CN114218138A - 一种usb设备模拟装置及测试*** - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种USB设备模拟装置及测试***，该USB设备模拟装置应用于FPGA，包括一个或多个数据处理模块，数据处理模块的个数根据待模拟USB设备的个数确定，每一数据处理模块包括数据收发控制器和转换模块；与主机端及所有数据处理模块连接的集线器；控制器，用于根据待模拟USB设备的设备特性对每一待模拟USB设备对应的数据收发控制器进行配置，还用于根据模拟需求对集线器进行配置。本申请能够保证模拟的USB设备从底层信号到上层数据同真实设备基本相同，还可以同时模拟多个不同种类USB设备。

Description

一种USB设备模拟装置及测试***
技术领域
本申请涉及USB设备领域，特别涉及一种USB设备模拟装置及测试***。
背景技术
在实现了主机控制器功能的***上，为了验证控制器的稳定性及设备兼容性，往往需要准备大量不同种类的USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)设备进行实机测试，专利CN201310033144.2提供了一种USB设备模拟方法，但是该方案是一种软件实现方案，仅实现了在信号层之上进行的USB设备的模拟，底层信号传输需要借助于运行该软件的PC机，因此，该方案无法实现USB底层信号传输的模拟。此外，由于软件无法实现真正的并行运行，在模拟多USB设备的场景下，模拟出来的USB设备与真实USB设备仍存在较大差异。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种USB设备模拟装置及测试***，能够保证模拟的USB设备从底层信号到上层数据同真实设备基本相同，还可以同时模拟多个不同种类USB设备。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种USB设备模拟装置，应用于FPGA，该USB设备模拟装置包括：
一个或多个数据处理模块，所述数据处理模块的个数根据待模拟USB设备的个数确定，每一所述数据处理模块包括数据收发控制器和转换模块，所述转换模块，用于将主机端发送的差分信号转换为接收数据，还用于将发送数据转换为差分信号发送至所述主机端，所述数据收发控制器，用于解析所述接收数据中的指令并响应，生成所述发送数据；
与所述主机端及所有所述数据处理模块连接的集线器；
控制器，用于根据所述待模拟USB设备的设备特性对每一所述待模拟USB设备对应的所述数据收发控制器进行配置，还用于根据模拟需求对所述集线器进行配置。
可选的，该USB设备模拟装置还包括：
存储模块，用于存储每一所述待模拟USB设备的描述符；
相应的，所述根据所述待模拟USB设备的设备特性对与待模拟USB设备对应的所述数据收发控制器进行配置的过程包括：
将每一所述待模拟USB设备的描述符在所述存储模块中的地址发送给该待模拟USB设备对应的所述数据收发控制器。
可选的，所述描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符及字符串描述符。
可选的，所述根据模拟需求对所述集线器进行配置的过程包括：
根据模拟需求对集线器的禁止/允许功能进行配置，和/或对所述集线器的级联结构进行配置，和/或对待模拟USB设备在所述集线器的接入级进行配置。
可选的，所述转换模块为PHY核。
可选的，所述数据收发控制器，具体用于：
当接收到所述接收数据，判断所述接收数据是否为发送给自身的接收数据；
若是，解析所述接收数据中的指令并响应，生成所述发送数据。
可选的，所述数据收发控制器，还用于根据所述控制器发送的端点配置信息，配置所述待模拟USB设备的接收端点和/或发送端点；
每一所述数据处理模块，还包括：
与每一所述端点对应的FIFO，用于存储其所在的所述数据处理模块处理的数据，所述端点为所述接收端点或所述发送端点。
可选的，所述存储模块包括RAM和ROM；
所述ROM，用于存储所有USB设备的描述符；
所述控制器，还用于从所述ROM中将待模拟USB设备的描述符写入所述RAM中。
可选的，所述待模拟USB设备包括USB鼠标或USB键盘或U盘。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种测试***，包括如上文任意一项所述的USB设备模拟装置。
本申请提供了一种USB设备模拟装置，通过FPGA来模拟USB设备，并利用FPGA的硬件可编程性以及并行处理能力，可以在FPGA硬件上，通过控制器和数据处理模块实现从USB底层信号处理到上层描述符的任意配置，从而实现任意USB设备的模拟，保证模拟的USB设备从底层信号到上层数据同真实USB设备基本相同，通过设置多个数据处理模块，还可以同时模拟多个不同种类USB设备，解决软件无法并行运行的问题。本申请还提供了一种测试***，具有和上述USB设备模拟装置相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所提供的一种USB逻辑层的示意图；
图2为本申请所提供的一种USB信号层示意图；
图3为本申请所提供的一种USB设备连接关系示意图；
图4为本申请所提供的一种USB设备***主机端后的操作过程示意图；
图5为本申请所提供的一种USB设备模拟装置的结构示意图。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种USB设备模拟装置及测试***，能够保证模拟的USB设备从底层信号到上层数据同真实设备基本相同，还可以同时模拟多个不同种类USB设备。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于理解本申请的方案，首先对USB进行相关说明。USB设备是USB电缆末端的一个硬件设备，它执行用户功能。按照USB设备功能的不同，可以将其分为两大类：集线器(Hub)和功能设备。集线器是USB***的关键部件，它提供了USB设备和主机之间的电气接口，功能设备是一个能够通过总线发送和接收USB数据，并且可实现某种功能的USB设备。USB设备包含一些描述符，他们指出了一个给定设备的属性和特征。这些设备向主机软件提供了一系列USB设备和特征和能力，用于配置设备和定位USB的驱动程序。USB设备驱动程序也可以用设备描述符来确定需要的附加信息，用于保证以正确的形式对设备进行访问。
参照图1所示，USB在逻辑上被分为三层：信号层、协议层、数据传输层。
关于信号层，USB信号示意参照图2所示，Vbus表示供电电源正端，D+表示差分数据正端，D-表示差分数据负端，GND表示电源地，USB设备的连接关系如图3所示，USB总线是一种轮询方式的总线，所有的数据传输都必须由主机发起。USB***中的第一个USB设备是RootHub，一般它和主机控制器捆绑在一起，RootHub上可以接Hub或USB设备，Hub的主要功能是可以让多个设备共享一个USB口，便于扩展。USB中的数据采用反向不归零编码方式(NRZI，None-Return to Zero Inverted)，并对D+线和D-线所处的不同状态定义成J和K两种状态，参照表1所示。
表1差分数据状态表
数据状态 D+ D-
J状态 0 1
K状态 1 0
关于协议层，USB传输的数据是经过打包后在总线上传输的，包是USB***中信息传输的基本单位，每个包由6部分组成：同步字段(SYNC)、包标识符(PID)、地址字段(ADDR)、数据字段(DATA)、校验字段(CRC)、包结束(EOP)。在USB协议中，USB有很多不同类型的包，通过PID来区分。常用的包类型有令牌包、数据包、握手包及专用包。端点(endpoint)是USB通信的发送或者接收点，端点有确定的方向，或者是IN，或者是OUT。不能同时是IN和OUT，0号端点除外。
关于数据传输层，USB通信有四种不同的数据传输方式，不同的USB设备有其各自对应的数据传输方式。四种不同的数据传输方式包括：
控制传输(Control Transfers)，用来控制对USB设备不同部分的访问，通常用于配置设备，获取设备信息，发送命令到设备，或者获取设备的状态报告；
中断传输(Interrupt Data Transfers)，用来以一个固定的速率传送少量的数据，USB鼠标和USB键盘等设备使用的就是这种传输方式；
批量传输(Bulk Data Transfers)，用来传输大量的数据，确保没有数据丢失，但不保证在特定的时间内完成，U盘等大容量USB存储设备使用的就是这种传输方式；
等时传输(IsoChronous Data Transfers)，用来传输大量的数据，但不保证数据是否到达，以稳定的速率发送和接收实时的信息，对传输延迟非常敏感，常用于音频和视频等一类USB设备；
可以理解的是，USB***中一个或多个端点被捆绑为接口(interface)，一个接口代表一个基本功能。
当一个USB设备***主机端后，会有如图4所示的操作过程，其中，USB枚举过程中，通过一系列描述符，USB设备向USB主机描述自己的功能、属性、配置信息等，这些描述符包括但不限于设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符及字符串描述符等。其中，设备描述符用于描述设备的类型、厂商信息、USB的协议类型、端点的包数据的最大长度等，每个USB设备只有一个设备描述符；配置描述符用于提供设备特定的配置，描述了设备的接口和端点的性质、供电模式、设备的耗电等信息；接口描述符用于描述设备不同接口的特性，例如一个设备有U盘的功能又有键盘的功能，则需用两个接口描述符分别描述两个功能；端点描述符用于描述端点的传输方向、端点号以及端点可传输的最大数据包长度；字符串描述符用于描述设备制造商、设备名称和序列号等信息。
请参照图5，图5为本申请所提供的一种USB设备模拟装置的结构示意图，该USB设备模拟装置包括：
一个或多个数据处理模块1，数据处理模块1的个数根据待模拟USB设备的个数确定，每一数据处理模块1包括数据收发控制器11和转换模块12，转换模块12，用于将主机端发送的差分信号转换为接收数据，还用于将发送数据转换为差分信号发送至主机端，数据收发控制器11，用于解析接收数据中的指令并响应，生成发送数据；
与主机端及所有数据处理模块1连接的集线器2；
控制器3，用于根据待模拟USB设备的设备特性对每一待模拟USB设备对应的数据收发控制器11进行配置，还用于根据模拟需求对集线器2进行配置。
具体的，本实施例中数据处理模块1对应一个待模拟USB设备，待模拟USB设备包括但不限于USB鼠标或USB键盘或U盘等，也就是说，每一数据处理模块1为USB设备模拟装置中的一个模拟USB设备，数据处理模块1的个数根据待模拟USB设备的个数确定，举例说明，假设待模拟USB设备包括USB鼠标、USB键盘及U盘，那么本实施例所提供的USB设备模拟装置中应该包括三个数据处理模块1，第一个数据处理模块1为模拟的USB鼠标，第二个数据处理模块1为模拟的USB键盘，第三个数据处理模块1为模拟的U盘。
具体的，数据处理模块1包括转换模块12和数据收发器，其中，转换模块12包括PHYcore，PHY core：主要负责底层USB物理接口信号的转换，实现了差分电平信号到接收数据以及发送数据到差分电平信号的转换。数据收发控制器11主要用于按照相关配置，接收PHYcore接收到的接收数据进行解析，解析出指令，执行相应指令的操作，并将需要发送的数据传送给PHY core进行发送。
作为一种可选的实施例，该USB设备模拟装置还包括存储模块4，存储模块4包括ROM和RAM。
具体的，根据待测模拟USB设备的特性编写微控制器3程序，并添加相应的设备特性相关的描述符，将二者写入ROM中，当本实施例所提供的USB设备模拟装置与主机端通过USB线缆连接，装置上电后，控制器3启动，执行ROM中存储的软件程序，并根据ROM中存储的描述符对数据收发控制器11进行配置，同时还可以根据模拟需求对集线器2进行配置，对集线器2的配置包括但不限于对集线器2的禁止/允许功能进行配置，和/或对集线器2的级联结构进行配置，和/或对待模拟USB设备在集线器2的接入级进行配置。并将ROM中的与待模拟USB设备相关的描述符写入RAM中，可以理解的是，ROM主要用于存放控制器3的软件程序以及各种USB设备的描述符，RAM主要作为控制器3运行时内存使用，并存储一些数据收发控制器11所需要使用的描述符。
具体的，对某一待模拟USB设备对应的数据收发控制器11的配置主要是将该待模拟USB设备的描述符在RAM中的地址发送给数据收发控制器11，可以理解的是，配置完成后，每一数据处理模块1中的数据收发控制器11对应一个待模拟USB设备的数据处理逻辑。主机端在枚举过程中，与各个数据处理模块1进行控制数据传输，数据处理模块1中的数据收发控制器11接收到主机端发送的控制数据后，首先判断该数据是否为发送给自身的数据，如果不是，则舍弃不做后续处理，如果是，则按照自身的数据处理逻辑进行解析，解析出指令，执行相应指令的操作，如按照对应的地址读取RAM中的描述符发送给主机端或是对自身进行配置等。
作为一种可选的实施例，数据收发控制器11，还用于根据控制器3发送的端点配置信息，配置待模拟USB设备的接收端点和/或发送端点；
每一数据处理模块1，还包括与每一端点对应的FIFO13，用于存储其所在的数据处理模块1处理的数据，端点为接收端点或发送端点。
具体的，数据收发控制器11根据控制器3的配置信息，首先创建实现模拟USB设备需要的端点，并为各端点分配FIFO空间来存放接收和需要发送的数据。作为一种优选的实施例，一个PHY core、一个数据收发控制器11及一个FIFO组成一个模拟的USB设备。
可以理解的是，当数据收发控制器11接收到主机端发送给自身的数据后，按照模拟的USB设备的特征进行解析，将接收到的数据储存到FIFO中或是从FIFO中取出数据做成应答数据包返回给主机端。
可见，本实施例中，通过FPGA来模拟USB设备，并利用FPGA的硬件可编程性以及并行处理能力，可以在FPGA硬件上，通过控制器和数据处理模块实现从USB底层信号处理到上层描述符的任意配置，从而实现任意USB设备的模拟，保证模拟的USB设备从底层信号到上层数据同真实USB设备基本相同，通过设置多个数据处理模块，还可以同时模拟多个不同种类USB设备，解决软件无法并行运行的问题。
另一方面，本申请还提供了一种测试***，包括如上文任意一个实施例所描述的USB设备模拟装置。
对于本申请所提供的一种测试***的介绍请参照上述USB设备模拟装置，本申请在此不再赘述。
本申请所提供的一种测试***具有和上述USB设备模拟装置相同的有益效果。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种USB设备模拟装置，其特征在于，应用于FPGA，该USB设备模拟装置包括：
一个或多个数据处理模块，所述数据处理模块的个数根据待模拟USB设备的个数确定，每一所述数据处理模块包括数据收发控制器和转换模块，所述转换模块，用于将主机端发送的差分信号转换为接收数据，还用于将发送数据转换为差分信号发送至所述主机端，所述数据收发控制器，用于解析所述接收数据中的指令并响应，生成所述发送数据；
与所述主机端及所有所述数据处理模块连接的集线器；
控制器，用于根据所述待模拟USB设备的设备特性对每一所述待模拟USB设备对应的所述数据收发控制器进行配置，还用于根据模拟需求对所述集线器进行配置。
2.根据权利要求1所述的USB设备模拟装置，其特征在于，该USB设备模拟装置还包括：
存储模块，用于存储每一所述待模拟USB设备的描述符；
相应的，所述根据所述待模拟USB设备的设备特性对与待模拟USB设备对应的所述数据收发控制器进行配置的过程包括：
将每一所述待模拟USB设备的描述符在所述存储模块中的地址发送给该待模拟USB设备对应的所述数据收发控制器。
3.根据权利要求2所述的USB设备模拟装置，其特征在于，所述描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符及字符串描述符。
4.根据权利要求1所述的USB设备模拟装置，其特征在于，所述根据模拟需求对所述集线器进行配置的过程包括：
根据模拟需求对集线器的禁止/允许功能进行配置，和/或对所述集线器的级联结构进行配置，和/或对所述待模拟USB设备在所述集线器的接入级进行配置。
5.根据权利要求1所述的USB设备模拟装置，其特征在于，所述转换模块为PHY核。
6.根据权利要求1所述的USB设备模拟装置，其特征在于，所述数据收发控制器，具体用于：
当接收到所述接收数据，判断所述接收数据是否为发送给自身的接收数据；
若是，解析所述接收数据中的指令并响应，生成所述发送数据。
7.根据权利要求1所述的USB设备模拟装置，其特征在于，所述数据收发控制器，还用于根据所述控制器发送的端点配置信息，配置所述待模拟USB设备的接收端点和/或发送端点；
每一所述数据处理模块，还包括：
与每一所述端点对应的FIFO，用于存储其所在的所述数据处理模块处理的数据，所述端点为所述接收端点或所述发送端点。
8.根据权利要求1所述的USB设备模拟装置，其特征在于，所述存储模块包括RAM和ROM；
所述ROM，用于存储所有USB设备的描述符；
所述控制器，还用于从所述ROM中将待模拟USB设备的描述符写入所述RAM中。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的USB设备模拟装置，其特征在于，所述待模拟USB设备包括USB鼠标或USB键盘或U盘。
10.一种测试***，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的USB设备模拟装置。
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