基于ARM的嵌入式USB主從接口設(shè)計(jì).doc

任務(wù)書(shū)題目基于ARM的嵌入式USB主/從接口設(shè)計(jì)課題內(nèi)容隨著總線和接口技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)場(chǎng)合如何更加可靠、快速、便捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為該領(lǐng)域通信的研究重點(diǎn)之一。而USB技術(shù)以其高速、可靠、通用性強(qiáng)等一系列特點(diǎn)在過(guò)去的十多年時(shí)間里發(fā)展迅猛，而USBOTG技術(shù)的誕生，使得兩USB設(shè)備在沒(méi)有PC參與的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為可能。本設(shè)計(jì)通過(guò)搭建以ARM9為核心控制芯片、ISP1362為USB接口芯片的硬件平臺(tái),分別實(shí)現(xiàn)了USB部分主機(jī)和從機(jī)功能，使之能進(jìn)行USB數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與交換。本設(shè)計(jì)完成以下工作：首先，認(rèn)真研究USB協(xié)議，深入理解USB通信的基本概念和傳輸方式等內(nèi)容。其次，根據(jù)要求，設(shè)計(jì)出由控制、接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與供電切換電路等硬件模塊組成的系統(tǒng)，完成系統(tǒng)調(diào)試。再次，完成硬件工作所需固件，軟件編寫(xiě)。課題任務(wù)要求一、任務(wù)1認(rèn)真收集資料，了解、掌握ARM9，USB相關(guān)知識(shí)。2提出完成設(shè)計(jì)任務(wù)的原理及設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行方案優(yōu)化。3具體完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件實(shí)現(xiàn)。4完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫(xiě)及外文資料的翻譯、組織。5畢業(yè)答辯。二、要求1原理正確、方案選擇合理。2軟件流程圖、程序及硬件實(shí)現(xiàn)符合系統(tǒng)檢測(cè)要求。3設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、流程圖的繪制符合要求、規(guī)范。注：1.此任務(wù)書(shū)應(yīng)由指導(dǎo)教師填寫(xiě)。2.此任務(wù)書(shū)最遲必須在畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始前一周下達(dá)給學(xué)生。課題完成后應(yīng)提交的文件（或圖表、設(shè)計(jì)圖紙）1系統(tǒng)原理圖2軟件流程圖3硬件連接圖4程序設(shè)計(jì)5設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)6外文資料及其譯文主要參考文獻(xiàn)與外文翻譯文件（由指導(dǎo)教師選定）1王成儒，李英偉.UAB2.0原理與工程開(kāi)發(fā)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.2MindShare.USB系統(tǒng)體系M.北京:中國(guó)電力出版社，2003.3薛園園.USB應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)大全M.北京:人民郵電出版社，2007.4MicrosoftCorporation.UniversalSerialBusSpecificationRevision1.1,1998.5ChrisCant著，孫義譯.WindowsWDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)指南M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.6周立功等.USB2.0與OTG規(guī)范及開(kāi)發(fā)指南M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.7魏智.USBOTG設(shè)計(jì)J.國(guó)外電子元器件，2004，12:7273.8馬偉等.嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003，5.9晃建剛等.通用串行總線設(shè)備的驅(qū)動(dòng).電子技術(shù)應(yīng)用J，2002，12.10劉洋等.基于ARM系統(tǒng)硬盤(pán)接口的使用和文件管理J.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(3).11衣曉峰等.USB外設(shè)控制器固件的設(shè)計(jì)J.微型電腦應(yīng)用，2003，19(4):2730.12張宏偉.Linux系統(tǒng)下USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2001，18(9):141146.13陽(yáng)富民等.嵌入式LinuxUSBOTG設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究J.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2006，5:109111.14魏春鳳.基于USB接口的OTG應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)J.世界電子元器件，2005，11:5255.15周立功等.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:3480.16周立功等.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)例M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004:6380.17胡曉軍.開(kāi)發(fā)WDM型USB設(shè)備客戶驅(qū)動(dòng)程序J.中國(guó)數(shù)據(jù)通信，2002，2:5153.18劉少峰，韋克平.USB軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002，3:102104.19周振宇，谷海穎.基于USB總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.電子技術(shù)應(yīng)用2002，2:1214.20王洪，顧本斗.USB設(shè)備的開(kāi)發(fā).計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)J，2002，3:6164.21JohnKoonandReneWillians.USBOTGApplicationinConsumerElectronicsR.USBOTGTechnologyandMarketReport,2005.22JohnKoonandReneWillians.USBOTGApplicationinConsumerElectronicsR.USBOTGTechnologyandMarketReport,2005.23USB論壇htp://24國(guó)家半導(dǎo)體公司/25驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)網(wǎng)htp://同組設(shè)計(jì)者無(wú)基于ARM的嵌入式USB主/從接口設(shè)計(jì)摘要USB具有易用、真正的熱插拔、高性能和系統(tǒng)造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，也正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使它從書(shū)面的協(xié)議變成產(chǎn)品只用了不到兩年時(shí)間。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，USB系統(tǒng)包括:USB主機(jī)和USB設(shè)備。USB外設(shè)的開(kāi)發(fā)和基于PC機(jī)的USB主機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。相對(duì)于PC機(jī)上的豐富資源，嵌入式系統(tǒng)中有限的資源給基于嵌入式系統(tǒng)的USB主機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大難度。嵌入式USB系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)將更進(jìn)一步拓寬USB接口技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。如何將USB應(yīng)用到嵌入式領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)USB的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，成為目前USB研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本系統(tǒng)選擇了三星公司生產(chǎn)的AMR9芯片S3C2410作為CPU，使用飛利浦公司的USB接口芯片ISP1362，共同構(gòu)成了USB主/從控制系統(tǒng)。OTG做為USB2.0的補(bǔ)充協(xié)議，旨在使USB接口兼具USB主機(jī)和從機(jī)的功能，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的外設(shè)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，從而一定程度上擺脫USB接口通信離不開(kāi)PC機(jī)的束縛。在ARM和ISP1362構(gòu)建的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，研究了USBOTG協(xié)議、SCSI協(xié)議、MassStorageClass協(xié)議和FAT文件系統(tǒng)協(xié)議，并根據(jù)USB相關(guān)協(xié)議規(guī)劃主機(jī)端和設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)，完成主機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，ISP1362的設(shè)備配置，設(shè)備端固件設(shè)計(jì)和PC端的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于ARM9的嵌入式USB主/從接口設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：ARM9；ISP1362；USBOTGARM-basedembeddedUSBhost/slaveinterfacedesignAbstractUSBwhichiswiththeeaseofuse,therealhot-swappable,highperformanceandlowcostadvantagesofthesystem,itispreciselybecauseoftheseadvantagesmakeitintoproductsfromtheagreementinwritinginlessthantwoyears.TheUSBsystemusuallyinvolvestwoaspects:USBhostcontrollerandUSBslavecontroller.Today,theUSBslavesystemhasbeenextensivelyadoptedandtheUSBhostcontrolapplicationsinPCsarewidespread.AstheexpandingofUSBapplicationarea,itismoreandmorenecessarytoaddmobilestoragefunctiontoembeddedsystem.But,thelimitresourceshavegreatlyrestrictedthedevelopmentofUSBhosttechnologyinembeddedsystems,especiallytheonewhichhasnotanoperatingsystem.Now,theapplicationandrealizationoftheUSBtechnologytoembeddedsystemsisoneofthefocusesintheUSB-Field.InthisUSBhost/slavecontrolsystem,wechoseSamsungsS3C2410asthecentralCPUandPhillipssISP1362astheUSBhostcontrolleranddeviceinterface.OTGasasupplementaryprotocolofUSB2.0,aimedatimplementingbothUSBHostandUSBdevicefunction.TherebyapplicationofUSBbreaksawayfromtheshacklesofthecomputertosomeextent.BasedonthehardwareplatformoftheARMandtheISP1362,IresearchprotocolssuchasUSBOTG,theSCSIprotocol,MassStorageClassandFATfilesystemprotocols.ThesoftwareofUSBhostanddevicehasbeendesignedandwritteninaccordancewithrelevantprotocols.WecompleteUSBhostssoftwaresystem,ISP1362deviceconfiguration,firmwaredesignandPCdriverdesignanddevelopmenttoachievethatbasedonARM9embeddedUSBhost/slaveinterfacedesign.Keywords:ARM9；ISP1362；USBOTG目錄第1章緒論.11.1課題研究背景.11.1.1嵌入式系統(tǒng)介紹.11.1.2ARM簡(jiǎn)介.11.1.3USB起源及發(fā)展過(guò)程.21.1.4USB的特點(diǎn).21.2論文章節(jié)安排.4第2章USB技術(shù)概述.62.1USB基本規(guī)范的發(fā)展過(guò)程.62.2USB的機(jī)械和電器特性.72.3USB結(jié)構(gòu)介紹.82.3.1總線的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).82.3.2USB的硬件和軟件元素.82.4USB數(shù)據(jù)通信協(xié)議.112.4.1域.122.4.2最基本數(shù)據(jù)單元-包.142.4.3數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型.162.4.4USB設(shè)備枚舉.17第3章系統(tǒng)方案及硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).183.1USB主/從接口設(shè)計(jì).183.2ARM微處理器.183.3USB接口芯片.203.3.1ISP1362芯片介紹.203.3.2ISP1362內(nèi)部功能結(jié)構(gòu).213.4系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).223.4.1ISP1362操作模式.223.4.2硬件電路設(shè)計(jì)原理.143.4.3OTG接口的結(jié)構(gòu).243.4.4系統(tǒng)中主機(jī)和從機(jī)的確定.17第4章USB主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì).274.1USB主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).274.1.1主機(jī)控制器及功能.274.1.2USB主機(jī)端驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).274.2ISP1362主機(jī)端硬件初始化設(shè)計(jì).284.3類(lèi)協(xié)議的實(shí)現(xiàn).294.3.1USB設(shè)備類(lèi)概述.294.3.2MassStorageClass協(xié)議及實(shí)現(xiàn).304.4FAT文件操作的實(shí)現(xiàn).324.4.1FAT文件系統(tǒng)原理.324.4.2目錄操作.364.4.3文件操作.364.5系統(tǒng)軟件流程.38第5章USB從機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì).395.1USB設(shè)備配置.395.2ISP1362設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)傳送.415.3USB設(shè)備端固件設(shè)計(jì).425.3.1USB外部CPU(ARM)控制程序設(shè)計(jì).425.3.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)基本程序設(shè)計(jì).425.4PC端驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).495.4.1Windows下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)基本概念.495.4.2Win32驅(qū)動(dòng)程序模型.495.4.3驅(qū)動(dòng)程序基本例程設(shè)計(jì)及說(shuō)明.515.5USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā).50第6章總結(jié).53參考文獻(xiàn).54致謝.56附錄57基于ARM的嵌入式USB主/從接口設(shè)計(jì)第1頁(yè)共57頁(yè)第1章緒論1.1課題研究背景1.1.1嵌入式系統(tǒng)介紹根據(jù)IEEE(國(guó)際電機(jī)工程師協(xié)會(huì))的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”(devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants)。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)目前己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事國(guó)防、消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通訊等各個(gè)領(lǐng)域。而在工業(yè)控制方面，基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備也有了很大的發(fā)展，目前己經(jīng)有大量的8、12、36位嵌入式微控制器應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)控機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控、石油化工系統(tǒng)等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，32、64位的微處理器將逐漸成為工業(yè)控制設(shè)備的核心，在未來(lái)幾年內(nèi)必將獲得更大的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)大至可以分為四類(lèi)：(1)嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU)(2)微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)(3)DSP處理器(DigitalSignalProcessor，DSP)(4)片上系統(tǒng)(SystemonChip，SoC)1.1.2AR