基于usb2.0總線技術(shù)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)踐與研究

1、摘要摘 要U S B 總線從其產(chǎn)生到現(xiàn)在， 經(jīng)歷了 一個(gè)從發(fā)展到成熟的階段，它具有支持熱插拔和即 插即 用， 接口 容易擴(kuò)展等特點(diǎn)， 這些 特點(diǎn) 讓它在其他外部總線的 競爭中 獲勝， 成為當(dāng) 今微機(jī)的主流外部總線。 F P G A技術(shù)己 經(jīng)歷了二十年的發(fā)展歷史.在這十幾年的發(fā)展過程中，以F PG A為代表的 數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù)取得了 驚人的 發(fā)展。由 于F P GA 不僅可以 解決電子系統(tǒng)小型化、 低功耗、高可靠性等問 題，而且開發(fā)周

2、期短、開發(fā)軟件投入少、 芯片價(jià)格不斷降 低，這些優(yōu)點(diǎn)促使其越來越多地取代了 A S IC的市場， 特別是對小批量、多品 種的產(chǎn)品需求， 是 F PG A 成為首選。 U S B 技術(shù)和F P GA 技術(shù)的結(jié)合將提供一種高密度專用數(shù)字集成電 路與P C機(jī)相連接的解決方案，使開發(fā)人員輕松設(shè)計(jì)出 便攜式的 復(fù)雜數(shù)字電 路系統(tǒng)。另一方面， 計(jì)算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)是高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中的一個(gè)重要組成部分， 它與計(jì)算機(jī)原理課相結(jié)合， 通過課堂教學(xué)和動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)

3、合的方法， 讓學(xué)生對微機(jī)的體系結(jié) 構(gòu)、組成原理等有一個(gè)全面細(xì)致的 理解。 雖然 U S B 總線技術(shù)己 成為了 主 流 的 外 部 總 線 技 術(shù) ， 但 詳 細(xì) 介 紹u s B Z . 。 協(xié) 議 的 微 機(jī) 原 理 實(shí) 驗(yàn) 設(shè) 備 還 很 少 ， 因此， 有必要設(shè)計(jì)一套基于U S B Z. 0 總線的實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)， 讓學(xué)生能夠真正了 解U sB總線的內(nèi) 部機(jī)制.本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)基于 u sb Z. 0 總線， 專門為微機(jī)原

4、理設(shè)備總線實(shí)驗(yàn)課而設(shè)計(jì)， 使學(xué)生能夠很好的理解 u sb Z. 0 協(xié)議， u sb 設(shè)備的 組成和工作原理，驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)以 及外圍電 路的設(shè)計(jì)， 并為學(xué)生進(jìn)行設(shè)備的開發(fā)留出了 余地。實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)使用 C 語言， 參考U S B Z. 0 的 協(xié)議規(guī)范實(shí) 現(xiàn)了 其邏輯協(xié)議部分， 編譯后下載到單片機(jī)中 與實(shí)現(xiàn)物理協(xié)議部分的i s P 15 8 1芯片一起構(gòu)成了U S B Z. 0 的接口 部分， 完成了 數(shù)據(jù)從P C 機(jī)到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的 數(shù)

5、據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的 外圍電 路用A lt e r a的F P G A芯片 控 制， 學(xué)生可 用硬件描 述語言 對其編程， 實(shí)現(xiàn) 對數(shù) 碼管， 信號燈的 控制， 通過擴(kuò)充可加入自 己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。關(guān)鍵詞:U sB 總線 計(jì)算機(jī)原理實(shí) 驗(yàn) F P GA 仰M 驅(qū)動(dòng)程序 固件第一章 緒論第一章 緒論通用串 行總 線 ( U n i v e r s a l s e r l a 1 B u s ， u s B ) 是一種高性能 1業(yè)串 行總 線標(biāo)準(zhǔn)

6、。 U S B采用一個(gè)4 針的插頭為作為標(biāo)準(zhǔn)插頭， 可以 將鍵盤、鼠 標(biāo)、 打印 機(jī)等不同計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的接口 統(tǒng)一 起來，并可以 采用菊花鏈的形式把所有的 外設(shè)連接起來而不損失帶寬。 U S B 這個(gè)當(dāng) 今主流的 外部總線將作為 P c 外設(shè)擴(kuò)展的新途徑， 得到了 眾多廠商的 認(rèn)可和支持， 所以 學(xué)習(xí) 微機(jī)原理這門 課程的學(xué)生， 有必要了解此總線的 有關(guān)知識，基于這個(gè)目 的 本人設(shè)計(jì)了 此套實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)。第一節(jié) 開發(fā)背景隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)

7、、 通信技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展以 及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及， 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除了 包括顯示器、鼠 標(biāo)和鍵盤等基本外圍設(shè)備，還包括越來越多 數(shù)字化設(shè)備， 如打印機(jī)、 掃描儀、 林 o de m、麥克， 數(shù)碼相機(jī)，等等。 這些日 益多 樣化的設(shè)備并沒有統(tǒng)一的 接口 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備的安裝和配置都比 較復(fù)雜。 例如， 連接打印 機(jī) 要 用2 5針 的 并 行 接口 ， 鼠 標(biāo) 則 用9 針 或2 5針 的 串 行 接口 ， 而 某 些 設(shè) 備 則需要使用專門

8、 插卡。 相對于外設(shè)種類和數(shù)量的 增多， P C 機(jī)的 傳統(tǒng)接口 從系統(tǒng)與用戶兩個(gè)角度都呈現(xiàn)出 其固 有限制。 從系統(tǒng)角度， 其一， 計(jì)算機(jī)端口 資源 ( 1 / 0地址、 I R Q和D M A 等) 有限: 其二， 計(jì)算機(jī)提供的接口 個(gè)數(shù)有限， 通過添加板卡擴(kuò)充接口的方法無法根本解決問 題;其三，接口 數(shù)據(jù)傳輸不能 滿足外設(shè)所提出的 更 高 要 求 ， 如 更 高 速 度 和 雙向 數(shù) 據(jù) 傳 輸 。 總 之 ， 傳 統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī)

9、 接口 己 不 能 滿 足計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。在此背景 下， 1 9 9 5 年， 由C o m p a q 、 D i g i t a l E q u i p m e n t 、 I B M 、 I n t e l 、 M i 。 r o s o f t 、N E C 和N o r t h e r n T e l e c o m 七家公 司組 成聯(lián)盟， 并建 立u S B 一 I F ( u s B 實(shí) 施者論 壇) ，決定將最

10、初為將電 話接入 P C 機(jī)而設(shè)計(jì)的U sB 作為一種計(jì)算機(jī)外設(shè)標(biāo)準(zhǔn)來推廣。1 9 9 6 年， U S B 一 I F 發(fā)布為U S B 規(guī)范1 . 0 ，為U S B 產(chǎn)品提出 設(shè)計(jì)要求。1 9 9 8 年9 月2 3 日 ， U S B 一 工 F 發(fā) 布U S B 規(guī)范1 . 1 。 該 版本為目 前 計(jì)算 機(jī)操作系統(tǒng)以 及硬 件平臺(tái)廣泛支持的 版本。 最新版本U S B 20 發(fā)布于2 0 0 0 年4 月2 7 日 ， U