支持高速数据传输。 为了适应不同的需要，u s b 总线上支持4 种不同传输方式：控制传输、 中断传输、批量传输和实时传输。 正是由于u s b 总线具有以上特点，消费类电子产品、信息家电、工业控制 等嵌入式系统应用广泛的领域都期待着将u s b 总线技术得到更加充分地应用。 1 2 3 嵌入式u s b 主机在国内外的研究概况 u s b 的应用范围也越来越广，在和计算机通信相关的领域中都可以看到 u s b 的存在，其中自然要包括嵌入式系统这一重要领域。嵌入式系统中，传统 意义的u s b 开发都是对u s b 设备的开发，如具有u s b 接口的数码相机、m p 3 、 优盘等。这些u s b 设备必须依靠p c 上的u s b 主机接口才能运行。只能通过 p c 来进行相互的文件和数据交换。没有了p c ，这些设备就“失灵”了。这正 是u s b 一个致命的弱点。u s b 的拓扑结构中居于核心地位的是h o s t ，任何一 次u s b 的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的u s b 外设都只能和主 机建立连接，任何两个外设之间或是两个主机之间无法直接通信。而目前，大 量的扮演主机角色的是个人电脑p c 。而现在很多情况，需要u s b 设备能抛掉 对p c 的依赖，能和其他的u s b 设备进行点对点的通信，即起到u s b 主机的作 用。正是在这种新的需求之下，u s b 主机的嵌入式应用成了u s b 领域新的兴 4 上海大学硕士学位论文 奋点。 嵌入式u s b 主机系统作为u s b 总线的推广，在国内外均处于积极研究和 发展阶段。现今已很多的半导体公司推出了u s b 主机接口芯片，如p h i l i p s ， c y p r e s s 、a t m e l 掣”。市场上也逐步出现了具有部分功能的嵌入式u s b 主机产 品。通常半导体公司提供u s b 主机接口芯片的同时也往往提供相应的程序开发 包和程序例程，供用户开发参考和使用，如a t m e l 公司的a t 4 3 u s b 3 7 0 芯片就 带有免费的程序u s b 函数库【4 】o 在消费类电子产品领域的嵌入式u s b 系统应用已经较为广泛，如数码相机 直接连接打印机，国外已有所发展，并且已经推出的相关的产品，如c a n o n 公 司推出的z r6 0 数码摄相机就具有这项功能，但仅能支持某些特定型号的打印 机。另外某些p d a 所用的嵌入式实时操作系统如w i n c e 、l i n u x 等也实现了嵌 入式u s b 主机的部分功能。 在国内嵌入式u s b 主机的研究仍处于起步阶段，仅有很少量的嵌入式u s b 主机产品问世，如南京沁恒电子公司出的c h 3 7 5 u 盘读写模块，作者曾使用过 该模块实现了自动售报机的移动数据采集功能。另外清华大学在嵌入式u s b 主 机系统系统的研究起步较早，有不少的关于这方面的论文发表，并给出了部分 u s b 类如h i d 、m s c 的固件实现方案。 这些已经实现的嵌入式u s b 主机系统都存在了某些缺陷。如某些产品功能 单一，仅能面对一种u s b 设备 4 】。另外目前嵌入式u s b 主机的应用也主要是 在消费类电子，在工业控制领域的应用未得到充分的发展。其中一个原因就是， 工业控制领域的嵌入式系统所面对的设备种类很广泛，而目前的嵌入式u s b 主 机系统仅能应用于单一的u s b 设备类型。 1 3 课题的主要研究主要内容及预期效果 根据上述对嵌入式u s b 主机发展现状的分析，本课题的主要研究目的就是 要在已有的测控系统平台上，实现适合工业控制领域使用的嵌入式u s b 主机系 统，将嵌入式u s b 主机的应用拓展到工业控制领域中。 要开发出成功的嵌入式u s b 主机系统，对u s b 2 0 协议特点的掌握是必不 上海大学顶士学位论文 可少的。所以对u s b 2 0 协议的深入分析和研究，掌握u s b 2 0 协议的通信特点 是本课题研究内容中重要的一个方面。在具体的设计开发方面包括硬件和软件 两大部分。在硬件设计方面，首先要做的就是选择u s b 主机控制芯片。现在比 较成熟的有c y p r e s s 公司的s l 8 1 1 h s 和p l l i l i p s 公司的i s p l l 6 1 a i ，本课题所选 择的是i s p l l 6 1 a 1 。在硬件方面除了要选用一款成熟和功能强大的u s b 主机控 制芯片外，还要在对芯片功能和结构分析的基础上，对芯片外围电路进行深入 细致的分析与设计。因为u s b 通信较高的传输速度对物理连接层的稳定性要求 很高，这就需要对过流检测和抗干扰等方面可能出现的问题进行细致的分析和 解决。在软件件方面，就是要实现u s b 主机协议栈和主机控制器驱动，建立一 个连接u s b 设备客户端驱动程序与u s b 设备的通信软件平台，而且这个主机 驱动程序一定要十分精简，目的是能适合嵌入式系统中资源有限的特点。另外 还要能提供通用的u s b 设备驱动程序接口，目的是解决工业控制领域中所面对 u s b 设各种类繁多的特点。u s b 主机系统软件平台包括u s b 主机驱动程序 ( u s b d ) 和主机控制器驱动( h c d ) 。主机驱动程序的设计包括主机控制器管 理、u s b 设备的配置和管理、协议控制命令集和数据传输的管理。主机控制器 驱动设计主要包括对主机控制的工作状态的管理、四种u s b 传输类型数据的有 效管理和传输带宽的分配。 本文的主要工作包括在以下几个方面： 1 通过深入分析u s b2 0 协议的通信规范，并结合工业控制领域的具体特 点，给出实现嵌入式u s b 主机模块的方案。 2 根据测控系统平台的硬件和软件环境，分析了a r m 7 的特点，和 l p c 2 2 9 2 的芯片结构及应用。并分析测控系统平台所采用的嵌入式实时操作系 统n u c l e u sp l u s 系统结构和内核移植的相关开发技术。 3 在充分了解i s p l l 6 1 a 1 芯片结构和引脚特征的基础上进行主机控制芯 片的主机端口、过流检测等外围电路设计，从硬件上实现了以i s p l l 6 1 a 1 为主 机控制芯片的u s b 主机模块，建立u s b 通信的信号层，为u s b 通信提供稳定 的通信硬件接口。 4 根据所提出的方案开发u s b 主机系统软件平台。通过对u s b 主机驱动 6 上海大学硕士学位论文 程序( u s b d ) 和u s b 主机控制器驱动程序( h c d ) 两层软件进行设计与调试， 实现u s b 主机处理系统平台的u s b 主机栈和主机控制器驱动的功能。u s b 主 机驱动程序是在u s b 2 0 协议深入分析的基础上，实现嵌入式u s b 主机的上层 u s b 通信的数据管理，并提供通用的u s b 设备驱动程序接口和主机控制器驱 动程序接口。u s b 主机控制器驱动程序是在i s p l l 6 1 a 1 芯片的特点上结合o h c i 规范，来实现u s b 2 0 通信的下层数据管理和对主机芯片运行状态的管理。 本课题最终要实现的结果是在混合传输模式的测控系统平台上，通过嵌入 式u s b 主机模块的构建，实现u s b 的传输方式，能够满足u s b 技术在工业控 图1 - 2 预期效果图 制领域应用的要求。预期效果图1 - 2 显示了课题要实现的具体功能。该图中下 面的方框表示硬件层。硬件层是在嵌入式测控系统平台上实现u s b 主机( u s b h o s t ) 模块，为u s b 设备提供主机端口，实现稳定u s b 硬件接口。图中上面 的方框表示软件层，在软件层要实现u s b 主机栈( h o s ts t a c k ) 和h c d ( h o s t c o n t r o l l e rd r i v e ) ，并能为设备类驱动程序( c l a s sd r i v e ) 、设备驱动程序( d v i c e d r i v e r ) 和应用程序( a p p l i c a t i o n ) 提供通用的接口。这些接口的提供使u s b 主机系统平台可以调用多种u s b 设备驱动程序。最终要在测控系统平台上实现 u s b 通信功能，能和多种u s b 设备，如键盘、打印机进行稳定的通信。 1 4 文章的编排 本文共分六章。第一章为绪论部分，首先介绍了u s b 技术的功能特点、应 上海大学硕士学位论文 用现状及其发展方向，然后针对嵌入式u s b 主机在工业控制领域应用的现状， 提出了本文研究的目的、意义、主要工作及文章的编排。第二章，u s b 2 0 协议 分析。深入分析u s b 2 0 协议是本课题研究的基础，因为u s b 通信协议十分复 杂，只有对其协议十分了解的情况下才能在嵌入式系统中实现u s b 主机协议 栈。在本章中从u s b 2 0 协议的结构、电气特性、通信原理和事务处理这几个 方面进行了细致的分析。第三章，系统平台体系结构分析和研究。介绍测控系 统的硬件平台和平台上的实时操作系统。鉴于本文所开发和实现的u s b 模块是 在该测控平台上建立的，因此硬件软件的开发和调试均以该测控系统平台的硬 件和软件环境为基础。第四章，阐述了嵌入式u s b 主机模块硬件设计的思路和 解决方法，其中涉及到芯片的选择、过流检测、抗干扰设计和最终硬件电路p c b 板设计，这也是本文的重点内容之一。第五章是本文的重点与核心内容，着重 嵌入式u s b 主机处理系统软件平台的分析与设计。在对u s b 2 0 协议充分领悟 的基础上，结合嵌入式系统和工业测控系统的特点，详细阐述了对u s b 驱动程 序( u s b d ) 、主机控制驱动程序( h c d ) 的设计思路与实现方法。第六章为全 文的总结和展望。概括性地对本文进行了总结，并简要介绍了u s bo t g 技术， 在此基础上对这一技术在本测控系统平台的应用进行了展望。 1 5 本章小结 随着u s b 技术的不断发展与完善，u s b 主机在嵌入式系统的应用也得到 了发展，但目前嵌入式u s b 主机的主要应用还仅限于消费类电子，在工业控制 领域并未得到充分的研究和应用。其中一个重要原因是工业控制领域所面对的 u s b 设备种类繁多，另外嵌入式系统的资源有限和u s b 协议软件的复杂性， 均制约了嵌入式u s b 主机在工业控制领域的广泛应用。因此，本文的研究对于 拓展u s b 技术在工业控制领域的应用具有实际的意义。 本章是提纲挈领的一章，从引言出发，首先阐述并分析了u s b 技术的特点、 发展及其应用现状。接着，就嵌入式u s b 主机发展的现状，对本课题研究的目 的及意义进行了概述，分析了在本课题研究与设计中的难点，并在最后总结本 文的主要工作以及章节的编排。 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章u s b 2 0 协议分析 u s b 2 0 协议规范是一个非常全面而又十分复杂的协议，从u s b 插座的机 械属性、连接线的电气属性到u s b 通信编码、数据流的定义都有十分详尽的定 义。u s b 的开发者必须掌握其中的通信原理、事务处理和数据传输等关键技术。 本课题研究的嵌入式u s b 主机是u s b 通信的主动方，所以要对u s b 2 0 协议进 行深入的分析。 本章根据u s b 主机嵌入式系统应用的特殊情况，从u s b 的结构和属性着 手分析，对u s b 通信的信号层实现方法进行积极探索；然后对u s b 2 0 协议层 中所定义的通信原理、传输的基本单元、事务处理和数据传输等几个关键环节 进行了深入地研究。并且在分析过程中，还将u s b 2 0 协议与以往的u s b l 1 协 议相比较，更深入地掌握了u s b 2 0 协议的功能和特点。 2 2u s b 结构和属性1 u s b 的物理拓扑为分层的星型结 构，由三部分组成：u s b 主机( h o s t ) 、 u s b 集线器( h u b ) 、u s b 设备( d e v i c e ) 如图2 1 所示。u s b 主机是星型结构的 中心，它通过u s b 集线器级联更多的 u s b 设备组成u s b 系统，u s b 系统允 许同时连接1 2 7 台外设。由于总线电气 性能的原因，物理上u s b 设备最多可 图2 - 1 u s b 结构拓扑图 以通过u s b 集线器扩展6 层。u s b 采用物理分层的星型结构的目的之一是防 止闭环，u s b 电缆的两端接口的形状不同也有此作用3 1 。 u s b 规范有向下兼容性，与u s b l x 规范相比，特别是物理结构上，u s b 2 0 规范具有与u s b i x 相同的结构特征【5 】o 9 上海大学硕士学位论文 一个u s b 2 0 系统由u s b 2 0 主机、u s b 集线器和u s b 设备组成。u s b 2 0 系统可同时支持u s b 2 0 集线器、u s b l x 集线器、u s b 2 0 设备和u s b l x 设备。 同u s b i x 规范相同，u s b 2 0 系统最多支持1 2 7 个设备( 包含所有的u s b 集线器、根集线器) 。根集线器指与主机相连的u s b 集线器。系统中的u s b 高 速设备必须通过u s b 2 0 集线器的下游端口连接在u s b 2 0 总线上。u s b 2 0 集 线器所有的下游端口都可支持高速设备、全速设备和低速设备。 在连接上，u s b 2 0 系统可使用u s b i 1 系统己有的设备连线，信号线长度 一般不能超过5 m 。在接口上，u s b 2 0 系统使用以u s b l 1 已经定义好的a 型 和b 型接口。在扩充u s b 设备连接时，用户可采用级联u s b 集线器的方式。 在整个系统中，同u s b l 1 一样，u s b 2 0 最多可以级联五级u s b 集线器( 不含 根集线器) 。 作为u s b 系统的主控组件，u s b 主机控制总线上所有u s b 设备和所有集 线器的数据通信过程。整个u s b 系统中只允许有一个主机端。所有数据传输都 是由u s b 主机端发起的，而且如果u s b 主机嵌在一个计算机系统中，在数据 的传输过程中也不需要计算机的c p u 参与传输工作。硬件方面，u s b 主机和 u s b 根集线器被设计到一起，称为u s b 主机控制器。根集线器提供了u s b 的 下游端口，用于连接u s b 设备或u s b 集线器。 通过总线与u s b 主机相连的称为u s b 设备，它们根据属性不同完成不同 的功能，如键盘、显示器、扬声器等。根据数据传输的速度不同，u s b 设备被 分为高速设备( 4 8 0 m b s ) 、全速设备( 1 2 m s s ) 和低速设备( 1 5 m b s ) 。 u s b 主机提供的协议软件通过和u s b 设备通信获得设备信息，并给设备提 供驱动。在总线的数据传输过程中，相比起u s b 主机而言，u s b 设备一直扮 演着受控的角色，按照u s b 主机的要求接收或发送数据。 u s b 集线器是u s b 即插即用的体系结构中的关键设备，它提供了用与连接 u s b 设备与u s b 主机的端口，也使系统的分层级联成为可能，通过u s b 集线 器，使得总线一次级联1 2 7 台设备在理论上成为可能。作为u s b 体系结构中的 专用设备，集线器的突出特点是支持热插拔、区分设备速度、为设备供电和检 测设备的各种状态并通知u s b 主机。u s b l x 的集线器支持低速和全速，u s b 2 0 1 0 上海大学硕士学位论文 的集线器必须支持低速、全速和高速设备。u s b i x 的集线器不会转换速度，它 只是将接受的传输传过去，所改变的只是信号的边缘速率，以符合目的端的速 度。u s b 2 0 的集线器会转换传输速度，它的作用就像是一个远程的处理器，让 总线有效地利用。 u s b 电缆内部由四根线组成，如图2 2 所示它包括两根数据线，采用n r z i ( 反向不归零) 编码方式传输数据。另外两根电源一根有电，另一根地线，它 们共同为接入总线的u s b 设备供电。由于电气特性原因，每根线长度一般不超 5 趋l e 协f l 越x 惦 d + d g n d v b u s d _ + d g n d 图2 2u s b 电缆结构图 过5 米。 u s b 有一项非常方便的特性，就是外围设备可以从总线上取得电源，而不 必自带电源。u s b 2 0