1、行業分析報告基于sic6008的usb協議棧的設計與實現學生姓名： 入學年份： 專 業： 電子與通信工程 研究方向： 多媒體應用與圖像處理 導 師： 時 間： 基于sic6008的usb協議棧的設計與實現摘要：本文介紹了數字衛星機頂盒的發展狀況及背景。然后介紹了sic6008出現的意義及背景?；趯ic6008的應用，本文簡要分析介紹了usb協議棧要在ecos操作系統下實現所涉及到的理論知識，最后對于要解決的問題提出了實現線路。關鍵字:數字衛星機頂盒 sic6008 ecos usb ehci mscthe design and implemention of the usb protoco

2、l stack based on the sic6008abstract: this paper introduces the development and background of the digital satellite set-box.then introduces the significance and background of the sic6008.based on the application of the sic6008,this paper analysises the involved theoretical knowledge about the implem

3、ention of the usb protocol stack on the ecos operarition system.key words: digital satellite set-box sic6008 ecos usb ehci msc一、 引言在信息化迅猛發展的社會進程中，便攜化的生活方式使得有線電視網、電信網和計算機網“三網融合”成為了必然。數字電視技術的發展也進入了一個全新的時期。衛星數字電視技術的出現使得我國偏遠山區和覆蓋盲區的群眾聽廣播看電視難的問題得到了有效解決。正是為了解決偏遠山區和覆蓋盲區群眾的聽廣播看電視難的問題，我國政府早于1998年正式啟動了廣播電視村村通

4、、戶戶通工程的項目建設。因此，在政府的大力宣傳與推廣下，數字衛星機頂盒也得到了突飛猛進的發展。 雖然近年來我國數字衛星機頂盒行業取得了很大的發展，但是在行業發展中也存在一些問題，但是最根本的問題仍是與國外技術相比仍然存在很大的差距。中國制造業由于缺乏核心技術，貼牌生產仍然是“中國制造”普遍的生存模式。很多高端產品表面上是中國生產，但是其核心技術仍然來自國外。為此四聯微電子迎合市場需求，自行研發了一款為客戶提供功能全面、安全可靠的衛星及地面標清機頂盒解決方案的芯片sic6008。它的產生對芯片制造業的升級以及數字衛星機頂盒行業有著深遠影響和重大意義。二、 usb協議棧實現相關技術協議介紹21 e

5、cos操作系統ecos可以說是嵌入式領域的一顆新星，全稱是embedded configurable operating system。絕大多數代碼使用c+寫作完成。ecos是redhat的產品，但ecos并不是linux或linux的派生。ecos彌補了linux在嵌入式應用領域的不足，是一個源碼開放的可配置、可移植、無版稅、面向深嵌入式應用的實時操作系統。ecos的核心部分是由不同的組件組成的，包括內核、c語言庫和底層運行包等。每個組件能提供大量的可配置選項，利用ecos提供的配置工具可以很方便地進行配置，從而通過不同的配置使得ecos能夠滿足不同的嵌入式應用。ecos 中c（config

6、urable） 表示的“高可配置性”。ecos 可以讓開發者像在玩積木般地自由選擇其執行期的元件，應用程序開發者可以針對自己的應用程序來設遲一個對其最小的rtos環境，這跟以往應用程序就是跑在一個完整的rtos上本質上不同，在嵌入式系統資源與內存寸土寸金的環境上，這樣的開發方式是很重要的。在以往的嵌入式開發方式都是自己手工的將rtos作縮減，對經驗不足或對該rtos不夠熟悉的人將會花去許多時間，或是根本很難將rtos拆開，但在ecos 上，由于設計之初就是朝向可設遲的原則，各種元件都遵守著模塊化的開發方式，而應用程序開發者只要使用ecos 中的配置，即可輕松簡單的對ecos 元件作量身打造，也

7、不需對其內部實作有所了解即時rtos的核心并提供標準系統api。此外，ecos另一個優點是他支持非常多的平臺和cpu，尤其是比較新的cpu比如arm的各個系列，dsp（blackfin）等。并且也支持很多硬件平臺。目前支持的cpu包括： arm, calmrisc, fr-v, h8, ia32, m68k, matsushita am3x, mips, nec v8xx, powerpc, sparc, superh支持的硬件平臺設備包括： flash, ethernet, 串口, usb, 時鐘等。ecos最大的特點是模塊化，內核可配置。如果說嵌入式linux太龐大了，那么ecos可能就能

8、夠滿足要求。它是一個針對16位、32位和64位處理器的可移植開放源代碼的嵌入式rtos。和嵌入式linux不同，它是由專門設計嵌入式系統的工作組設計的。ecos具有相當豐富的特性和一個配置工具，后者能夠讓你選取你所需要的特性。linux兼容的嵌入式系統在內核裁減后編譯出來的二進制代碼大小在500k字節以上，這還只包含最簡單的內核模塊，幾乎沒有加載任何其他的驅動與協議棧。但是ecos最小版本只有幾百個字節，一般一個完整的網路應用，其二進制的代碼也就100k字節左右。而且更為重要的是，ecos提供的linux兼容的api能讓開發人員輕松的將linux應用移植（這點和rtems很相似），與此同時，應

9、用程序不用跑在linux復雜的內核機制上（這套機制，對于大型服務器也許還湊合，但是對于短小精干的嵌入式應用，太浪費了），大大節省了你的晶振和ram。因此出于對市場和成本等多方面的考慮，公司決定在該系統下實現usb協議棧。22 usb協議規范隨著計算機硬件飛速發展，外圍設備日益增多，鍵盤、鼠標、調制解調器、打印機、掃描儀早已為人所共知，數碼相機、mp3隨身聽接踵而至，這么多的設備，如何接入個人計算機？因此，usb1.0由此產生，但其速度只能達到1.5 mbps。隨后usb1.1標準產生，其接口傳輸速率為12mbps，但是一個usb設備最多只可以得到6mbps的傳輸頻寬。隨著usb設備被廣泛應用，

10、它僅為12mbps的傳輸速率成為了制約自身發展的瓶頸。接著usb 2.0接口標準便應運而生。它將傳輸速率提高達到了480mbps，暫時滿足了用戶高速傳輸的要求。但是隨著技術的發展，480mbps的傳輸速度不能滿足未來應用環境的要求。由intel、微軟、惠普、德州儀器、nec、st-nxp等業界巨頭組成的usb 3.0 promoter group于08年12月6日宣布，該組織負責制定的新一代usb 3.0標準已經正式完成并公開發布。新規范提供了十倍于usb 2.0的傳輸速度和更高的節能效率，可廣泛用于pc外圍設備和消費電子產品。雖然usb2.0接口，已經在計算機業界泛濫成災，但是就像傳統的dv

11、d播放機一樣，科技在進步我們也需要更逼真更清晰的高清影像。同樣在計算機中，我們也希望得到一種數據傳輸速率更快的接口。2008年11月26日，usb促進委員會正式向全世界宣布，下一代usb3.0接口規范已經制定完畢！ usb3.0將支持高達5.0gb/s的數據傳輸速度。它幾乎是傳統usb2.0接口的10倍。雖然目前的usb2.0接口已經被打上了“高速usb”的烙印，但是usb促進委員會還是拿出了全新的頂級usb3.0規范，經過一番激烈的討論之后，他們最終將這個接口定義為“superspeed usb”超高速usb接口。根據課題的需要，以下主要介紹一下usb2.0的相關內容。（一）usb 體系us

12、b 體系包括“主機”、“設備”以及“物理連接”三個部分。其中主機是一個提供usb接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復合體，可以是pc，也可以是otg設備。一個usb 系統中僅有一個usb主機；設備包括 usb功能設備和 usb hub，最多支持 127個設備；物理連接即指的是usb 的傳輸線。在usb 2.0系統中，要求使用屏蔽的雙絞線。usb 體系采用分層的星型拓撲來連接所有 usb設備，如圖1所示：圖1 usb 體系拓撲圖以 host-root hub為起點，最多支持 7 層（tier），也就是說任何一個usb 系統中最多可以允許 5個 usb hub 級聯。一個復合設備（compou

13、nd device）將同時占據兩層或更多的層。usb協議定義了四種傳輸類型：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸、同步傳輸。它們的優先級別不同，由高到低分別為：同步傳輸、中斷傳輸、控制傳輸、批量傳輸。1、控制傳輸控制傳輸是一種可靠的雙向傳輸，一次控制傳輸可分為三個階段。第一階段為從host到device的setup事務傳輸，這個階段指定了此次控制傳輸的請求類型；第二階段為數據階段，也有些請求沒有數據階段；第三階段為狀態階段，通過一次in/out 傳輸表明請求是否成功完成。控制傳輸通過控制管道在應用軟件和 device 的控制端點之間進行，控制傳輸過程中傳輸的數據是有格式定義的，usb 設備或主機可根據

14、格式定義解析獲得的數據含義。其他三種傳輸類型都沒有格式定義。主要用于在設備連接時對設備進行枚舉以及其他因設備而已的特定操作。2、中斷傳輸中斷傳輸是一種輪詢的傳輸方式，是一種單向 單向 單向 單向的傳輸，host通過固定的間隔對中斷端點進行查詢，若有數據傳輸或可以接收數據則返回數據或發送數據，否則返回nak，表示尚未準備好。 中斷傳輸的延遲有保證，但并非實時傳輸，它是一種延遲有限的可靠傳輸，支持錯誤重傳。用于對延遲要求嚴格、小量數據的可靠傳輸，如鍵盤、游戲手柄等。3、批量傳輸批量傳輸是一種可靠的單向傳輸，但延遲沒有保寬來完成傳輸，適合數據量比較大的傳輸。高速的批量端點必須支持ping 操作，向主

15、機報告端點的狀態，nyet 表示否定應答，沒有準備好接收下一個數據包，ack 表示肯定應答，已經準備好接收下一個數據包。用于對延遲要求寬松，大量數據的可靠傳輸，如u盤等。同步傳輸：用于對可靠性要求不高的實時數據傳輸，如攝像頭、usb 音響等。（二）數據流模型usb 體系在實現時采用分層的結構，如圖2所示：圖2 usb的數據流模型在 hsot端，應用軟件（client sw）不能直接訪問 usb 總線，而必須通過usb系統軟件和usb主機控制器來訪問 usb 總線，在 usb總線上和usb 設備進行通訊。從邏輯上可以分為功能層、設備層和總線接口層三個層次。其中功能層完成功能級的描述、定義和行為；

16、設備級則完成從功能級到傳輸級的轉換，把一次功能級的行為轉換為一次一次的基本傳輸；usb 總線接口層則處理總線上的bit流，完成數據傳輸的物理層實現和總線管理。途中黑色箭頭代表真實的數據流，灰色箭頭代表邏輯上的通訊。usb 系統中數據的傳輸，宏觀的看來是在host 和 usb 功能設備之間進行；微觀的看是在應用軟件的 buffer 和 usb 功能設備的端點之間進行。一般來說端點都有 buffer，可以認為usb通訊就是應用軟件buffer和設備端點buffer之間的數據交換。23 ehci簡介ehci（enhanced host controller interface）增強型主機控制器接口規

17、范描述了一個通用串行總線（usb）2.0版的主機控制器的寄存器級接口。linux usb 驅動程序有三種不同的 usb 主控制器選項是因為在主板和 pci 卡上有三種不同類型的 usb 芯片。ehci驅動程序設計成為實現新的高速 usb 2.0 協議的芯片提供支持。ohci驅動程序用來為非 pc 系統上的（以及帶有 sis 和 ali 芯片組的 pc 主板上的）usb 芯片提供支持。uhci驅動程序用來為大多數其它 pc 主板（包括 intel 和 via）上的 usb 實現提供支持。只需選擇與希望啟用的 usb 支持的類型對應的?hci驅動程序即可。如有疑惑，為保險起見，可以啟用ehci、u

18、hci （兩者中任選一種，它們之間沒有明顯的區別）和ohci。（趙明注：根據文檔，ehci已經包含了uhci和ohci，但目前就我個人的測試，單獨加ehci是不行的，通常我的做法是根據主板類型加載uhci或ohci后，再加載ehci這樣才可以支持usb2.0設備）。 (ehci 只支持高速（hs）模式，uhci/ohci 都只支持全速或低速(fs/ls)設備，所以echi必選，uhci ohci一個就可以了，這樣高速、全速、低速設備才會都能枚舉到) 。一個usb host系統由多個硬件和軟件層構成，下圖從架構概念上描述了這樣一個usb host系統：圖3 usb host系統架構這些硬件和軟件

19、層是：1. client driver software層，這軟件層在host端執行，訪問特定的usb設備。2. usb driver (usbd)，這是usb總線的系統軟件層，它在相應操作系統中抽象下面提到的相應host controller driver的具體細節。3. host controller driver (xhcd)，這是介于特定host controller硬件和usbd之間的軟件層，它特定于host controller硬件的寄存器接口定義。4. host controller (xhc)，這是usb 2.0的host controller具體硬件實現層。5. usb de

20、vice，這是實現終端用戶功能的usb硬件設備，對該設備的交互訪問流從應用程序，經過軟件和硬件層，最后到該設備上。24 msc大容量存儲設備類usb大容量存儲設備類（the usb mass storage device class）是是一種計算機和移動設備之間的傳輸協議，它允許一個通用串行總線（usb）設備來訪問主機的計算設備，使兩者之間進行文件傳輸。usb海量存儲設備類包括通信協議定義和通用串行總線運行的計算。較常見的大容量存儲設備有u盤以及移動硬盤。本標準規定了各種存儲設備的接口。 圖4 usb數據流向圖上圖為u盤usb數據流向圖。由圖可以進一步了解實現u盤驅動的整個流程。本課題首先要達

21、到的目的就是大容量存儲設備u盤在sic6008硬件平臺環境中完成在ecos操作系統下的識別工作。三、 嵌入式系統下usb發展現狀隨著嵌入式應用的普遍發展，以及移動電子產品的大量出現，設備之間直接通信的需求也越來越大，usb占據了嵌入式設備與其他設備之間通信的主要角色。通用串行總線(usb)具有即插即用、熱插拔、易擴展和高傳輸速率等優點，但是在嵌入式應用領域，這正是usb的一個致命弱點。因此，要想在無pc機的情況下要實現此功能，就是在嵌入式系統中集成并實現usb host功能。usb的拓撲結構中居于核心地位的是host，任何一次usb的數據傳輸都必須由主機來發起和控制，所有的usb外設都只能和主

22、機建立連接，任何兩個外設之間或者兩個主機之間無法直接通信。而目前,pc是扮演主機的主要角色。嵌入式usb host 作為usb的延伸，國內外對其的研究正處于積極研究和發展的階段。國內不少公司也將嵌入式usb運用運用在其產品中，但是技術還不是很成熟，而且其源碼都不是對外開放的。因此，對ecos系統下的usb協議棧的實現是具有實際意義價值的。半導體行業隨著其多樣化與平臺化發展趨勢，已經由硬件提供逐步轉向方案提。隨著行業的整合，解決方案的地位已經彌足輕重。而usb這一成熟廣泛的接口技術在解決方案中處于核心位置，它的高效率、通用性以及穩定性是任何嵌入式企業的必爭之地。四、 下一步工作搜集相關資料，了解

23、usb協議棧，ehci協議，msc等相關協議的工作方式。比較分析不同操作系統下的usb協議棧的實現方法。將usb驅動程序在簡單的操作系統下運行，查看運行結果。然后分析usb協議，設計其在ecos系統下為設備驅動端提供的軟件接口。然后完成此協議棧在ecos系統下的實現。最后在sic6008芯片的數字衛星機頂盒這個開發平臺來進行測試驗證。五、六、七、 待添加的隱藏文字內容2參考文獻1 宿勇. linux 下usb host controller driver 的研究與實現d.北京:中國地質大學, 2009年.2 李嘉玲. 通用串行總線usbj. 電子技術.2000年03期.3 陳曉陽,謝敏. us

24、b主機嵌入式化的應用和發展c.廣西計算機學會2004年會論文集. 2004.4 葉軍. 基于usb海量存儲設備類規范的文件傳輸系統設計d.華中科技大學 2004.5 卞廷波,王忠仁.usb mass storage類的設備端固件開發j.實驗科學與技術.2005(04).6 肖踞雄,翁鐵成,宋中慶.usb 技術及應用設計m.北京：清華大學出版社，2003.11.7 axelson j.usb mass storagem.madison;lakeview research llc(independent publisher group),2006.8 龔家華,易志雄,劉衛忠.基于數字機頂盒的嵌入式

25、usb主機接121設計j電視技術,2005.9 胡曉軍，張愛成.usb接口開發技術m.西安：西安電子科技大學出版社，2005.10 高鑫.嵌入式usb主機系統的設計研究d.合肥：合肥工業大學，2005.11 劉嵐,張永昌.嵌入式usb主機的設計及其應用j. 機械與電子. 2007(07).12 on-the-go compliance plan for the usb 2.0 specification, revision 1.0.august 12, 2003.13 萬婷婷.usb接口開發及功能實現d. 西安電子科技大學,2011.14 吳元友.嵌入式usb host與otg功能的研究d. 哈爾濱理工大學,2009.15 韓春喜.計算機總線技術應用實例m.北京:化學工業出版社,2010.16 alberto