广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（说明书）
第一章 引言
1.1 USB的应用背景和意义
RS-232 是由美国电子工业联合会(EIA)与BELL等公司以其开发的并于1969年公布的串行通信接口标准，是为远程通讯连接数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）与数据通讯设备DCE（Data Communination Equipment）定义的物理接口。由于制造产商都生产与RS-232兼容的通信设备，而且其接口和通信协议比较简单，通信设备产商开发出了大量的以RS-232为接口的各类产品，因而在计算机串行通信领域采用最为普遍，已经成为微机串行通信接口中广泛采用的一种标准[5]。
USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是由康柏等七家大厂商共同开发制定的一种新型的外设接口标准，1996年公布了USB1.0版本[6]。USB总线规范推出后，由于USB总线的速度快，用户安装方便等优点对RS-232总线产生了冲击，USB技术和设备在电脑中已经得到较为广泛的应用，现在的台式PC机和笔记本电脑基本上都带有一到两个USB接口，很多计算机外设都采用USB接口，各种带USB接口的芯片以及USB设备也在市场上不断涌现。USB技术已经成为计算机领域发展最快的技术之一。
随着USB应用领域的逐渐扩大，人们对于USB的期望也越来越高，希望USB能应用在各种计算机领域中，尤其是在工业场合中工业接口和USB接口数据通信的实现。常用的工业接口，如RS232，这些接口都是上个世纪七、八十年代设计的。随着USB设备的普及，如何方便的实现RS232接口到USB接口的转换，实现USB到RS232的双向数据通信，就成为当前急需解决的问题。
要解决上述问题，首先就需要解决USB主机，因为USB主机是USB系统的核心。在工业场合中，考虑到易用性和成本因素，不可能为每个RS232接口配置一台电脑实现RS232到USB的转换。这种情况下，USB只能应用在没有PC的领域中，这也正是目前USB的一个弱点。解决这一根本问题的办法就是在嵌入式系统中集成USB主机功能，使之能够和USB设备通信；同时系统还要有RS232模块，使系统成为连接USB和RS232的桥梁[8]。
1.2 USB国内外应用现状
USB主机的应用在国内外均处于积极研究和发展的阶段。现今已有为数不少的半导体公司提供主动接口芯片，如Cypress、Philips、TI、NS等，市场上也逐步出现具有
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部分功能的嵌入式主机产品。将主动接口应用于消费类产品，如数码相机直接连接打印 机国外己经有所发展。大多数厂家和论坛所能提供的产品或例程多数是基于嵌入式操作 系统的，给出的器件类也不尽完善。在国内，主动接口的研究仍然处于起步阶段，仅有 很少量嵌入式主机的产品问世。目前已经有人研究了用SL811HS和ISPll61实现的系统，但是他们的研究都存在着识别率不高和系统不稳定的情况。
对于从动接口的开发，国内外的研究起步都很早，现在技术发展的也比较成熟。在 工业数据传输场合，有的采用带USB接口的单片机进行开发，还有的采用微处理器外加USB接口芯片的方法。带USB接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是专用于控制的单片机，比如Cypress公司的低、全速系列产品，但由于价格、开发工具以及单片机性能有限等问题，所以一般不选用[10]。另一种增加了USB接口的普通单片机，例如INTEL公司的8X93 1等，选择这类USB控制器的好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但对于简单系统，价格高是最大的障碍。总体来说，后者的价格是前者价格的近10倍16J。
1.3 USB技术的产生和发展
当今PC上使用的绝大多数设备都是基于接口实现的。在USB出现之前，PC上的接 口基本上是20世纪七、八十年代设计的。随着计算机技术的迅猛发展，这些接口已经不 能满足PC与外设之间不断提高的传输速度、稳定型和易用性[11]。这一现象，已经大大限 制了计算机技术的发展，成为计算机功能扩展的桎梏。
为了解决旧接口的缺陷，1994年，Intel，Compaq等七家软硬件全球知名企业为了突破当时PC使用串口和并口传输速度的限制，成立了通用串行总线开发者论坛(USBImplementers Forum，USB IF)，并在1994年11月提出了USB 0．7版，到了1998年开始出现了支持USB 1．1的设备，他的高速性(USBl．1支持1．5 Mb/s和12 Mb/s两种速度)。和易用性迅速使之成为PC外设的宠儿u1。为了对抗1394速度的优势(1394可以达到400 Mb/s)，1999年提出了USB 2．0规范的思想，2000年4月USB IF推出USB 2．0[13]。USB 2．0向下兼容1．1，提供3种速度，最高可以达到480 Mb/s。为了增强USB的可移动性，又于2001年12月发布了USB On-The—Go 1．0版本协议作为USB2．0协议的补充．USB OTG协议基本符合USB2．0的规范，所不同的是USB PTG完全抛开了PC，既可以作为Host，也可以作为Slave，而与另一个OTG设备直接实现点对点通信t2-41。目前无线USB(WUSB)I．0版本已经发布．这个技术以多频段OFDM(jE交频分复用)技术为基础，融合了WiMedia联
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盟确定的通用超宽带无线电平台技术。目前这项技术还处于早期的定义阶段，并不完善。但是其速度非常惊人，其标准速度可以达到2000Mbps，是目前USB2．0极限速度的近5倍。
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第二章 协议概述
USB是一种串行总线，它通过查询方式识别挂在总线上的设备。USB总线上只有 一个主机，每一次数据传输都是由主机发起的，并且在总线上的各种外设共享USB总 线带宽。USB协议是一个非常庞大而复杂的协议集，已经有很多的专业书籍介绍。下 面就本课题涉及的相关方面做简要介绍。
2.1 USB协议栈设备框架
1、USB描述符
USB设备采用设备构架的概念来描述一个USB设备，它把USB设备看成是一个配置、接口和端点的集合，并采用标准USB描述符来说明它们，其中包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符[14]；对于高速设备，还可以包含设备限定描述符和其他速率配置描述符(因本文未研究高速设备，这里将不叙述)。这些设备描述符适用于所以的USB设备，它们都包含有特定功能的字段，以指出SUB设备的特性。 除了这些标准USB描述符之外，设备类和供应商也可以自己定义其设备专用的描述符，分别称为设备类定义描述符和供应商自定义描述符，它们可以在标准描述符的格式上进行扩展，也可以使用其他非标准的格式。以上几种描述符，主机都可以用 GetDescriptor请求来读取它们。
设备描述符一一个USB设备可以含有一个或多个配置，设备描述符用于指出USB设备的总体信息，其内容对该设备中同一个传输模式下的所以配置都有效。一个USB设备只能有一个设备描述符。·
配置描述符?所有的USB设备都必须最少支持一个配置描述符，以指出其配置信息。当主机请求配置描述符时，其所有相关的接口描述符和端点描述符都将被返回：如果其包含设备类定义描述符或供应商自定义描述符，它们也将会跟在配置描述符的后面一起返回。
接口描述符一USB设备的接口是一个端点的集合，他负责完成该设备的特定功能。接口可以包含一个或多个可替换的配置，它们能够在USB设备处于配置状瓣付，改变当前接口所含端点的个数和特性，其缺省值可替换为“0”．接口描述符用于指出USB设备各个接口的特性，如接口所含端点的个数、其所属的设备类及子类。USB设备的每一个接口都必须有一个接口描述符。
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端点描述符?用于指出USB设备端点的特性，如其所支持的传输类型、传输方向等信息。除端点“0”外，USB设备的每个端点都必须有一个端点描述符。主机不能使用。GetDescriptor请求来读取端点描述符，其只能作为USB设备配置信息的一部分在鼍GetDescriptor(Configuration)请求中返回[15]。
字符串描述符?用于保存一些文本信息，如供应商名称、产品序列号等，它是可选的。如果一个设备无字符串描述符，所有其他描述符中有关字符串描述符的索引都为0即可。 2、设备请求
USB定义了11种标准USB设备请求，如GetDescripto、SelfInterface等，其主要功能是完成USB设备的配置操作。表2．1列出了这些请求的请求号和功能。除了这些标准请求外，设备类和供应商也可以自定义设备专用的请求，分别称为设备类定义请求和供应商自定义请求。不论是标准请求还是各种自定义请求，它们都只能使用控制管道来进行传输。
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