基于STM32F103芯片的USB接口的研究与实现.pdf

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1、基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现指导小组成员名单陈泽文高级工程师彭澄廉教授、博导吴百锋教授、博导孙晓光副教授n目录目录川摘要要VA B S T R A C l、V I第一章引言1，1 1U S B 的发展历程11 2当今U S B 技术的研究和应用背景11 3本文的工作一21 4本文结构2第二章U S B 概述42 1U S B 总线的分类及特点一42 1 1U S B 总线的分类42 1 2U S B 总线的特点42 2U S B 体系结构概述52 2 1U S B 总线的拓扑结构一52 2 2U S B 系统的框图一62 2 3U S B 数据流模

2、型7第三章解析U S B2 0 规范协议93 1U S B 协议的U S B 字段及U S B 信息包：103 1 1U S B 字段103 1 2U S B 信息包103 2U S B 事务处理123-2 1I N 事务处理133 2 2o U T 事务处理j 133 2 3S E T U P 事务处理133 3U S B 数据传输类型143 3 1U S B 数据传输。143 3 2U S B 控制传输163 3 3U S B 块传输163 3 4U S B 中断传输173 3 5U S B 同步传输173 4U S B 系统的设备枚举183 4 1U S B 设备的状态及状态转换183

3、4 2U S B 设备的枚举过程2 13 5U S B 设备配置2 23 5 1U S B 的描述符2 23 5 2U S B 设备描述符2 23 5 3U S B 配置描述符2 33 5 4U S B 字符串描述符2 4I I!基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现3 5 5U S B 接口描述符2 43 5 6U S B 端点描述符2 53 5 7U S B 设备限定描述符2 63 6U S B 设备请求2 73 6 1U S B 设备请求概述2 73 6 2标准U S B 设备请求2 8第四章S T M 3 2 F 1 0 3U S B 固件库设计3

4、14 1S l M 3 2 F10 3U S B 固件库3 14 2S T M 3 2 F 10 3U S B 固件库的设计 2 6】3 14 2 1S T M 3 2 F 10 3U S B 固件库的层次关系一3 14 2 2S T M 3 2 F 10 3U S B 固件库文件对U S B2。0 协议的支持3 2第五章W I N D O W SX P 下U S B 主机驱动程序和应用程序的开发3 85 1在W I N D O W SX P 下U S B 主机驱动程序的开发3 85 1 1W D M 驱动程序概述3 85 1 2D r i v e r s t u d i o 驱动程序开发工具

5、3 85 1 3用D r i v e r W i z a r d 工具进行U S B 驱动程序框架的建立。3 85 1 4驱动程序的编译和安装4 05 2W I N D O W S 下的U S B 应用程序的开发4 15 2 1U S B 驱动程序和应用程序通信原理。4 15 2 2主机上应用程序的开发4 2第六章扩展S T M 3 2 F 10 3 的U S BH O S T 功能4 76 1扩展S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S T 功能的系统设计4 76 1 1设计的缘由4 76 1 2系统的设计4 76 2扩展S T M 3 2 F i0 3 的U S BH O

6、 S T 功能的硬件方案4 86 3扩展S T M 3 2 F10 3 的U S BH O S T 功能的软件配置一5 06 4扩展S T M 3 2 F10 3 的U S BH O S T 功能的系统实现。5 3第七章结论。5 5参考文献。5 6致谢5 7附录：攻读硕士期间发表的学位论文5 8I V基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现摘要U S B 是一种新型的计算机总线接口技术，其全称为U n i v e r s a lS e r i a lB u s(通用串行总线)。U S B 接口使计算机和外部设备的连接变得十分方便。到目前为止，U S B 已经在

7、P C 机的多种外设上得到了应用，同时在工业生产、科研等领域也得到了广泛的应用。U S B 成为逐渐取代其它接口标准的数据通信标准，U S B 接口也有了取代其它老式接口的趋势。现今基于U S B，尤其是U S B 2 0 的设备应用非常广泛 1】。笔者以意法半导体公司采用A R MC o r t e x M 33 2 位R I S C 内核的S T M 3 2 F 1 0 3芯片为硬件平台，结合U S B 2 0 规范协议和S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口特性，分别设计并实现了基于S T M 3 2 F 1 0 3 的U S B 设备功能和U S BH O S T

8、功能。文章首先简单介绍了U S B 总线和U S B 系统结构的概念，剖析了U S B 2 0 规范协议。然后基于S T M 3 2 F 1 0 3U S B 固件库开发了针对S T M 3 2 F 1 0 3U S B 接口的P C 机下的W i n d o w s 驱动程序和应用程序，验证了S T M 3 2 F 1 0 3U S B 作为U S B 从设备的可行性。另外针对S T M 3 2 F 1 0 3 应用范围的扩大，S T M 3 2 F 1 0 3 作为U S B主控制端的应用需求也日益增大，本文通过引入U S B 总线接口芯片C H 3 7 5 扩展了S T M 3 2 F

9、1 0 3 的U S BH O S T 功能，并通过设计一个针对S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S T 的U 盘解决方案验证了S T M 3 2 F 1 0 3 作为U S B 主控制端的可行性。全文全篇围绕S T 公司S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究和扩展作了全面地介绍，为基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片U S B 的进一步应用打下了良好的基础。关键词：U S B2 0、S T M 3 2 F 1 0 3、固件、W D M、驱动程序开发、U S BH O S T、C H 3 7 5 中图法分类号tT P 3 3 6V基于S

10、T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现A b s t r a c tU S Bi san e wi n t e r f a c et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rb u s I t Sf u l l n a m ei sU n i v e r s a lS e r i a lB u s U S Bi n t e r f a c em a k e st h ec o n n e c t i o no ft h ec o m p u t e ra n dt h ep e r i p h e r a le q u i p m e

11、n te a s y B yn o w,U S Bh a sb e e na p p l i e dt om a n yp e r i p h e r a le q u i p m e n t s A tt h es a m et i m e，i ti sa l s oa p p l i e di nt h ef i e l d so fi n d u s t r ym a n u f a c t u r ea n ds c i e n c er e s e a r c h U S Bh a sg r a d u a l l yr e p l a c e do t h e rd a t ac

12、o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s U S Bi n t e r f a c eh a st h et r e n dt h a tr e p l a c eo t h e ro l di n t e r f a c e s N o wt h ed e v i c ed e v e l o p m e n tb a s e do nU S B，e s p e c i a l l yU S B2 0b e g i n st oi n c r e a s e T h ep a p e rh a st h es t SS T M 3 2 F10 3c h

13、 i pw i t hA R MC o r t e x-M 33 2b i t sR I S Ck e r n e la st h eh a r d w a r dp l a t f o r m W i t ht h eU S B2 0s t a n d a r dp r o t o c o la n dt h eU S Bi n t e r f a c e Sc h a r a c t e r,Id e s i g na n dr e a l i z et h eS T M 3 2 F10 3U S Bd e v i c e Sf u n c t i o na n dU S BH O S T

14、 Sf u n c t i o n T h eP a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to fU S BB u sa n dU S Bs y s t e ms t r u c t u r e，a n dg i v e sar e c a p i t u l a t i v ed e s c r i p t i o no ft h eU S B2 0s t a n d a r dp r o t o c 0 1 T h e ni ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fW

15、i n d o w s d r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a mi nP Cb a s e do nt h eu s bf i r e w a r el i b r a r yo fS T M 3 2 F 1 0 3 O nt h eo t h e rh a n d，w i t ht h eS T M 3 2 F 1 0 3 Sa p p l i c a t i o ni n c r e a s e，t h ea p p l i c a t i o nn e e dt h a tt h eS T M 3 2 F10 3i sa st

16、h eU S B1 1 0 s tc o n t r o lh a si n c r e a s e d T h ep a p e rr e a l i z e st h eS T M 3 2 F10 3 SU S BH O S Tf u n c t i o nt h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no fU S Bb u si n t e r f a c ec h i pC H 3 7 5 A tl a s t，t h ep a p e re x t e n d st h eS T M 3 2 F10 3U S BH O S T Sf u n c t

17、 i o nw i t ht h eC H 3 7 5c h i pa n dp r o v e st h eS T M 3 2 F10 3U S BH O S Ts y s t e mf e a s i b l et h r o u g haUd i s ks o l u t i o np r o j e c t T h er e s e a r c hg i v e sac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o nt ot h eS T M 3 2 F10 3U S B sr e s e a r c ha n de x p a n s i

18、 o n A tt h es a m et i m ei th a sa l s ol a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt h eU S Bd e e p e ra p p l i c a t i o ni nt h eS T M 3 2 F10 3c h i p K e y W o r d：U S B2 0，S T M 3 2 F 1 0 3，F i r e w a r e，W D M，D e v i c eD r i v e rD e v e l o p m e n t，U S BH o S T、C H 3 7 5 V 1基于S T M 3 2 F

19、 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现第一章引言本章主要引出当前U S B 的发展情况，介绍了当今U S B 技术的研究和应用背景，指出U S B 新的规范协议和更高性能的微控制器是U S B 开发和应用的主要方向，并给出本论文研究的理论范畴和硬件开发平台。在本章的最后简要地介绍了本论文的主要内容及组成。1 1U S B 的发展历程U S B 是一种支持热插拔的高速串行传输总线，它使用差分信号来传输数据，最高速度可达4 8 0 m b s。由于具有其它总线难以企及的优势，近年来U S B 接口技术已经成为计算机领域发展最快的技术之一。到目前为止，U S B 已经在P C 机的多种外设

20、上得到了应用，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。同时，U S B 技术不但在P C 外设上应用得越来越广，而且在工业生产、科研等领域也得到了广泛的应用【2】。同时，为了满足更高要求的应用需求，这些年来，U S B 技术在理论上也不断推进，从U S B l 0、U S B l 1、U S B l 1、无线U S B 到现在的U S B0 T G，U S B 技术显示出越来越旺盛的生命力，U S B 已有取代其它总线接口的趋势。1 2当今U S B 技术的研究和应用背景U S B(U n i v e r s a lS e r i a lB u s，通用串行总线)最早是

21、由I n t e l、m M 等七家公司共同开发的一种新的外设连接技术。以前的外部设备是通过R S 2 3 2、并行接口、I S A 接口、P C I 接口和P S 2 接口等老式专用接口来实现与计算机的通信，但是这些接口存在着接口体积庞大、接口规范不统一、无法扩展和不支持热插拔的缺陷 3】。U S B 并不完全是一个串口，它实际上是一种串行总线，它把串口、并口等不同的接口统一起来，使用一个4 针插头作为标准插头，解决了串行设备和并行设备如何与计算机相连的难题，大大简化了计算机与外设的连接过程。U S B 规范为计算机和外部设备之间的通信提供了一套完整的解决方案。U S B 规范发展至今已有多

22、个版本协议，这些协议都具有很好的向下兼容性。早期的1 0、1 1版本协议已经逐渐淡出人们的视线，最新的U S BO T G 还没有开始大规模应用，目前大规模应用的是U S B 2 0 规范协议 1 9】。早期的U S B 设备多采用8 位或是1 6 位的单片机来构成系统的核心处理器，基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现这类单片机虽然功耗低、价格低廉，但是存在着时钟频率比较低，运行周期慢的特征，这直接导致应用增加时，整个系统效能下降，U S B 的性能往往不能得到更好的发挥 2 0 。S T M 3 2 F 1 0 33 2 位微控制器得益于C o r t

23、e x M 3 多项新型的增强架构，拥有优异的性能和超低功耗，并提供丰富的外设和U S B 接口，目前已经广泛应用在微控制的各个领域之中【4】。虽然针对S T M 3 2，S T 公司推出了完整的、经过认证的固件包，使得用户可以顺利地开发各种典型应用的U S B 固件，但是没有一整套针对S T M 3 2 的从U S B 设备固件设计、U S B 主机驱动程序和U S B 主机应用程序开发的完整系统设计实例【2 3】。另外针对S T M 3 2 F 1 0 3 应用范围的扩大，S T M 3 2 F 1 0 3作为U S B 主控制端的应用需求也日益增大，对于实现基于S T M 3 2 F 1

24、 0 3 芯片的U S BH O S T 功能，现在S T 公司也没有给出一个示例。1 3本文的工作本文试图从介绍U S B 体系结构开始，到深入剖析U S B 2 0 规范协议，最后结合S T M 3 2 芯片从U S B 设备固件设计、U S B 主机驱动程序和U S B 主机应用程序具体实现的角度完整再现当今U S B 开发这一全过程，并由此总结和提出一个设计开发U S B 的一般方法和原则。此外，针对实现S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S T功能，通过引入U S B 总线接口芯片C H 3 7 5 扩展了S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S

25、 T 功能，并设计一个针对S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S T 的U 盘解决方案验证了S T M 3 2 F 1 0 3 作为U S B 主控制端的可行性。上述工作希望能给U S B 开发爱好者提供一个参考和借鉴，也为S T M 3 2 芯片的U S B 的其它应用开发打下一个良好的基础。1 4 本文结构本文由以下六章组成：第一章引言。介绍T u s B 技术的发展历程和当今U S B 技术的研究和应用背景，指出U S B 新的规范协议和更高性能的微控制器是U S B 开发和应用的主要方向，并给出本论文研究的理论范畴和硬件开发平台。在本章的最后简要地介绍了本论文的主要

26、内容及组成。第二章U S B 概述。介绍了U S B 总线的分类及特点，然后从U S B 总线的拓扑结构、U S B 系统框图和U S B 数据流模型三个角度介绍了U S B 体系结构。第三章解析U S B 2 0 规范协议。从U S B 底层的字段、信息包、事务处理到U S B2基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现数据的传输类型都做了一一地介绍。最后还详细描述7 U S B 系统的设备枚举、设备配置和设备请求。第四章S T M 3 2 F 1 0 3U S B 的固件设计，从U S B 固件库的应用层次到对U S B 2 0协议的支持都作了介绍。第五章W

27、 i n d o w sX P 下U S B 主机驱动程序和应用程序的开发。分别开发了U S B 主机的驱动程序和应用程序，最后还进行了程序的验证。第七章扩展S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S T 功能。硬件上选用C H 3 7 5 接口芯片来扩展S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S T 功能，并通过设计一个针对S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S T的U 盘解决方案来验证S T M 3 2 F 1 0 3 的U S BH O S T 功能的可行性。第六章结论。对本课题研究的内容进行了总结与展望3基予S T M 3 2 F 1

28、 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现第二章U S B 概述U S B(U n i v e r s a lS e r i a lB u s，通用串行总线)最早是由I n t e l、I B M 等七家公司共同开发的一种新的外设连接技术。以前的外部设备是通过R S 2 3 2、并行接口、I S A 接口、P C I 接口和P S 2 接口等老式专用接口来实现与计算机的通信，但是这些接口存在着接口体积庞大、接口规范不统一、无法扩展和不支持热插拔的缺陷【5】。U S B 并不完全是一个串口，它实际上是一种串行总线，它把串口、并口等不同的接口统一起来，使用一个4 针插头作为标准插头，解决了串行设

29、备和并行设备如何与计算机相连的难题，大大简化了计算机与外设的连接过程 2 1 1。2 1U S B 总线的分类及特点2 1 1U S B 总线的分类按照数据传输率，U S B 的总线分类如图2 1 所示。目前U S B 支持3 种传输速率：低速1 5 M b i t S、全速1 2 M b i t S 和高速4 8 0 M b i t S。性能卮劈I静壁I低速键盘、鼠标、游戏棒低价格、热插拔、易川交互设备性l O-2 0 k b s中速I S B N、P B X、P O T S低价格、易用性、动态电话、音频、压缩视插拔、限定带宽和延迟频5 0 0 k b s-1O M b s高速音频、磁盘高带

30、宽、限定延迟、易音频、磁盘用性2 5-5 0 0 M b s2 1 2U S B 总线的特点图2-1U S B 总线的分类【l】U S B 规范为计算机和外部设备之间的通信提供了一套完整的解决方案，作为新一代计算机接口，与老式的计算机接口相比，U S B 总线具有以下的优点：接口小巧。顺应了计算机和外部设备小型化的发展趋势，具有很明显的体积优势。4基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现性价比高。U S B 的主控和从控芯片的价格都很低廉，U S B 电缆也很便宜，加上U S B 的高性能，使其成为性价比很高的计算机接口。支持即插即用和热插拔。当U S B 设

31、备连接到计算机的时候，系统会自动检测这个设备，并加载对应的驱动程序。这样，U S B 实现了自动配置，用户无需手动配置，也不需要重启计算机；用户也可以随时断开U S B设备与计算机的连接，而不会损坏计算机和外部设备。提供电源。计算机上得U S B 接口可以向外提供一定功率的电源，并且U S B 协议中规定了完备的电源管理方式。如果外部设备耗电不大，可以考虑直接使用U S B 接口供电。良好的兼容性。U S B 规范从U S B1 0、U S B1 1、U S B2 0 到无线U S B和U S BO T G 等多个版本协议，这些协议都具有很好的向下兼容性。节省系统资源。在计算机中，系统为U S

32、 B 主控制器分配一根取Q 线和一些I o 地址，U S B 再为外部设备分配唯一的地址。2 2U S B 体系结构概述2 2 1U S B 总线的拓扑结构复合设备图2-2：U S B 系统的星型连接【2】U S B 总线上的设备以星型的拓扑结构实现与主机的物理连接，U S B 的接入点由集线器来提供。这种由集线器提供的额外的接入点称为端口。主机中包含了一5基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现个嵌入的集线器，称为根集线器。通过根集线器，主机可以提供一个或多个接入点。为主机提供附加功能的设备称为功能模块。为了防止出现环形接入的情况，在U S B 中使用了分层

33、的拓扑结构。这种配置结果具有树形结构 2 2 。当多个功能模块和一个集线器组合在一个包装内时，我们称其为多功能(复合)设备。对主机而言，一个复合设备与一个连有多个功能设备的分离的集线器之间没有什么区别【6】。2 2 2U S B 系统的框图画!生oU S B 主机U S B 设备图2 3：U S B 系统的简单模型如图2 3 所示，一个U S B 系统主要被定义为三个部分：U S B 主机，U S B设备，U S B 互连【7】。1 U S B 主机指的是包含U S B 主控制器，并且能够控制完成主机和U S B 设备之间数据传输的设备。广义来说，U S B 主机包括计算机和具有U S B主控

34、芯片的设备。U S B 系统的数据和命令的传输都是由U S B 主机来启动的，所以U S B 主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。U S B 协议规定，在同一时刻U S B 系统中只允许存在一个U S B 主机，否则会引起控制和数据传输的混乱。2 U S B 设备按照功能可分为两类：U S B 集线器和U S B 功能设备。其中，主要用于为U S B 系统提供额外的连接点，它使得一个U S B 端口可以扩展连接多个设备：U S B 功能设备通常是一个独立的外部设备，既可以用来扩展U S B 主机的功能，如U S B 键盘，也可以用来进行数据传输，如M P 3 和U S B 数据采集系统等。

35、3 U S B 的互连是指U S B 设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：总线的拓扑结构：U S B 设备与主机之间的各种连接方式；数据流模式：描述了数据在系统中通过U S B 从产生方到使用方的流动方式。6基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现2 2 3U S B 数据流模型主机设备客户软件设备功能功能￥_1 _一二U S B 系统软U S B 逻辑设件备U S B 伞奢声ku s B 总线接I、，r口u s B 总室H实际通信漉，1卜7逻辑通信流图2 _ 4：U S B 系统的分层结构 2 9】在U S B 系统的具体实现上，不同层次

36、的实现者对U S B 有不同的要求，这使得我们必须从不同的层次观察U S B 系统。它能使不同层次的实现者只关心U S B相关层次的特性功能细节，而不必掌握从硬件结构到软件系统的所有细节【8】。U S B 总线接口协议十分完善，可以实现对各种设备类型的支持，如此强大的功能，需要系统总线结构支持。U S B 设备和主机应用程序之间通过特定U S B端点进行通信，整个U S B 系统可以分为功能层、U S B 设备层和U S B 总线接口层。1 U S B 功能层。U S B 系统的功能层主要负责数据传输操作，功能层由U S B设备的功能单元和对应的U S B 主机程序组成实现。特定的U S B

37、主机程序段用于和特定的U S B 设备功能单元进行通信。2 U S B 设备层。U S B 设备层主要用于管理U S B 设备、分配U S B 地址、读取设备描述符。在这一层中，可以使U S B 主机获得该U S B 设备的能力。这部分功能一方面需要U S B 主机来自动完成，另一方面也需要用户编写相应的固件程序进行支持。3 U S B 总线接口层。U S B 总线接口层主要用于实现U S B 主机和U S B 设备之间的数据传输。在U S B 协议中，U S B 总线使用N R Z I 编码(反向非归零编码)来传输数据，U S B 主控制器和U S B 集线器将数据接收或发7基于S T M

38、3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现送，并自动进行解码或编码，这部分一般是由U S B 系统硬件自动完成的。8基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现第三章解析U S B2 0 规范协议虽然U S B 设备的软硬件会自动处理所有传输的细节，但是如果我们要设计U S B 设备，仍然需要对U S B 接口的内部工作原理有相当程度的了解。本章主要内容为介绍U S B2 0 规范协议，为后续章节的驱动和应用程序的开发树立一个正确的概念。在U S B2 0 规范协议中，我们最终是围绕着U S B 主机和U S B 设备之间的数据传输这个目的来的，而

39、每一个数据传输包含一笔或多笔事务(T r a n s a c t i o n)，每一笔事务包含一个、两个或是三个信息包(P a c k e t)，每一个信息包又包含一个信息包标识符P I D(p a c k e ti d e n t i f i e rp i d)。C R C 校验位，以及其它的额外信息等字段。U S B 的数据传输、事务、信息包和字段之间的关系图如图3 1 所示【9】。圈U S B 的数据传输l 控制传输圈圈啪处理圉圆圆圈圈圆国u s B 的信息包l 令牌信雹舅蔷 m 令牌II数据信息包l握手信息包u s B 的信息包包为例)lI一”。ll一u s B 的字段I 同步字段l

40、包管字l 地址字段l 端点靠l 帧号字段l 数据字段lc R c 字段图3 1：U S B 的数据传输、事务、信息包和字段的关系图本章从U S B2 0 规范协议的底层开始自下而上(即字段、信息包、事务处理和数据传输)的顺序介绍U S B2 0 的规范协议。最后还介绍了U S B 系统的设备枚举、设备配置和设备请求。9基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现3 1U S B 协议的U S B 字段及U S B 信息包 2 9】3 1 1U S B 字段在U S B 协议中，U S B 数据传输由一系列的字段构成，这些不同功能的字段，按照特定的格式组合便可以构成

41、不同的信息包 6】。这些字段主要包括以下几种：同步字段(S Y N C)：用于数据通信的同步。包标识字段(P I D)：指明信息包类型，可以用于差错控制。地址字段(A D D R)：指明U S B 总线上的一个U S B 设备。端点字段(E N D P)：指明U S B 的端点。帧号字段：指明当前帧的帧号。数据字段：包含传输的数据。C R C 字段：循环冗余校验。具体的各个U S B 字段格式这里就不再一一介绍了，具体可以查询U S B 协议。3 1 2U S B 信息包3 1 2 1 令牌包在U S B 协议中，共使用七种令牌包，按照其定义的格式，分为以下几种：I N、O U T、S E T

42、 U P 和P I N G 令牌包，这些令牌包格式大致相同。S O F 令牌包S P L r r 令牌包P l 迎令牌包一般来说，这些令牌包都是由U S B 主机发送的，同样各个令牌包的格式就不再一一介绍了。3 1 2 2 数据包数据包的定义格式如图3 2 所示。图中包含8 位的包标识字段P I D、数据字段和1 6 位的循环冗余校验字段C R C。1 0基于S 1 w 1 3 2 F 1 0 3 芯片的I J S B 接口的研究与实现数据包字段位数P I D数据字段C R C8啦1 0 2 4*81 6图3 2：数据包的定义格式在数据包中，各个字段的具体含义如下：P I D 字段：用于指明不

43、同的数据包类型。支持的四种数据包类型为D A T A O、D A T A l、D A T A 2 和M D A T A。数据字段：其中包含了传输的数据。其数据的大小根据数据传输类型和用户需要而定。根据U S B 协议中的规定，低速U S B 数据传输，数据字段最大长度为8 个字节；全速U S B 数据传输，数据字段最大长度为1 0 2 3字节；高速U S B 数据传输，数据字段最大长度为1 0 2 4 字节。C R C 字段：这里使用1 6 位的循环冗余校验来对数据字段进行保护。3 1 2 3 握手包握手包的定义格式如图3 3 所示。握手包由8 位的包标识字段P I D 构成。握手包主要用于在

44、数据传输的末尾报告本次数据传输的状态。握手包之后就是整个事务处理的结束信号E O P 7 。根据事务处理的状态，要进行不同的响应，故握手包分为以下几种：A C K 握手包：当U S B 数据传输的接受方正确接收到数据包的时候，接受方将返回A C K 握手包。A C K 握手包表示了一次正确的数据传输。N A K 握手包：N A K 握手包一般由U S B 功能设备发出。对于I N 数据传输，表示U S B 设各没有计划向U S B 主机发送数据：对于O U T 数据传输，表示U S B 设备无法接收U S B 主机发送的数据。S T A L L 握手包：S T A L L 握手包一般由U S

45、B 功能设备发送，表示该U S B设备不支持这个请求，或者无法发送和接受数据，S T A L L 握手包分为两种情况：协议S T A L L 握手包(在控制传输中使用，表明该U S B 功能设备不支持这个请求协议)；功能S T A L L 握手包(表明该U S B 功能设备的相应端点已经停止，无法完成发送数据或者接受数据的操作。N Y E T 握手包：在S P L I T 令牌包事务处理中，如果U S B 集线器无法正常处理S P L I T 请求，则U S B 集线器向U S B 主机返回N Y E T 握手包。N Y E T 握手包一般只发生在高速数据传输过程中。E R R 握手包：E R

46、 R 握手包用于表示总线数据传输发生错误，其一般发l l基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现生在高速数据传输过程中。3 2U S B 事务处理在U S B 协议中，U S B 总线数据传输和通信的基础是事务处理 8】。一个完整的事务处理包括令牌阶段、数据阶段和握手阶段三部分，其中令牌阶段是必须的，典型的事务处理过程如图3-3 所示：围l 同步宁段令牌包E o PI 同步字段数据包E o P图3-3：典型的事务处理过程各个阶段的功能如下：1 令牌阶段：其中定义了本次传输的类型，用于表征事务处理的开始。令牌阶段由同步字段、令牌包和E O P 构成，这是所有的U

47、 S B 事务处理必须包含的阶段。2 数据阶段：其中包含了本次传输的数据。其数据大小取决于端点和传输类型，最大的数据量为1 0 2 4 字节。数据阶段由同步字段、数据包和E O P构成。3 握手阶段：数据的接受方向发送方报告此次数据传输是否成功，握手阶段由同步字段、握手包和E O P 构成。U S B 协议中规定了7 种令牌包。因此，可以根据令牌包的类型将U S B 事务处理分为七种：I N 事务处理o U T 事务处理S E T U P 事务处理P I N G 事务处理S O F 事务处理1 2园囤基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现S P L I T

48、事务处理P R E 事务处理3 2 1I N 事务处理一个完整的I N 事务处理流程如图3-4 所示。烈事务用于实现U S B 设备到U S B 主机方向的数据传输。U S B 主机发送N 令牌包U S B 设备发送数据包U S B 主机发送确认信息叵匝叵匝匝匝匠互翌互巫互互面互五z 互盈互盈五翌互互五互互互盈墨巫划：图3 4：完整I N 事务处理流程3 2 2O U T 事务处理一个完整的O U T 事务处理流程如图3 5 所示。O U T 事务用于实现U S B 设备到U S B 主机方向的数据传输。U S B 主机发送O U T 令牌包U S B 主机发送数据包U S B 设备发送确认信

49、息叵匝叵旺叵匝八图3 5：完整O U T 事务处理流程3 2 3S E T U P 事务处理S E T U P 事务处理是一种特殊的U S B 事务处理，其只在U S B 控制传输阶段使用。S E n J P 事务的数据传输方向为：U S B 主机到U S B 设备。在U S B 协议中，使用S E T U P 的控制事务传输对U S B 设备进行配置。这个S E T U P 事务处理常称为建立阶段。经过配置后，U S B 主机便可以向U S B 设备发送命令或者请求状态，也可以由U S B 设备向U S B 主机发送命令或者请求状态。一个完整的S E T U P 事务处理流程如图3-6 所示

50、。S E T U P 事务用于实现U S B主机到U S B 设备方向的数据传输。基于S T M 3 2 F 1 0 3 芯片的U S B 接口的研究与实现U S B 主机发送S E T U P 令牌包U S B 主机发送D A T A O 数据包U S B 设备发送确认信息叵正叵匝巨匝匠互二互互互互互=互z 二互二=二互2 二五互二=图3-6：完整的S E T U P 事务处理流程3 3U S B 数据传输类型3 3 1U S B 数据传输当U S B 设备连接到U S B 总线之后，U S B 设备便可以和U S B 主机进行通信。在通信的过程中，自上而下要涉及4 个部分，分别为：主机软件