基于ARM的嵌入式USB主從接口設計.doc

任務書題目基于ARM的嵌入式USB主/從接口設計課題內容隨著總線和接口技術的發(fā)展，在工業(yè)場合如何更加可靠、快速、便捷地進行數(shù)據(jù)傳輸成為該領域通信的研究重點之一。而USB技術以其高速、可靠、通用性強等一系列特點在過去的十多年時間里發(fā)展迅猛，而USBOTG技術的誕生，使得兩USB設備在沒有PC參與的情況下進行數(shù)據(jù)傳輸成為可能。本設計通過搭建以ARM9為核心控制芯片、ISP1362為USB接口芯片的硬件平臺,分別實現(xiàn)了USB部分主機和從機功能，使之能進行USB數(shù)據(jù)的存儲與交換。本設計完成以下工作：首先，認真研究USB協(xié)議，深入理解USB通信的基本概念和傳輸方式等內容。其次，根據(jù)要求，設計出由控制、接口、數(shù)據(jù)存儲與供電切換電路等硬件模塊組成的系統(tǒng)，完成系統(tǒng)調試。再次，完成硬件工作所需固件，軟件編寫。課題任務要求一、任務1認真收集資料，了解、掌握ARM9，USB相關知識。2提出完成設計任務的原理及設計思路，并進行方案優(yōu)化。3具體完成系統(tǒng)設計、軟硬件實現(xiàn)。4完成畢業(yè)設計論文的撰寫及外文資料的翻譯、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、程序及硬件實現(xiàn)符合系統(tǒng)檢測要求。3設計說明書、流程圖的繪制符合要求、規(guī)范。注：1.此任務書應由指導教師填寫。2.此任務書最遲必須在畢業(yè)設計開始前一周下達給學生。課題完成后應提交的文件（或圖表、設計圖紙）1系統(tǒng)原理圖2軟件流程圖3硬件連接圖4程序設計5設計說明書6外文資料及其譯文主要參考文獻與外文翻譯文件（由指導教師選定）1王成儒，李英偉.UAB2.0原理與工程開發(fā)M.北京:國防工業(yè)出版社，2004.2MindShare.USB系統(tǒng)體系M.北京:中國電力出版社，2003.3薛園園.USB應用開發(fā)技術大全M.北京:人民郵電出版社，2007.4MicrosoftCorporation.UniversalSerialBusSpecificationRevision1.1,1998.5ChrisCant著，孫義譯.WindowsWDM設備驅動程序開發(fā)指南M.北京:機械工業(yè)出版社，2000.6周立功等.USB2.0與OTG規(guī)范及開發(fā)指南M.北京:北京航空航天大學出版社，2004.7魏智.USBOTG設計J.國外電子元器件，2004，12:7273.8馬偉等.嵌入式USB主機系統(tǒng)的研究與設計J.計算機測量與控制，2003，5.9晃建剛等.通用串行總線設備的驅動.電子技術應用J，2002，12.10劉洋等.基于ARM系統(tǒng)硬盤接口的使用和文件管理J.電氣電子教學學報，2003，25(3).11衣曉峰等.USB外設控制器固件的設計J.微型電腦應用，2003，19(4):2730.12張宏偉.Linux系統(tǒng)下USB設備驅動程序的編寫J.計算機應用研究，2001，18(9):141146.13陽富民等.嵌入式LinuxUSBOTG設備驅動技術研究J.計算機工程與科學，2006，5:109111.14魏春鳳.基于USB接口的OTG應用技術的開發(fā)J.世界電子元器件，2005，11:5255.15周立功等.ARM微控制器基礎與實踐M.北京:北京航空航天大學出版社，2003:3480.16周立功等.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)實例M.北京:北京航空航天大學出版社，2004:6380.17胡曉軍.開發(fā)WDM型USB設備客戶驅動程序J.中國數(shù)據(jù)通信，2002，2:5153.18劉少峰，韋克平.USB軟件系統(tǒng)的開發(fā)J.計算機應用研究，2002，3:102104.19周振宇，谷海穎.基于USB總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計J.電子技術應用2002，2:1214.20王洪，顧本斗.USB設備的開發(fā).計算機工程與設計J，2002，3:6164.21JohnKoonandReneWillians.USBOTGApplicationinConsumerElectronicsR.USBOTGTechnologyandMarketReport,2005.22JohnKoonandReneWillians.USBOTGApplicationinConsumerElectronicsR.USBOTGTechnologyandMarketReport,2005.23USB論壇htp://24國家半導體公司/25驅動開發(fā)網(wǎng)htp://同組設計者無基于ARM的嵌入式USB主/從接口設計摘要USB具有易用、真正的熱插拔、高性能和系統(tǒng)造價低廉等優(yōu)點，也正是由于這些優(yōu)點，使它從書面的協(xié)議變成產品只用了不到兩年時間。簡單說來，USB系統(tǒng)包括:USB主機和USB設備。USB外設的開發(fā)和基于PC機的USB主機技術已經(jīng)相當成熟。相對于PC機上的豐富資源，嵌入式系統(tǒng)中有限的資源給基于嵌入式系統(tǒng)的USB主機系統(tǒng)開發(fā)帶來了很大難度。嵌入式USB系統(tǒng)的研究和開發(fā)將更進一步拓寬USB接口技術的應用領域。如何將USB應用到嵌入式領域，實現(xiàn)USB的點對點通訊，成為目前USB研究領域的熱點。本系統(tǒng)選擇了三星公司生產的AMR9芯片S3C2410作為CPU，使用飛利浦公司的USB接口芯片ISP1362，共同構成了USB主/從控制系統(tǒng)。OTG做為USB2.0的補充協(xié)議，旨在使USB接口兼具USB主機和從機的功能，實現(xiàn)兩個不同的外設間點對點的通信，從而一定程度上擺脫USB接口通信離不開PC機的束縛。在ARM和ISP1362構建的硬件平臺基礎上，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相關協(xié)議規(guī)劃主機端和設備端驅動程序結構，完成主機軟件系統(tǒng)設計，ISP1362的設備配置，設備端固件設計和PC端的驅動程序設計與開發(fā)，實現(xiàn)了基于ARM9的嵌入式USB主/從接口設計。關鍵詞：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簡介.11.1.3USB起源及發(fā)展過程.21.1.4USB的特點.21.2論文章節(jié)安排.4第2章USB技術概述.62.1USB基本規(guī)范的發(fā)展過程.62.2USB的機械和電器特性.72.3USB結構介紹.82.3.1總線的物理拓撲結構.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)傳輸類型.162.4.4USB設備枚舉.17第3章系統(tǒng)方案及硬件結構設計.183.1USB主/從接口設計.183.2ARM微處理器.183.3USB接口芯片.203.3.1ISP1362芯片介紹.203.3.2ISP1362內部功能結構.213.4系統(tǒng)硬件電路設計.223.4.1ISP1362操作模式.223.4.2硬件電路設計原理.143.4.3OTG接口的結構.243.4.4系統(tǒng)中主機和從機的確定.17第4章USB主機系統(tǒng)設計.274.1USB主機系統(tǒng)結構.274.1.1主機控制器及功能.274.1.2USB主機端驅動程序結構設計.274.2ISP1362主機端硬件初始化設計.284.3類協(xié)議的實現(xiàn).294.3.1USB設備類概述.294.3.2MassStorageClass協(xié)議及實現(xiàn).304.4FAT文件操作的實現(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從機系統(tǒng)設計.395.1USB設備配置.395.2ISP1362設備控制器的數(shù)據(jù)傳送.415.3USB設備端固件設計.425.3.1USB外部CPU(ARM)控制程序設計.425.3.2設備驅動基本程序設計.425.4PC端驅動程序設計.495.4.1Windows下設備驅動程序設計基本概念.495.4.2Win32驅動程序模型.495.4.3驅動程序基本例程設計及說明.515.5USB設備驅動程序開發(fā).50第6章總結.53參考文獻.54致謝.56附錄57基于ARM的嵌入式USB主/從接口設計第1頁共57頁第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(國際電機工程師協(xié)會)的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”(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，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內一個普遍被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)目前己經(jīng)廣泛地應用于軍事國防、消費電子、網(wǎng)絡通訊等各個領域。而在工業(yè)控制方面，基于嵌入式芯片的工業(yè)自動化設備也有了很大的發(fā)展，目前己經(jīng)有大量的8、12、36位嵌入式微控制器應用在工業(yè)過程控制、數(shù)控機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設備監(jiān)控、石油化工系統(tǒng)等領域，隨著技術的發(fā)展，32、64位的微處理器將逐漸成為工業(yè)控制設備的核心，在未來幾年內必將獲得更大的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)大至可以分為四類：(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