USB系统研究 USB System Stud (同等学力申请清华大学工学硕士学位论文) 院(系、所):工程物理系 专 业:核技术及应用 申请人:王云飞 指导教师:邵贝贝教授 2001年5月
USB 系统研究 USB System Study (同等学力申请清华大学工学硕士学位论文) 院 系 所 工 程 物 理 系 专 业 核 技 术 及 应 用 申 请 人 王 云 飞 指 导 教 师 邵 贝 贝 教 授 2001 年 5 月
独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得清华大学或 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作了明确的说明并表示了谢意 签名: 日期: 关于论文使用授权的说明 本人完全了解清华大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留送交论文的复印件,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,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 (保密论文在解密后应遵守此规定) 签名:导师签名: 日期
独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得清华大学或 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作了明确的说明并表示了谢意 签 名 日 期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解清华大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保留送交论文的复印件 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 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 (保密论文在解密后应遵守此规定) 签 名 导师签名 日 期
中文摘要 ABSTRACT 2 第一章引言 3 1.1USB技术 1.2项目来源及概述 第二章USB协议…5 2.1USB技术背景 2.2USB总线优势 2.2.USB的速度 6 2.2.2USB的总线拓扑体系 2.2.3USB的即插即用 9 2.2.4USB的低功耗 2.2.5USB的标准接口和外设 2.2.6结论 14 2.3USB软件通讯协议 2.3.1USB数据流 2.3.2USB数据单 16 2.3.2.1域 2.3.2.2 17 2.3.3USB总线传输 19 23.3.1控制传输( Control Transfer) 2332同步传输( sychronous transfer) 23.3.3批传输( Bulk transfer) 2334中断传输( Interrupt Transfer) 23.3.5结论 2.3.4数据触发同步与重试 26
中文摘要......................................................................................................1 ABSTRACT.................................................................................................2 第一章 引言 ...............................................................................................3 1.1 USB 技术 .......................................................................................3 1.2 项目来源及概述.............................................................................3 第二章 USB 协议 ....................................................................................5 2.1 USB 技术背景 ................................................................................5 2.2 USB 总线优势 ................................................................................6 2.2.1 USB 的速度.................................................................................6 2.2.2 USB 的总线拓扑体系..................................................................7 2.2.3 USB 的即插即用 .........................................................................9 2.2.4 USB 的低功耗 ........................................................................... 11 2.2.5 USB 的标准接口和外设 ............................................................12 2.2.6 结论.......................................................................................14 2.3 USB 软件通讯协议 ......................................................................14 2.3.1 USB 数据流...............................................................................14 2.3.2 USB 数据单元 ...........................................................................16 2.3.2.1 域 .......................................................................................16 2.3.2.2 包 .......................................................................................17 2.3.3 USB 总线传输 ...........................................................................19 2.3.3.1 控制传输(Control Transfer) ................................................ 20 2.3.3.2 同步传输(Isochronous Transfer) ......................................... 22 2.3.3.3 批传输(Bulk Transfer)........................................................ 23 2.3.3.4 中断传输(Interrupt Transfer) .............................................. 24 2.3.3.5 结论 ...................................................................................25 2.3.4 数据触发同步与重试 ............................................................26
2.3.5低速操作 28 2.3.6错误检殓与恢复: 24结论 第三章USB项目开发技术 3.1USB设备端硬件开发 32USB设备端软件开发 3.2.1USB设备通用模块的软件开发 32 3.2.2USB设备协议模块的软件开发 3.2.3设备的挂起与唤醒. 36 3.2.4USB设备端软件整体流程 36 3.3USB主机端软件开发 3.3.1 Windows98下的驱动程序结构 3.3.2 Windows98下的USB设备驱动程序体系 3.3.3 Windows98DDK使用 3.3.3.1 Windows98DDK系统需求 3.3.32 Windows98DDK的安装 3、3.3.3建立和使用 Windows98驱动程序构造环境 3.3.4 Windows98下的USB设备应用程序开发 44 34结论 第四章USB项目简介 4.1USB手写识别输入系统 47 4.1.1背景 47 4.1.2原理 4.1.2.1设备端硬件设计 4.1.22设备端软件设计 4.1.2.3主机端软件设计 4.1.3结论 54 42USB通用设备开发平台 4.2.l背景
2.3.5 低速操作 ...............................................................................28 2.3.6 错误检验与恢复:...................................................................29 2.4 结论 .............................................................................................30 第三章 USB 项目开发技术 ...................................................................31 3.1 USB 设备端硬件开发...................................................................31 3.2 USB 设备端软件开发...................................................................32 3.2.1 USB 设备通用模块的软件开发.................................................32 3.2.2 USB 设备协议模块的软件开发.................................................33 3.2.3 设备的挂起与唤醒 ................................................................36 3.2.4 USB 设备端软件整体流程 ........................................................36 3.3 USB 主机端软件开发...................................................................37 3.3.1 Windows 98 下的驱动程序结构 ................................................38 3.3.2 Windows 98 下的 USB 设备驱动程序体系 ................................40 3.3.3 Windows 98 DDK 使用 ..............................................................42 3.3.3.1 Windows 98 DDK 系统需求 ...............................................42 3.3.3.2 Windows 98 DDK 的安装...................................................43 3.3.3.3 建立和使用 Windows 98 驱动程序构造环境 ....................44 3.3.4 Windows 98 下的 USB 设备应用程序开发 ................................44 3.4 结论 .............................................................................................44 第四章 USB 项目简介 ..........................................................................46 4.1 USB 手写识别输入系统 ...............................................................47 4.1.1 背景.......................................................................................47 4.1.2 原理.......................................................................................47 4.1.2.1 设备端硬件设计 ................................................................48 4.1.2.2 设备端软件设计 ................................................................50 4.1.2.3 主机端软件设计 ................................................................51 4.1.3 结论.......................................................................................54 4.2 USB 通用设备开发平台 ...............................................................55 4.2.1 背景.......................................................................................55
4.2.2全速USB设备设计原理 56 42.2.1设备端硬件设计 42.22设备端软件设计 4.2.23主机端软件设计 4.2.3 USB HUB(集线器)设计原理 61 4.2.4结论 4.3USB安全钥 4.3.1背景 4.3.2原理 4.3.2.1设备端硬件设计 67 4.3.2.2设备端软件设计 4.3.2.3主机端软件设计 4.3.3结论 44USB在线编程设备 4.4.l背景 4.4.2原理 4.4.2.1设备端软件设计 4422主机端软件设计 4.4.3结论 78 4.5结论 第五章其他工作 51 MOTOROLA微控制器的使用 5.1.1在线编程技术和MC68HC9O8GP32IDK 80 5.1.1.1MC68HC908系列微控制器的在线编程技术 5.1.1.2MC68HC908GP32IDK在线编程开发系统 5.1.1.3结论 88 参考文献 致谢
4.2.2 全速 USB 设备设计原理........................................................56 4.2.2.1 设备端硬件设计 ................................................................57 4.2.2.2 设备端软件设计 ................................................................59 4.2.2.3 主机端软件设计 ................................................................60 4.2.3 USB HUB 集线器 设计原理.................................................61 4.2.4 结论.......................................................................................65 4.3 USB 安全钥..................................................................................65 4.3.1 背景.......................................................................................65 4.3.2 原理.......................................................................................67 4.3.2.1 设备端硬件设计 ................................................................67 4.3.2.2 设备端软件设计 ................................................................68 4.3.2.3 主机端软件设计 ................................................................70 4.3.3 结论.......................................................................................72 4.4 USB 在线编程设备 ......................................................................72 4.4.1 背景.......................................................................................73 4.4.2 原理.......................................................................................73 4.4.2.1 设备端软件设计 ................................................................76 4.4.2.2 主机端软件设计 ................................................................77 4.4.3 结论.......................................................................................78 4.5 结论 .............................................................................................78 第五章 其他工作 ......................................................................................80 5.1 MOTOROLA 微控制器的使用 .........................................................80 5.1.1 在线编程技术和 MC68HC908GP32IDK ................................80 5.1.1.1 MC68HC908 系列微控制器的在线编程技术 .....................81 5.1.1.2 MC68HC908GP32IDK 在线编程开发系统.........................86 5.1.1.3 结论 ...................................................................................88 参考文献....................................................................................................89 致谢 ...........................................................................................................90
个人简历… 91
个人简历....................................................................................................91
中文摘要 中文摘要 通用串行总线(USB)是PC体系中的一套全新的工业标准,它支持单 个主机与多个外设同时进行数据交换。 论文首先会介绍USB的体系结构和特点,包括总线特征、协议定义、 传输方式和电源管理等等。这部分内容会使USB开发者和用户对USB有 个整体的认识。 接下来论文会讨论USB系统的一般开发方法和技术特点,分设备端硬 件、设备端软件和主机端软件三个部分。 然后论文会介绍几个USB项目的研发过程和技术细节,包括USB手写 识别输入系统、USB通用设备开发平台、USB安全钥和USB在线编程设备等 等。论文会详细介绍USB设备的硬件和软件开发的技术细节,包括USB设 备协议栈的编写方法,同时也会讨论在 Windows98下开发USB内核驱动程 序和用户应用程序的一般方法。 论文最后还会介绍 Motorola的一些相关开发技术,主要是在线编程技 术 论文对广大的USB设备开发人员和技术人员具备较高的参考价值,可 以帮助他们尽快掌握USB设备的特点,以及硬件电路设计和软件编程中的 注意事项。 关键字:通用串行总线微控制器协议栈设备驱动程序在线编
中文摘要 1 中文摘要 通用串行总线 USB 是 PC 体系中的一套全新的工业标准 它支持单 个主机与多个外设同时进行数据交换 论文首先会介绍 USB 的体系结构和特点 包括总线特征 协议定义 传输方式和电源管理等等 这部分内容会使 USB 开发者和用户对 USB 有一 个整体的认识 接下来论文会讨论 USB 系统的一般开发方法和技术特点 分设备端硬 件 设备端软件和主机端软件三个部分 然后论文会介绍几个 USB 项目的研发过程和技术细节 包括 USB 手写 识别输入系统 USB 通用设备开发平台 USB 安全钥和 USB 在线编程设备等 等 论文会详细介绍 USB 设备的硬件和软件开发的技术细节 包括 USB 设 备协议栈的编写方法 同时也会讨论在 Windows 98 下开发 USB 内核驱动程 序和用户应用程序的一般方法 论文最后还会介绍 Motorola 的一些相关开发技术 主要是在线编程技 术 论文对广大的 USB 设备开发人员和技术人员具备较高的参考价值 可 以帮助他们尽快掌握 USB 设备的特点 以及硬件电路设计和软件编程中的 注意事项 关键字 通用串行总线 微控制器 协议栈 设备驱动程序 在线编 程
Abstract Abs七rac七 The Universal Serial Bus (USB) is specified to be an industry standard extension to the PC architecture. USB is a serial cable bus that supports data exchange between a host computer and a wide range of simultaneously accessible peripherals First, the thesis describes the architecture and features of USB, including the bus attributes, the protocol definition, types of transactions, power management, and so on. It tries to give developers and users a snapshot of USB After that, the thesis will talk about how to develop the USB system, including: device hardware, device software and host software Then the thesis describes some development and technique details of several USB projects: USB tablet, USB univeral development tool, USB security key and USB IsP(In System Program)device. I will give you the details of the hardware and software design of device, including how to write USB device protocol stack, and talk about the kernel drivers and user program in Windows 98 Finally i will talk more about some technique of Motorola microcontroller like isp and so on The thesis is very useful to uSB device implementers and developers These can help them rapidly grasp the main feathers and important place in hardware design, programming of the USB device Key words: USB microcontroller protocol stack device driver ISP
Abstract 2 Abstract The Universal Serial Bus USB is specified to be an industry standard extension to the PC architecture. USB is a serial cable bus that supports data exchange between a host computer and a wide range of simultaneously accessible peripherals. First, the thesis describes the architecture and features of USB, including the bus attributes, the protocol definition, types of transactions, power management, and so on. It tries to give developers and users a snapshot of USB. After that, the thesis will talk about how to develop the USB system, including: device hardware, device software and host software. Then the thesis describes some development and technique details of several USB projects: USB tablet, USB univeral development tool, USB security key and USB ISP (In System Program) device. I will give you the details of the hardware and software design of device, including how to write USB device protocol stack, and talk about the kernel drivers and user program in Windows 98. Finally I will talk more about some technique of Motorola microcontroller, like ISP and so on. The thesis is very useful to USB device implementers and developers. These can help them rapidly grasp the main feathers and important place in hardware design, programming of the USB device. Key words: USB microcontroller protocol stack device driver ISP
第一章引言 第一章引言 1.1UsB技术 当今的计算机外部设备,都在追求高速度和高通用性。为了满足用户的需求, 以 Intel为首的七家公司( Intel, Compag, Microsoft,IBM,DEC, Northern telecom 以及日本NEC)于1994年11月推出了USB( Universal Serial Bus,通用串行 总线)协议的第一个草案,专用于低、中速的计算机外设。USB可把多达127个 外设同时连到用户的系统上,所有的外设通过协议来共享USB的带宽,其12Wbps 的带宽对于键盘,鼠标等低中速外设是完全足够的。(注:在2000年发布的USB 规范版本2.0中,已经将USB支持的带宽提升到480Mbps。)USB允许外设在主机 和其它外设工作时进行连接、配置、使用及移除,即所谓的即插即用(Plug& Play)。同时USB总线的应用可以清除PC上过多的I/0端口,而以一个串行通道 取代,使PC与外设之间的连接更容易。自从1996年2月USB规范版本1.0发布, 短短几年间,USB不光成为了微机主板上的标准端口,而且还成为了所有微机外 设(包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏柄等等)与主 机相连的标准协议之一。这种连接较以往普通并口( parallel port)和串口 ( serial port)的连接而言,主要的优点是速度高、功耗低、支持即插即用(Plug &Play)和使用维护方便。 由于USB2.0还不成熟,而且本文涉及的项目又全都基于USB1.1,所以本文 以后对USB的描述将全部基于USB的1.1规范版本。凡属于USB2.0的内容,都 会另外注明。 1.2项目来源及概述 早在1998年, Motorola公司就要求我们中心(清华大学 Motorola单片机应 用开发研究中心)用 Motorola公司的8位单片机(当时是68HCO5JB4)开发支 持USB协议的计算机外设。在调研了当时市场上的USB设备情况以后,我们选择 了与中科院自动化所汉王公司合作开发国内第一套USB手写识别输入系统。由于 种种原因,汉王公司最终并没有加入到这个项目的开发工作中来,而我独自承担
第一章 引言 3 第一章 引言 1.1 USB 技术 当今的计算机外部设备 都在追求高速度和高通用性 为了满足用户的需求 以 Intel 为首的七家公司 Intel Compaq Microsoft IBM DEC Northern Telecom 以及日本 NEC 于 1994 年 11 月推出了 USB Universal Serial Bus 通用串行 总线 协议的第一个草案 专用于低 中速的计算机外设 USB 可把多达 127 个 外设同时连到用户的系统上 所有的外设通过协议来共享 USB 的带宽 其 12Mbps 的带宽对于键盘 鼠标等低中速外设是完全足够的 注 在 2000 年发布的 USB 规范版本 2.0 中 已经将 USB 支持的带宽提升到 480Mbps USB 允许外设在主机 和其它外设工作时进行连接 配置 使用及移除 即所谓的即插即用 Plug & Play 同时 USB 总线的应用可以清除 PC 上过多的 I/O 端口 而以一个串行通道 取代 使 PC 与外设之间的连接更容易 自从 1996 年 2 月 USB 规范版本 1.0 发布 短短几年间 USB 不光成为了微机主板上的标准端口 而且还成为了所有微机外 设 包括键盘 鼠标 显示器 打印机 数字相机 扫描仪和游戏柄等等 与主 机相连的标准协议之一 这种连接较以往普通并口 parallel port 和串口 serial port 的连接而言 主要的优点是速度高 功耗低 支持即插即用 Plug & Play 和使用维护方便 由于 USB2.0 还不成熟 而且本文涉及的项目又全都基于 USB1.1 所以本文 以后对 USB 的描述将全部基于 USB 的 1.1 规范版本 凡属于 USB2.0 的内容 都 会另外注明 1.2 项目来源及概述 早在 1998 年 Motorola 公司就要求我们中心 清华大学 Motorola 单片机应 用开发研究中心 用 Motorola 公司的 8 位单片机 当时是 68HC05JB4 开发支 持 USB 协议的计算机外设 在调研了当时市场上的 USB 设备情况以后 我们选择 了与中科院自动化所汉王公司合作开发国内第一套 USB 手写识别输入系统 由于 种种原因 汉王公司最终并没有加入到这个项目的开发工作中来 而我独自承担
第一章引言 了所有的开发工作。 这个项目开发成功后,我们中心的USB技术实力得到了各方面(包括 Motorola、汉王公司和业内其他开发团队)的认同。这以后我继续用 Motorola 的8位单片机(68HC08系列)为 Motorola开发了2个使用USB技术的项目:USB 安全钥和USB在线编程设备。同时我也根据技术的发展和个人的爱好研究了使用 其他公司的USB芯片(如美国国家半导体的USBN9602)开发USB设备的技术和 方法,与人合作设计了USB通用设备开发平台。 开发一个USB设备需要做很多硬件和软件的工作,包括设计USB设备的硬件, 编写设备协议栈和 Windows下的驱动程序等等。通过这些工作,我对USB协议的 整个体系有了一个非常清晰的概念和认识 本文下面的内容,就将以介绍USB协议和项目为主
第一章 引言 4 了所有的开发工作 这个项目开发成功后 我们中心的 USB 技术实力得到了各方面 包括 Motorola 汉王公司和业内其他开发团队 的认同 这以后我继续用 Motorola 的 8 位单片机 68HC08 系列 为 Motorola 开发了 2 个使用 USB 技术的项目 USB 安全钥和 USB 在线编程设备 同时我也根据技术的发展和个人的爱好研究了使用 其他公司的 USB 芯片 如美国国家半导体的 USBN9602 开发 USB 设备的技术和 方法 与人合作设计了 USB 通用设备开发平台 开发一个 USB 设备需要做很多硬件和软件的工作 包括设计 USB 设备的硬件 编写设备协议栈和 Windows 下的驱动程序等等 通过这些工作 我对 USB 协议的 整个体系有了一个非常清晰的概念和认识 本文下面的内容 就将以介绍 USB 协议和项目为主