總線數(shù)據(jù)傳輸中的同步技術(shù)

2023/1/141第三講

總線數(shù)據(jù)傳輸中的同步技術(shù)主講人：于海濱二教中樓309室shoreyhb@總線的數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式定義了二進(jìn)制數(shù)據(jù)流從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的傳送模式并行傳輸（Parallel）和串行傳輸（Serial）同步傳輸（Synchronous）和異步傳輸（Asynchronous）單工（Simplex）、半雙工（Half-Duplex）和全雙工通信（Full-Duplex）2023/1/142并行傳輸和串行傳輸并行傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在設(shè)備之間傳輸，形如多車道高速公路行駛的汽車，如8位ASCII碼傳輸率高，成本高，適用于內(nèi)部總線，兩設(shè)備相距較遠(yuǎn)時(shí)，代價(jià)過(guò)高串行傳輸只有一條數(shù)據(jù)傳輸線，任意時(shí)刻只能傳輸1位二進(jìn)制數(shù)傳輸速度慢，成本低，適用于遠(yuǎn)距離傳輸或近距離速度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合2023/1/1432023/1/144同步傳輸與異步傳輸同步在通信過(guò)程中，發(fā)送方和接收方必須在時(shí)間上保持一致才能準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)，這就叫做同步在傳送由多個(gè)字符組成的數(shù)據(jù)塊時(shí)，不僅每個(gè)字符傳輸要保持同步，通信雙方對(duì)信號(hào)的起、止時(shí)間也必須保持一致同步對(duì)應(yīng)兩種傳輸方式：同步傳輸和異步傳輸2023/1/145同步傳輸采用按位同步技術(shù)，以固定的時(shí)鐘頻率串行發(fā)送數(shù)字信號(hào)，字符之間有固定時(shí)間間隔，各字符中沒(méi)有起始位和停止位依據(jù)獲得的時(shí)鐘分量是源自信號(hào)內(nèi)（信號(hào)本身）還是信號(hào)外，同步傳輸可分為：

外同步發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前先向接收端發(fā)送一串進(jìn)行同步的時(shí)鐘脈沖；接收端收到同步信號(hào)后進(jìn)行頻率鎖定，然后以同步頻率為準(zhǔn)接收數(shù)據(jù)自同步發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將時(shí)鐘脈沖作為同步信號(hào)包含在數(shù)據(jù)流中同時(shí)傳送給接收端，接收端從數(shù)據(jù)流中辨別同步信號(hào)，再據(jù)此接收數(shù)據(jù)2023/1/146異步傳輸采用“群”（組）同步技術(shù)。根據(jù)一定的規(guī)則將數(shù)據(jù)分為不同的群（組），每一個(gè)群的大小是不確定的要求發(fā)送端與接收端在一個(gè)群內(nèi)必須保持同步，發(fā)送端在數(shù)據(jù)前面加起始位，數(shù)據(jù)后面加停止位接收端通過(guò)識(shí)別起始位和停止位來(lái)接收數(shù)據(jù)2023/1/147同步傳輸與異步傳輸比較異步傳輸中發(fā)送方可以在任何時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收方從不知道數(shù)據(jù)什么時(shí)候到達(dá)例子：鍵盤與主機(jī)之間的通信。按下一個(gè)鍵就發(fā)送一個(gè)8bit的ASCII碼，鍵盤可以在任意時(shí)刻發(fā)送，主機(jī)內(nèi)部的硬件必須能夠在任意時(shí)刻接收這個(gè)代碼潛在問(wèn)題：接收方不知道數(shù)據(jù)什么時(shí)候到達(dá)，當(dāng)它檢測(cè)到數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)之前，第一個(gè)bit已經(jīng)過(guò)去了每次異步傳輸信息都以一個(gè)起始位開(kāi)頭，以給接收方響應(yīng)、接收和緩存數(shù)據(jù)的時(shí)間，傳輸結(jié)束再發(fā)送停止位同步傳輸遵循先同步、再接收的原則，一旦檢測(cè)到同步信號(hào)，就在接下來(lái)的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)接收它們2023/1/148同步傳輸通常要比異步傳輸快速得多，接收方不必對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行開(kāi)始和停止的操作舉例：一個(gè)典型的幀可能有500字節(jié)（4000bit）的數(shù)據(jù)，采用同步傳輸，其中可能只包含100bit的開(kāi)銷，增加的bit位使傳輸?shù)腷it總數(shù)增加2.5%；采用異步傳輸，bit總數(shù)增加25%;并且隨著數(shù)據(jù)幀中實(shí)際bit位的增加，開(kāi)銷bit所占的百分比將相應(yīng)減少幀越大，占據(jù)傳輸介質(zhì)的連續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)，將導(dǎo)致其它用戶等得太久異步傳輸實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，同步傳輸實(shí)現(xiàn)復(fù)雜2023/1/149單工、半雙工和全雙工通信數(shù)據(jù)在通信線路上傳輸是有方向性的，根據(jù)某一時(shí)刻數(shù)據(jù)在通信線路上傳輸方向的不同可分為單工半雙工全雙工2023/1/1410單工通信數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)始終沿著同一個(gè)方向傳輸為保證數(shù)據(jù)能夠被正確傳輸，就需要進(jìn)行差錯(cuò)控制，因此單工通信采用二線制，即兩個(gè)信道，主信道用于傳輸數(shù)據(jù)，另一個(gè)監(jiān)測(cè)信道用于傳送監(jiān)測(cè)信號(hào)（接收數(shù)據(jù)正確與否）無(wú)線廣播、有線廣播和電視廣播系統(tǒng)2023/1/1411半雙工通信在通信信道中，數(shù)據(jù)可以雙向傳輸，但是在任一時(shí)刻，數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向傳輸通信線路一端的通信設(shè)備既可以是信源，也可以是信宿。但是在任一時(shí)刻，要么是信源，要么是信宿，不可能既是信源，又是信宿通信線路兩端的設(shè)備輪流發(fā)送數(shù)據(jù)2023/1/1412半雙工通信中也有監(jiān)測(cè)信號(hào)的傳輸，傳輸方式有兩種：監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸共用一條信道，在相互應(yīng)答時(shí)轉(zhuǎn)換信道的功能數(shù)據(jù)傳輸信道與監(jiān)測(cè)信道分開(kāi)，有一條專門的信道供監(jiān)測(cè)信號(hào)使用舉例：計(jì)算機(jī)與外設(shè)的通信就是一種半雙工通信2023/1/14132023/1/1414全雙工通信在同一時(shí)刻，位于通信線路兩端的每臺(tái)設(shè)備既是信源，又是信宿位于通信線路一端的設(shè)備可以在同一時(shí)刻既接收數(shù)據(jù)，也發(fā)送數(shù)據(jù)2023/1/1415全雙工通信在同一時(shí)刻，位于通信線路兩端的每臺(tái)設(shè)備既是信源，又是信宿位于通信線路一端的設(shè)備可以在同一時(shí)刻既接收數(shù)據(jù)，也發(fā)送數(shù)據(jù)有些全雙工通信系統(tǒng)采用頻分復(fù)用技術(shù)，傳輸信道可以分成高頻群信道和低頻群信道，系統(tǒng)采用單線制就可以實(shí)現(xiàn)舉例：電話系統(tǒng)，交換式以太網(wǎng)2023/1/1416單工半雙工全雙工2023/1/1417總線同步傳輸實(shí)例—雙目圖像傳感器同步采集的實(shí)現(xiàn)雙目視覺(jué)，也稱立體視覺(jué)，模擬人的雙眼采用三角運(yùn)算獲得景物的深度（與攝像機(jī)之間的距離）信息要求左視圖、右視圖之間必須嚴(yán)格同步同步采集是雙目立體視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)2023/1/1418現(xiàn)有的雙目同步采集解決方案采用外加的同步控制器或同步控制電路通常應(yīng)用于采用雙攝像機(jī)或雙照相機(jī)作為采集模塊的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，不適用于采用傳感器芯片的嵌入式系統(tǒng)選用具有主從級(jí)聯(lián)功能或外同步時(shí)鐘輸入的CMOS圖像傳感器或視頻A/D（CCD）主從式：通過(guò)主圖像傳感器芯片發(fā)同步信號(hào)給從片，可以較為方便的實(shí)現(xiàn)雙目圖像采集的同步外同步式：兩個(gè)圖像傳感器芯片接受統(tǒng)一的外同步時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)同步采集該類芯片大多停產(chǎn)，如果有也是專用芯片，價(jià)格高2023/1/14192023/1/14202023/1/1421HREF和PCLK均以VSYNC的下降沿作為觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，因而只要兩個(gè)圖像傳感器之間的VSYNC的下降沿是同步的，則它們之間的HREF和PCLK也必然是是同步的雙目圖像采集之間的同步與兩個(gè)圖像傳感器之間的VSYNC下降沿之間的同步可以認(rèn)為是完全等同的嚴(yán)格同步的RESET（包括軟復(fù)位）并不能夠保證兩個(gè)圖像傳感器的VSYNC下降沿之間的同步，而且即使復(fù)位之后兩個(gè)圖像傳感器的VSYNC的下降沿達(dá)到同步，由于很多干擾因素的存在，在圖像對(duì)采集過(guò)程中VSYNC的下降沿還是會(huì)重新進(jìn)入不同步的狀態(tài)2023/1/1422圖像傳感器內(nèi)部所有的時(shí)序邏輯關(guān)系都是根據(jù)外輸入時(shí)鐘CLK建立起來(lái)的，因此可以通過(guò)調(diào)整CLK的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)圖像傳感器的同步控制如何實(shí)現(xiàn)？CLK1和CLK2是同一個(gè)有源晶振的輸出如果當(dāng)前幀的兩個(gè)視圖發(fā)現(xiàn)是不同步的，當(dāng)前幀可以丟棄，甚至丟棄多幀都可以，通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)達(dá)到同步即可可以采用抑制超前時(shí)鐘的方法

2023/1/1423基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步方法將VSYNC下降沿超前的圖像傳感器的輸入時(shí)鐘抑制掉超前的時(shí)鐘個(gè)數(shù)就能夠迫使該圖像傳感器內(nèi)部的時(shí)序邏輯全部延遲超前的時(shí)鐘個(gè)數(shù)，從而達(dá)到與VSYNC下降沿落后的圖像傳感器之間的同步

2023/1/1424實(shí)現(xiàn)步驟判斷兩個(gè)圖像傳感器的VSYNC下降沿之間是否有差異來(lái)斷定是否同步如果斷定不同步，則判斷出哪一個(gè)圖像傳感器超前，并利用VSYNC下降沿差異計(jì)數(shù)器同時(shí)獲取差異的時(shí)鐘個(gè)數(shù)將超前的圖像傳感器的輸入時(shí)鐘（CLK）抑制掉差異的時(shí)鐘個(gè)數(shù)2023/1/1425上述基本方案的問(wèn)題：時(shí)鐘差異計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍不可能很大（計(jì)數(shù)范圍越大越耗CPLD/FPGA資源）而某些嚴(yán)重的干擾（如電源擾動(dòng)，劇烈震動(dòng)等）可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)圖像傳感器的VSYNC下降沿之間的差異時(shí)鐘個(gè)數(shù)很大這種情況下僅靠VSYNC下降沿差異計(jì)數(shù)器無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)圖像傳感器達(dá)到同步如何解決？可將VSYNC下降沿的同步過(guò)程分為粗同步和細(xì)同步兩個(gè)階段（粗調(diào)和微調(diào)）2023/1/1426如果VSYNC下降沿差異計(jì)數(shù)器沒(méi)有溢出，則說(shuō)明兩個(gè)OV7141的VSYNC下降沿之間差異的時(shí)鐘個(gè)數(shù)在差異計(jì)數(shù)器的可調(diào)范圍之內(nèi)，直接按照差異計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)超前的圖像傳感器進(jìn)行輸入時(shí)鐘抑制細(xì)同步2023/1/1427粗同步如果差異計(jì)數(shù)器溢出，說(shuō)明兩個(gè)圖像傳感器的VSYNC下降沿之間差異較大，超出了細(xì)同步的調(diào)節(jié)范圍，直接利用兩個(gè)圖像傳感器的HREF之間的差異對(duì)超前OV7141進(jìn)行輸入時(shí)鐘抑制2023/1/1428粗同步與細(xì)同步是互補(bǔ)的兩個(gè)階段，細(xì)同步無(wú)法應(yīng)用的情況需要進(jìn)行粗同步，而粗同步即使沒(méi)有使得兩個(gè)圖像傳感器的VSYNC下降沿之間在當(dāng)前幀內(nèi)獲得嚴(yán)格同步，在下一幀還可以繼續(xù)通過(guò)細(xì)同步來(lái)獲得嚴(yán)格同步粗同步與細(xì)同步兩個(gè)階段緊密合作就可以完成兩個(gè)圖像傳感器的VSYNC下降沿之間的嚴(yán)格同步進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙目圖像對(duì)的同步采集工作2023/1/1429基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——端口定義

sensor_clk :input;

sensor_rs :input;

sensor_rs_f_pulse :input;

sensor2_vsync :input; sensor2_href :input; sensor1_vsync :input; sensor1_href :input;

sensor1_clk :output; sensor2_clk :output;

sync_id :output;2023/1/1430基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——變量定義（1）

Vsync_R_Dff1 :dff;--Rindicatesrisingedge Vsync_R_Dff2 :dff; Vsync_F_Dff1 :dff;--Findicatesfallingedge Vsync_F_Dff2 :dff;

Sync_Cnt_OF_Dff :dff;--OFindicatesoverflow Vsync_F_Diff_Ahead_Dff1 :dff;--DffindicatesD-flipflop Vsync_F_Diff_Ahead_Dff2 :dff;

Sync_R_Rst :node;--Rstindicatesreset

Sync_F_Rst :node;

Vsync_OR :node;

Vsync_R_Diff :node;

Vsync_F_Diff :node;

Sync_Ref :node;2023/1/1431基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——變量定義（2）

Href_R_Diff :node;

Href_R_Dff1 :dff; Href_R_Dff2 :dff;

Vsync_F_Diff_F_Pul :pulse_1;--Pulindicatespulsewhichwidthis1clock;

Sync_Ref_R_Pul :pulse_1;

Sync_Ref_F_Pul :pulse_1;

Vsync_F_Diff_Cnt:lpm_counterwith(LPM_WIDTH= SYNC_CNT_WIDTH,LPM_DIRECTION= "UP");--Cntindicatescounter

Vsync_Sync_Cnt :lpm_counterwith(LPM_WIDTH= SYNC_CNT_WIDTH,LPM_DIRECTION="UP");

Sync_SM :machinewithstates(SYNC_IDLE, SYNC_BUSY);--SMindicatesstate-machine2023/1/1432基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——程序主體（1）Vsync_R_Dff1.clk =sensor1_vsync;Vsync_R_Dff1.d =vcc;Vsync_R_Dff1.clrn =!Sync_F_Rst;Vsync_R_Dff2.clk =sensor2_vsync;Vsync_R_Dff2.d =vcc;Vsync_R_Dff2.clrn =!Sync_F_Rst;

Vsync_F_Dff1.clk =!sensor1_vsync;Vsync_F_Dff1.d =vcc;Vsync_F_Dff1.clrn =!Sync_R_Rst;Vsync_F_Dff2.clk =!sensor2_vsync;Vsync_F_Dff2.d =vcc;Vsync_F_Dff2.clrn =!Sync_R_Rst;

Vsync_R_Diff =Vsync_R_Dff1$Vsync_R_Dff2;Vsync_F_Diff =Vsync_F_Dff1$Vsync_F_Dff2;

Vsync_OR =sensor1_vsync#sensor2_vsync;Sync_Ref =Vsync_R_Diff#Vsync_F_Diff#Vsync_OR;2023/1/1433基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——程序主體（2）

Vsync_F_Diff_Ahead_Dff1.clk =Vsync_F_Diff&Vsync_F_Dff1; Vsync_F_Diff_Ahead_Dff1.d =vcc; Vsync_F_Diff_Ahead_Dff1.clrn =!Sync_R_Rst; Vsync_F_Diff_Ahead_Dff2.clk =Vsync_F_Diff&Vsync_F_Dff2; Vsync_F_Diff_Ahead_Dff2.d =vcc; Vsync_F_Diff_Ahead_Dff2.clrn =!Sync_R_Rst;2023/1/1434基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——程序主體（3）

Sync_Ref_F_Pul.clk_ref =sensor_clk;

Sync_Ref_F_Pul.start =!Sync_Ref;

Sync_Ref_R_Pul.clk_ref =sensor_clk;

Sync_Ref_R_Pul.start =Sync_Ref;

Sync_R_Rst =sensor_rs_f_pulse#Sync_Ref_R_Pul.out;

Sync_F_Rst =sensor_rs_f_pulse#Sync_Ref_F_Pul.out;2023/1/1435基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——程序主體（4）

Vsync_F_Diff_Cnt.clock =sensor_clk;

Vsync_F_Diff_Ct_en =Vsync_F_Diff&Sync_Cnt_OF_Dff;

Vsync_F_Diff_Cnt.aclr =Sync_R_Rst;

Sync_Cnt_OF_Dff.clk =Vsync_F_Diff_Cnt.cout;

Sync_Cnt_OF_Dff.d =gnd;

Sync_Cnt_OF_Dff.prn =!Sync_R_Rst;2023/1/1436基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——程序主體（5）

Href_R_Dff1.clk =sensor1_href; Href_R_Dff1.d =vcc; Href_R_Dff1.clrn =!Sync_F_Rst; Href_R_Dff2.clk =sensor2_href; Href_R_Dff2.d =vcc; Href_R_Dff2.clrn =!Sync_F_Rst;

Href_R_Diff =Href_R_Dff1$Href_R_Dff2;2023/1/1437基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步的實(shí)現(xiàn)——程序主體（6）

Sync_SM.clk =!sensor_clk;Sync_SM.reset =Sync_R_Rst;

case

Sync_SM

is

whenSYNC_IDLE=>

if((Vsync_F_Diff_Cnt.q[]>0)&Sync_Cnt_OF_Dff)#(!Sync_Cnt_OF_Dff&Href_R_Diff)then

Sync_SM=SYNC_BUSY;

else

Sync_SM=SYNC_IDLE;

endif;

whenSYNC_BUSY=>

if((Vsync_Sync_Cnt.q[]==Vsync_F_Diff_Cnt.q[])&Sync_Cnt_OF_Dff)#(!Sync_Cnt_OF_Dff&!Href_R_Diff)then

Sync_SM=SYNC_IDLE;

else

Sync_SM=SYNC_BUSY;

endif;endcase;2023/1/14382023/1/1439基于輸入時(shí)鐘抑制的雙目圖像采集同步