维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷 第３期 计算机工程 ２００８年２月 ＶｅＬ３４ Ｎｏ３ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００８ ・工程应用技术与实现・ 文章■号ｔ １０００￣３４２８（２００８）０３－－－０２６９－－－０３ 文献标识码。Ａ 中啊分类号。ＴＰ３１１．５ 一种ＵＳＢ从设备访问主设备的方法 张志，余橙煜 ＜上海交通大学通信工程系，上海２０００３０） 擅要：介绍了一种ＵＳＢ从设备访问主设备的方法。该方法利用ＵＳＢ从设备端存储器中建立的交换缓存区，无须拔插ｆｌａｓｈ存储卡即可实 现ＵＳＢ从设备端对主设备端文件的直接访问，从而使ＵＳＢ从设备可访问远大于自身存储空间的文件。通过该方法可实现手持播放器以低 成本和省电的方式扩展外接硬盘。 关健词：ＵＳＢ总线；ＵＳＢ从设备；ＵＳＢ主设备；直接访问；存储器 Ｆｉｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｒｏｍ ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ ＵＳＢ Ｈｏｓｔ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ，ＹＵ Ｓｏｎｇ－ｙｕ （Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３ｏ） ｜Ａｂｓｔｒａｃｔ｜Ａ ｉｆｌｅ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｒｏｍ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ ＵＳＢ ｈｏｓｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｗｉｔｃｈ ｂｕｆｆｅｒ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｍｅｍｏｒｙ ｏｆ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｄｏ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ａｃｃｅｓｓ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｌｅ ｉｎ ＵＳＢ ｈｏｓｔ ｆｒｏｍ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ ａｃｃｅｓｓ ｍｕｃｈ ｌａｒｇｅｒ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆｉｌｅ ｔｈａｎ ｉｔｓ ｓｔｏｒａｇｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｈｔａｔ ａ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｐｌａｙｅｒ ｅｘｔｅｎｄｓ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｈａｒｄｄｉｓｋ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ｎａｄ ｐｏｗｅｒ ｓａｖｉｎｇ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓＩ ＵＳＢ ｂｕｓ；ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ；ＵＳＢ ｈｏｓｔ；ｄｉｒｅｃｔ ａｃｃｅｓｓ；ｓｔｏｒａｇｅ ｄｅｖｉｃｅ 随着集成电路技术的发展，基于手持设备的视频播放器 一识别为一个ＵＭＳ（ＵＳＢ Ｍａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃｌａｓｓ）存储设备…，然 日益普及，由于内部Ｆｌａｓｈ存储颗粒成本较高，因此外扩硬 后交换硬盘中的文件与ＵＳＢ从设备中的文件。本方法基于该 盘成为一种迫切的需求。但基于成本考虑，这些手持播放器 硬件架构，通过软件使ＵＳＢ从设备端的主功能芯片成为主控 普遍只带ＵＳＢ从设备端Ｅｌ…，需要拔插ｆｌａｓｈ存储卡到专用 者、ＵＳＢ主设备由主要控制者变为从控制者。 硬盘上复制文件，并且要求存储卡容量足够容纳整个视频文 ２软件框架 件。本文提出一种ＵＳＢ从设备访问ＵＳＢ主设备的方法，使 ＵＳＢ从设备访问ＵＳＢ主设备的方法基于常用的ＵＳＢ硬 用支持ＵＳＢ主设备的大容量存储器（硬盘），在从设备存储器 件架构，完全通过软件实现。其软件系统框架与数据流图如 中建立交换缓存区，让操作者在从设备端操作；从设备端上 图２所示。 层软件把其对于主设备存储器文件的访问“请求”按一定的 ＵＳＢ从设备端 协议写在自身存储器的一个“请求”缓存区里（文件或特殊存 ｕｓＢ从设备端上层软件 ． 储扇区）。然后把存储器的控制权交给主设备端，主设备端读 硬盘文件缓存系统层 ‘ 。 取从设备存储器中的这个“请求”缓存区，并执行“请求”； ＿ 文件管理“请求”进行文件的复制、移动、删除等操作；对 于文件“读请求”则把主设备端的文件块复制到从设备端交 垂Ｌ 缓－●一 —存块 文件 Ｉ ｌＩ 端普ＵＳＢ通文件￣－ ｌ Ｊ Ｉ 换缓存区中的缓存块，对于文件“写请求”则把从设备端交 垦 换缓存区中的缓存块复制到主设备端的文件中；当从设备再 ／ ‘一 ／ｌ ＜ ／ 文 ＼＼＞ 次获得其存储器控制权时，要访问的文件已经全部或部分在 写 读 文 件 ＵＭＳ从设备 操 操 件 ＝ 复 驱动程序 存储器中，从而实现对其的读写访问【２】。 作 的 制 ＵＳＢ总线 作 复 、 １ ＵＳＢ主从设备硬件架构 削 ＝ 删 ＵＳＢ主从设备硬件架构如图１所示（虚线代表逻辑连接）。 Ｊ 除 驱／ 除 ＵＭＳ动主程设序备 ＼／ ＼／ ＵＳＢ从设备请求读写的ＵＳＢ ＵＳＢ主设备 ＵＳＢ主设备 主设备端目标文件 端普通文件 端存储器 ！竺 堡鱼堡口 ｆ 奇１ ７ － ＵＳＢＤｅｖｉｃｅ Ｉ Ｃｏｎｔｒｏｌ—— 一Ｍｒ ＩＣ／１Ｐ Ｉ Ｉ ｕｓＢ主设备端程序 ． ．１主功能芯片ｌ ． 硬盘 ■不■—一 ｌ存储卡接Ｉ：１ 圈２软件框架与数据漉圈 —— ＿， 存储卡 ｌ 作者倚介：张志（１９７６－－），男，高级工程师，主研方向：视频通信， 圈１硬件框架 电子系统设计，手持多媒体产品设计；余松煜，教授 主设备将手机、ＰＤＡ、ＰＭＰ、数码相机等ＵＳＢ从设备统 收稿日期：２００７—０３—２０ Ｅ．ｍａｉｌ：ｚｈｉ＿ｚｈａｎｇ＠ｗｉｔｃｈａｉｎ．ｃｏｎｒ —＿２６９＿～ 维普资讯 http://www.cqvip.com 软件的核心是ＵＳＢ从设备存储器中建立的交换缓存区， 的流程进行仔细分析，然后将读取文件的提前量写入播放器 程序的每一个过程。但这种方法必须熟知各种视频编码格式 的规范，而编码格式种类繁多、差异较大，其实现的工作量 很大，因此，本文提出一种智能判断各文件读取速度的预读 算法，该算法基于所建立的“硬盘文件缓存系统”层，把所 有文件操作函数重定向到该层，然后调用对应的文件操作函 由配制文件、请求文件、硬盘索引文件、缓存块文件等组成， ＵＳＢ主从设备均可访问该交换缓存区，ＵＳＢ从设备把操作请 求写在请求文件中，ＵＳＢ主设备对其读取并执行，而大文件 的传输依赖于缓存块文件的交换。 ３ ＵＳＢ从设备靖软件 ＵＳＢ从设备端软件顺序读的流程如图３所示。由于手持 播放器上的视频播放器、ＭＰ３音乐播放器、照片浏览器、文 字阅读器等软件主要的操作都是顺序读，或者以顺序读为主 要方式、随机读为次要方式，没有写操作，因此，本文仅对 数即可对硬盘文件进行预读、传输、从缓存中读取数据块等 操作。以Ｃ语言视频播放器为例，在所有源文件的头文件最 前面插入以下重定向宏定义： ＃ｄｅｆｉｎｅ ｆｏｐｅｎ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｏｐｅｎ 顺序读进行详细描述。 开始 （１）应用程序的读操作请求被“硬盘文件缓存系统”层截取 ２）有预读传输完成而未处理的缓存区数据？ 否 是 （３）检查并处理缓存区和“请求”文件中的执行完成状态位 （１４）检查并处理缓存区和 “请求”文件中的执行完成 （４）需要立即读 状态位 取（缓存区中不存 在或不够本次要读 取的数据）？ 是 （１３）等待上次预读传输完 成的关闭ＵＳＢ连接事件 预读正在传输？ ／ 是Ｌ／ （５）有未完成的预读 ，． ＼正在传输 — Ｔ＿ （６）计算缓存文件块的长度（立 即读取长度＋预读长度），写“请 坚前读数取据更？ 多的 —／ —一 求”文件，打开ＵＳＢ连接，将存储 是 器访问权限交给数码伴侣端 （１２）计算需要预读 （７）等待数码伴侣关闭ＵＳＢ连接 的精确长度，写“请 求”文件，打开ＵＳＢ 连接，将存储器访问 权限交给数码伴侣端 （８）检查并处理缓存区和“请 求”文件中的执行完成状态位 （９）将缓存区中本次要读取的数据读入内存中对应的变量 返回上层应用程序，标记缓存区该数据块为已读 田３ ＵＳＢ从设备靖应用程序曩序读漉程 ＵＳＢ２．０高速（４８０ Ｍｂ／ｓ）从设备控制器由于成本低而普遍 应用于各种手持播放器设备，相对于在手持播放器上使用较 贵但却只支持全速（１２ Ｍｂ／ｓ）的ＵＳＢ１．１主设备控制器［２－３］来扩 展外接硬盘的方式而言，以ＵＳＢ从设备直接访问ＵＳＢ主设 备的方式更优，除成本低以外，其传输速率也更高，避免了 硬盘一直工作，而是以高速传输文件块之后即让硬盘停转， 达到省电的目的。 缓存区数据交换将不可避免地带来传输延迟，因此，要 实现连续播放，需要用比较好的算法来进行大缓存预读。以 视频播放为例，一种实现预读的方法是对每一个视频播放器 ＃ｄｅｆｉｎｅ ｆｃｌｏｓｅ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｃｌｏｓｅ ＃ｄｅｆｉｎｅ ｆｒｅａｄ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｒｅａｄ ＃ｄｅｆｉｎｅ ｆｗｒｉｔｅ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｗｒｉｔｅ ＃ｄｅｆｉｎｅ ｆｇｅｔ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｇｅｔ ＃ｄｅｆｉｎｅ ｆｐｕｔ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｐｕｔ ＃ｄｅｆｉｎｅ ｆｓｅｅｋ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｓｅｅｋ 然后重写各文件操作函数，如果是本地文件操作，则调 用本地文件操作函数，如果是硬盘文件操作，则采用预读的 算法提前从硬盘传输到本地存储器缓存区，从缓存中读取数 据块返回上层应用程序，以下是其中２个函数的例子： ＦＩＬＥ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｏｐｅｎ（ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ ｆｉｌｅ，ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ ｆｌａｇｓ） ｉｆ（ｉｓＦｉｌｅＰａｔｈＬｏｃａｌ（ｆｉｌｅ）＝＝ＴＲＵＥ） ｒｅｔｕｒｎ ｆｏｐｅｎ（ｆｉｌｅ，ｆｌａｇｓ）； ｅｌｓｅ｛ ｒｅｔｕｒｎ ｈａｒｄｉｓｋｆｏｐｅｎ（ｆｉｌｅ，ｆｌａｇｓ）； ／／在这里返回一个内部管理 ，／文件句柄，并记下该文件句柄，以后凡是使用该句柄的文件读操作 ／／都要受预读算法管理 ｌ】 ｉｎｔ ｂｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｒｅａｄ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｂｕｆ，ｉｎｔ ｓｉｚｅ，ｉｎｔ ｃｏｕｎｔ， ＦＩＬＥ＊ｆｄ） ｛… ｉｆ（ｉｓＴｈｅＦｉｌｅＬｏｃａｌ（ｆＪ）＝＝ＴＲＵＥ） ｒｅｔｕｒｎ ｆｒｅａｄ（ｂｕｆ，ｓｉｚｅ，ｃｏｕｎｔ，ｆｄ）； ｅｌｓｅ｛ ｒｅｔｕｒｎ ｈａｒｄｉｓｋｆｒｅａｄ（ｂｕｆ，ｓｉｚｅ，ｃｏｕｎｔ，ｆｄ）；，／采用预读的算法 ／／提前从硬盘传输到本地存储器缓存区，从缓存中读取数据块返回上 ，／层应用程序】 １ 其他函数结构类似，这里不再赘述。 预读是算法的核心，其难点在于预读时间提前量的计算， 下面就各相关因素进行分析。 （１）总缓存区大小 缓存区设置得越大，就能缓存越多的数据、提高缓存命 中率（当某一次读取文件数据时，数据已预读到缓存区，则 称“缓存命中”，如果文件还在硬盘，需要立即读取，造成应 用程序的等待，则称“缓存未命中”）、减少传输次数、减少 硬盘启动次数、让系统省电。但是，缓存区也不能无开 大，因为直接访问的优点之一，就是要在“ＵＳＢ从设备端” 存储器空间有限的情况下访问大文件。缓存区占用空间越小， 供其他应用使用的空间就越多。而且很多数码相机、手机、 ＭＰ４随机赠送的卡只有１６ ＭＢ或３２ ＭＢ，想要在这些卡上直 接使用，就更要控制缓存区大小，因此，缓存区的大小尽量 不要超过１６ＭＢ。 （２）单个缓存块大小／缓存块个数 在缓存区总大小确定的情况下，单个缓存块个数越少， 维普资讯 http://www.cqvip.com 即单个缓存块越大，传输次数就越少，优点是硬盘启动次数 减少、系统省电，但缺点是不够灵活，当同时有多个通道分 别在文件不同位置顺序读写时（例如一个视频通道从文件头 开始读，２个音频通道从文件中部开始读），就会造成缓存频 ４ ＵＳＢ主设备靖软件 ＵＳＢ主设备端软件流程图如图４所示，由于本方法在实 际应用中使用ＵＳＢ ＯＴＧ设备，它既可以作为ＵＳＢ主设备与 ＵＳＢ从设备相连，也可以作为ＵＳＢ从设备与ＰＣ相连，因此 需要在软件中对接入ＵＳＢ端口类型进行判断。作为直接访问 方式工作时，该ＵＳＢ主设备端的任务是执行ＵＳＢ从设备端 繁切换的抖动，因此，必须有足够多的缓存区。一个折中的 方法是将单个缓存块开小一些，根据一个通道读取的速度来 决定单次传输缓存块的个数，即读得快的通道一次多传几个 缓存块，而读得慢的通道一次少传几个。一般来说，如果视 频码率是１ Ｍｂｌｓ，１ ｒａｉｎ的数据量为６０ ｓ×１ Ｍｂ／ｓ＝６０ Ｍｂ＝ ８ ＭＢ，音频码率如果是６４ Ｋｂ／ｓ的话，双通道１ ｒａｉｎ数据量 为２×６０ｓ×６４ Ｋｂ／ｓ＝７．５ Ｍｂ＝ｌ ＭＢ，如果以１ＭＢ为单个缓存 块大小，音频占一个，视频占８个，１ ｒａｉｎ启动一次传输，传 输时间大约要１０ ｓ。这样，设置１个１５ＭＢ的总缓存区，将 其分为ｌ５个１ ＭＢ的缓存块。实际上还可以根据各手持播放 器所支持的视频码率进行调整。 （３）预读的时机 预读的时机是根据实际读取的速度来计算提前量的，比 如要１ ｍｉｎ进行一次传输，已知１ Ｍｂ／ｓ的视频通道与２个 ６４ Ｋｂ／ｓ的音频通道，１ ｒａｉｎ的数据量分别是８ ＭＢ和１ ＭＢ， 传输时间１０ ｓ，则提前３０ ｓ开始传输应该来得及，３０ ｓ时剩 余的未播放数据为４．５ ＭＢ，总缓存区为１５ ＭＢ，正好可以留 出１０ ＭＢ给后１ ｍｉｎ存放缓存数据。也可以根据各手持播放 器所支持视频码率的实际情况进行调整。 （４）初次传输与启动时间 预读的一个问题是最初播放时的第１次传输，没有读取 历史速度的依据，甚至没有文件头，只有文件名和文件大小 可供参考，所以难以选择初始传输的大小。要想尽快开始播 放，就要尽可能少地传输，但传输过少，万一遇上大码流的 视频文件，则播放之后没多久就会出现停顿，必须等待第２ 次传输的完成。所幸一般手持多媒体播放器所能支持的最高 码流都是一定的，不会经常变化，而本文的直接访问技术需 要针对播放器单独开发和调试，并非支持所有机型，因此， 可以根据实际硬件性能来调试定制初始的２次传输的大小， 而且只要对最高码率的视频调试出一个不会造成播放后停顿 的最短启动时间即可。一般对于１ ＭＢ的缓存块、１ Ｍｂ／ｓ的 码率，第１次传输一个缓存块，第２次预读５个～８个缓存块， 以后根据实际读取的速度来计算。 图３主要步骤在各种情况下的走向如下： （１）第１次读／立即读／遇突然读取速度变快而读取未命中： １ ２ ４ ５ ６ ７ 等待 ８ ９ １ （２）第２次读／正常预读： １３２－＞－４３１０３ｌ】 ｌ２ ９ ｌ （３）大部分情况下读取命中（数据已在缓存区）： １ ２ ４ １０３１１３９３１或１ ２ ４ １０３１ （４）正常预读完成： １ ２ ３ ４ ｌ０ １ｌ ９ ｌ （５）预读传输过程中遇突然读取速度变快而读取未命中： ｌ ２ ４ ５ １５３等待 １６＋４＋１１３１２３１３３１４３１０３１ 或发生更糟的情况（上次预读的还不够本次读取，等待２次）： １ ２３４３５ １５ 等待 ｌ６ ４ ５ ６ ７ ８ 等待 ９ １０ １ 写在“请求”文件中的各项命令。 田４ ＵＳＢ主设备靖软件漉程 ５结束语 本文提出了通过在ＵＳＢ从设备端的存储器中建立交换 缓存区来实现ＵＳＢ从设备对主设备直接访问的方法，对该方 法的ＵＳＢ主从设备软硬件实现进行了描述，其关键是ＵＳＢ 从设备端顺序读的“硬盘文件缓存系统”层的实现、缓存区 大小的计算以及预读的提前量预估算法。该方法的优点在于： （１）兼容性好，不用修改传统的硬件架构和底层驱动 程序； （２）手持播放器无须拔插ｆｌａｓｈ存储卡，即可直接访问外 扩硬盘中大干自身存储器剩余空间的文件； （３）可实现手持播放器以低成本和省电的方式扩展外接 硬盘。 参考文献 ［１ｌ１ Ａｎｄｅｒｓｏｎ Ｄ．ＵＳＢ系统体系［Ｍ］．精英科技，译．北京：中国电力 出版社，２００１． ［２］上海怀瑾计算机科技有限公司．直读专利介绍［ｚ］ （２００６—１０—１２）． ｈｔｔｌ：Ｉ：／／ＷＷＷ．ｗｉｔｃｈａｉｎ．ｃｏｍ／ｓｐｓ ２．ｈｔｍ． ［３］Ｃｏｍｐａｑ公司，Ｈｅｗｌｅｔｔ—Ｐａｃｋａｒｄ公司，Ｉｎｔｅｌ公司，等．Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｚ］．２版．（２０００—０４—２７）．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｓｂ．ｏｒｇ． 一２７ｌ一
