USB OTG技术在流媒体高清播放系统中的设计与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.44MB 63 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 开发背景
随着计算机（Computer），通信（Communication）和消费电子（Consumer
Electronic）技术的发展，“3C”技术的融合成为人们关注的焦点，将三类电子产品
的功能互相渗透、互相融合，可以使其功能更加智能化、多元化，使用更加方便。
因此随着人们消费水平的提高，包括电视在内的家电产品应该不仅仅只起到其本
身自有的功能，在电视行业进行技术创新，生产具有特色功能的产品是今后平板
电视发展的主要方向。数字化和网络化的发展将会让传统的彩电发生质的功能上
的变化。平板电视“3C”化将成为市场发展的必然趋势。
目前，流媒体音视频一般是通过流媒体播放软件在 PC 上收看，而要达到真正
的视听享受，则应采用具有流媒体解码能力的多媒体终端通过高清晰度电视收看，
让用户可以通过电视观看互联网上发表的任何多媒体内容，更可以将各种家庭数
字化终端通过网络连接起来，构建信息化家庭。具有流媒体播放功能的信息家电
数字终端，将会成为未来消费电子类产品的主流趋势，最终推动宽带流媒体应用
服务真正融入到用户的生活中去。
以Intel 为首的七家公司于 1994 年推出了 USB（universal serial bus, 通用串行
总线）总线协议，USB 具有即插即用，扩展方便等优点，USB-IF（USB Implementers
Forum, USB 开发者论坛）于 2000 年发布了 USB2.0 协议[1]，该协议将 USB 总线的
传输速率提高到 480Mbps。传输速率的提高使具有 USB 接口的多媒体数码设备大
量涌现，如 MP3 播放器、数码相机、手机等等。在 USB 的拓扑结构中居于核心地
位的是 USB 主机（USB host），目前典型的扮演主机角色的是个人电脑（PC），而
目前我们所能买到和使用的 USB 移动硬盘、提供 USB 接口的数码相机等所扮演的
角色是 USB 设备（USB device），所有的 USB 设备都只能和 USB 主机交换数据，
而USB 设备和设备之间或 USB 主机与主机之间不能交换数据，比如 PC 和PC 之
间或者移动硬盘和数码相机之间目前都不能实现点对点通信。
日常生活中人们经常有这样的应用需要：移动硬盘上有音乐和电影文件，想
直接拷贝到 mp3 或mp4 播放器上来；换掉手机，买部新的 PDA，想将手机里的电
话簿直接拷贝到 PDA 中；出外旅游，想将数码相机中的数码照片直接在身边的打
印机中打印出来。在以上这些场景中我们目前都只能将移动硬盘、手机、数码相
机等 USB 设备先连接到 USB 主机（比如 PC）上，利用 USB 主机作为中转站实现
USB 设备间的数据交换[2]。
随着电子产品的日益普及和消费者消费水平的不断提高，人们对于直接将
USB OTG 技术在流媒体高清播放系统中的设计与实现
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图1.1 具有流媒体播放功能的高清电视示意图
USB 设备进行互连的需求越来越多，USB OTG（USB On-The-Go）协议因此而提
出。USB OTG 是USB2.0 协议的补充协议，其核心是在各种移动设备上实现 USB
主机和 USB 设备的双重功能，使移动设备作为 USB 主机时可以和另外特定的一组
USB 设备直接通信，并且可以在不改变 USB 线缆连接方式的情况下实现移动设备
在USB 主机和 USB 设备角色之间切换[3]，由此便解决了移动设备间的点到点通信
问题。USB OTG 协议的提出又一次大大扩展了 USB 总线的应用范围，实现诸如
用数码相机直接连接打印机打印数码照片这样的功能对于支持 USB OTG 协议的
移动设备来说将不再是梦想。
本课题来源于上海晶晨半导体有限公司与青岛海尔集团合作开发的数字电视
流媒体播放系统。具有流媒体播放功能的高清数字电视功能示意图如图 1.1 所示。
流媒体是一种不同于传统的下载、回放方式的多媒体格式，它能从网络上获
取音频和视频等连续的多媒体流，客户端可以边接收边播放，而不用等到完全下
载到客户端再播放。网络上常见的流媒体音视频文件格式有：mp3, AAC, rm, asf,
mov 等等。另外流媒体播放系统巧妙地将通用串行总线技术应用于高清平板电视
中，以平板电视作为播放终端将各种格式的图片、音频和视频进行高清播放。同
第一章 绪论
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时USB 总线使用方便，常见的移动设备一般都支持 USB 接口，所以只需一到两个
USB 接口，就可以完成系统和常见移动设备的通信。目前各类设备的接入使电视
连线越来越多，USB 总线的通用性和灵活性可以消除由此给消费者带来的不便，
这样的解决方案无疑具有很强的实用性。
§1.2 USB OTG 简介
在USB 拓扑结构中，任何一次数据传输只能由 USB 主机来发起和控制，USB
设备必须和 USB 主机建立联系并与之通信，主机和主机之间或者设备和设备之间
不能进行直接通信[4]。USB-IF 发布了的专门用于 USB 设备间互连的 USB2.0 补充
协议——USB OTG 协议，是专门为嵌入式系统开发所规范的通用标准，让 USB
技术可以方便地应用在各种移动设备中，USB OTG 协议使各种移动设备承担起
USB 数据传输发起和控制的任务。
USB OTG 协议不是一个独立的文档，这个协议只定义了一小部分针对 USB2.0
协议的改动，其它的细节都遵循 USB2.0 协议的定义[5]。
USB OTG 协议修改了 USB
接口的针脚定义和接口外形，定义了更小而便捷的连接接口；为解决便携式设备
电池供电有限的问题，USB OTG 定义了最小为 8mA 的总线电流；USB OTG 协议
增加了支持主机交流协议（Host Negotiation Protocol）和会话请求协议（Session
Request Protocol），使移动设备可以在主机和设备之间切换角色及在设备未连接时
关闭总线电源[6]。
要实现整个的 USB OTG 协议中主机功能，除了要实现对设备的上电检测、设
备重启、读取设备描述符、分配地址等等操作外，还要针对 USB 协议定义的各种
标准类协议实现对各种设备类的支持，每一种标准的设备类有一套完整的类协议
来描述其在功能抽象层上的各种功能和特性，根据每种设备自身的特点规定数据
传输的方式[7]。USB 类协议使得 USB 芯片生产厂家和开发者都以相同的标准来设
计特定的设备类，增强了各种设备之间的通用性。
USB OTG 的应用前景十分广阔，据权威机构预测，到 2007 年，全球 USB 端
口使用数将由目前的 15 亿剧增到 43 亿。USB OTG 技术将在更多领域迅猛发展。
§1.3 本论文的工作
本课题在 32 位高性能专用音视频处理器 AML3400 的基础上对流媒体播放器
的嵌入式系统进行了分析和设计：
(1)在深入研究流媒体技术的基础上进行流媒体播放系统方案的设计与实现，
系统研究了音视频编码技术及流媒体技术及其实现。
(2)在深入理解 USB 体系结构基础上，分析 USB2.0 和USB OTG 协议，研究
USB 系统主从端之间的通信联系；研究 AML3400 和TD242 芯片的结构和引脚定
USB OTG 技术在流媒体高清播放系统中的设计与实现
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义，制定方案的 USB 接口硬件设计；开发 USB OTG 驱动程序。虽然 USB 通用串
行总线接口已是一个成熟的国际工业标准，在很多领域的使用也比较普及，但是
给特定的产品开发具有特定功能的 USB 接口，还是需要克服相当多的具体的困难。
(3)进行播放器人机交互界面的设计，编写多级播放菜单操作程序。
(4)为了满足产品性能的需求，对软件进行必要的优化。
(5)对最终的样机进行详细的功能和性能测试工作。
§1.4 论文的结构安排
这里从总体上简要介绍一下本论文的章节安排与主要内容：
第一章是论文的绪论部分，从整体上对开发背景进行了介绍。对嵌入式流媒
体播放器技术和 USB OTG 技术的当前发展状况进行了分析，并对论文研究的意义
进行了探讨。
第二章研究了 USB 通信协议及 USB OTG 协议。包括 USB 系统数据通信模型，
系统组成拓扑结构及软硬件构成，还介绍了 USB OTG 规范的机械和电器特性及
OTG 协议对 USB2.0 协议的补充内容。
第三章是流媒体技术及流媒体处理过程研究，分析了流媒体技术的原理及主
要流媒体协议，介绍了流媒体系统的组成，详细解释了流媒体处理中的数据压缩
方法及常见的流媒体格式。
第四章介绍了流媒体播放器硬件设计，介绍了主芯片和接口接口芯片的选择，
芯片功能说明，控制总线、数据总线和地址总线的连接。
第五章阐述了 USB OTG 驱动软件的实现，是本文软件系统设计的核心部分。
采用层次化软件设计方法设计了整个 USB 协议栈的实现代码，并总结了驱动开发
中应注意的问题。
第六章介绍了软件代码完成后，为了达到更好的运行效果，对代码进行了进
一步的优化，包括编译器优化、程序结构优化及高级语言优化等，并详细介绍了
高级语言代码优化的原则与方法，测试了优化后的软件的性能。
第七章是对本论文的总结，列举了本人在此课题开发中的种种收获和不足之
处，也展望了多媒体网络终端的发展方向。
第二章 USB OTG 协议分析
5
USB Host USB Device
图2.1 精简的USB系统模型
第二章 USB OTG 协议分析
USB 是Intel 等公司联合制定的新型总线接口标准。接口标准涉及信号线的定
义、信号传输速率、传输方向、拓扑结构以及电器特性和机械特性等[8]。一般来说
不同类型的外设有不同的接口及接口标准，只有符合接口标准的外设才能使用，
比如传统的串行接口标准，并行接口标准。随着计算机技术的迅速发展，新型的
接口标准如 USB 和IEEE1394 等允许同时连接多种不同的外设，具有某种通用性。
其基本设计思想是采用通用的连接器、自动配置及热插拔技术和相应的软件，实
现资源共享和外设简单快速连接[9]。USB 菊花链式星形总线结构配以用 hub 作为
“中转站”的模式能够同时支持多达 127 个外设的同时连接，并且解决了传统计
算机接口标准各自独立、互不兼容、无法共享并且安装配置亦很麻烦的问题。
USB 是完全规范化和标准化的接口标准，要实现与各个不同厂家、不同设备
间的可靠通信，就要完全遵守 USB 的相关协议和规范，这其中包括了硬件的标准
和软件的协议。
§2.1 USB 系统数据通信模型
USB 系统以 USB 主机为核心，以外围的 USB 设备为功能，组成了系统模型。
图2.1 表示一个最简单的 USB 系统的模型结构。USB 提供的是主机和设备之间的
一种数据通信服务。USB 主机是 USB 通信系统的核心，每一次数据通信都必须是
由USB 主机发起的（远程唤醒模式除外）。USB 主机与 USB 主机之间或者 USB
设备与 USB 设备之间不能直接通信。
§2.1.1 USB 系统组成及拓扑结构
USB 系统由三种元素构成：USB 主机，hub 和USB 设备。由这三部分组成的
USB 系统拓扑结构如图 2.2 所示。
USB 采用了与串行总线、并行总线以及 I2C总线等完全不同的星形拓扑结构，
用户可以将 USB 设备和 hub 连接到根 hub（root hub）上，hub 又可以连接下一级
的hub 和USB 设备。这种星形拓扑结构可把多达 127 个USB 设备同时连接到 USB
USB OTG 技术在流媒体高清播放系统中的设计与实现
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Host/Root hub
Device Hub Device
Hub Device
Device Device
图2.2 USB总线拓扑结构
主机上，所有的 USB 设备通过协议来共享 USB 的带宽。USB 允许 USB 设备在
USB 主机和其他 USB 设备工作时进行连接、配置、使用及移除，即所谓的即插即
用。
USB 总线最吸引人的特点是可以避免诸如 PC 等产品上设置过多类型的 I/O 端
口，而以一个通用端口取代，使设备间的连接更加容易。
根hub 提供了主机控制器与一个或多个 USB 设备的连接，根 hub 在USB 拓扑
结构中和普通 hub 起相同的作用。hub 在USB 体系中的作用基本上是固定的，从
hub 固件、硬件到 USB 主机中对 hub 支持的类协议软件等基本上都是不变的，唯
一不同的是根 hub 和主机控制器之间的接口是由特定的硬件实现的，其设计是单
一的，USB 芯片厂商一般将 hub 的软硬件都设计在芯片之内。因此无论是根 hub
还是普通 hub 的设计主要是硬件电路的搭建，并且直接利用集成的 USB hub 芯片
就可以了，无需开发者编写任何主机端的驱动程序或者 hub 的固件。
基本的 USB 互连通信模型如图 2.3 所示，
USB 主机和 USB 设备都被清晰的划
分为三个层次。纵向的箭头显示了 USB 主机或 USB 设备内部的通信情况[10]，
USB
主机与 USB 设备之间的通信最终通过在物理线缆上传送的差模信号实现。图 2.3
中所示的最下一层主要实现物理信号的交换，也就是在 USB 主机控制器与设备上
的USB 总线接口之间的二进制数据的传输。中间一层主要提供 USB 基本的协议栈，
执行和处理通用的 USB 的各种操作和请求命令，从逻辑上看，就是 USB 主机上系
第二章 USB OTG 协议分析
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用户软件 功能单元
USB系统软件 USB逻辑设备
USB总线接口 USB总线接口
实际数据流
逻辑数据流
Host Device
图2.3 USB互连通信模型[3]
统软件与 USB 逻辑设备之间的数据交换。最上边一个层次分别是 USB 主机端和设
备端所需的特定的功能，主机端的功能由用户软件和各种类驱动程序提供，而设
备端功能由特定的功能单元来实现。
§2.1.2 USB 主机端软硬件构成
按照 USB 协议的规定，USB 主机完成的功能主要是五个方面[9]。
(1)检测 USB 设备的连接和断开。USB 主机通过识别 USB 电缆信号线上的电
平变化来实现该功能，并交由主机控制器处理。
(2)管理主机和设备之间的标准的控制管道。USB 主机需要保证端点 0和缺省
管道的正常通信。
(3)管理主机和设备之间的数据流。USB 协议定义了各种数据传输方式和数据
结构，它们会最终被转换成最底层的差模信号进行传输。
(4)收集设备的状态，统计总线的活动。USB 总线上最多可以挂接 127 个设备，
这么多的设备要能正常工作，就需要 USB 主机进行管理，同时主机会根据收集到
的各种设备和总线信息来执行某些操作。
(5)控制和管理主机控制器与设备之间的电器接口。USB 主机需要为端口提供
一定额定量的电流。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1开发背景随着计算机（Computer），通信（Communication）和消费电子（ConsumerElectronic）技术的发展，“3C”技术的融合成为人们关注的焦点，将三类电子产品的功能互相渗透、互相融合，可以使其功能更加智能化、多元化，使用更加方便。因此随着人们消费水平的提高，包括电视在内的家电产品应该不仅仅只起到其本身自有的功能，在电视行业进行技术创新，生产具有特色功能的产品是今后平板电视发展的主要方向。数字化和网络化的发展将会让传统的彩电发生质的功能上的变化。平板电视“3C”化将成为市场发展的必然趋势。目前，流媒体音视频一般是通过流媒体播放软件在PC...

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作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：63 页 大小：2.44MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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