第9章高速串行總線

第9章高速串行總線由于計(jì)算機(jī)的速度越來(lái)越快，處理的數(shù)據(jù)也越來(lái)越大。與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備的速度也隨之提高，這就促進(jìn)了高速串行總線接口的發(fā)展。最典型就是USB接口IEEE1394接口。本章主要教學(xué)內(nèi)容USB系統(tǒng)原理及組成USB通信協(xié)議IEEE1394系統(tǒng)結(jié)構(gòu)IEEE1394的通信協(xié)議9.1高速串行接口USB簡(jiǎn)介9.1.1．USB接口的特點(diǎn)USB(UniversalSerialBus，通用串行總線)接口，是1995年11月由CompaqIBM等大公司聯(lián)合推出的。目前已是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的主要接口。它具有以下特點(diǎn)：①可以熱插拔：通電的情況下可以直接連接USB設(shè)備或卸載USB設(shè)備，做到即插即用。②標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一：USB接口采用標(biāo)準(zhǔn)的4針插頭座，它們分別是VBus（電源端）、D+（數(shù)據(jù)＋）、D-(數(shù)據(jù)-)、GND(地）。插頭座分A系列和B系列。③具有供電功能：標(biāo)準(zhǔn)的USBHUB可以直接向連接在接口上的USB設(shè)備提供5V、500mA電流電源。USB設(shè)備攜帶方便。④可以連接多個(gè)設(shè)備：一個(gè)主USB控制器可以連接多個(gè)USB設(shè)備，最高可以通過(guò)級(jí)聯(lián)擴(kuò)展連接至127個(gè)設(shè)備)。⑤速度快：USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率為12Mbps，而USB2.0標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率480Mbps。完全向下兼容。新的USB3.0標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率5Gbps。9.1.2.USB體系結(jié)構(gòu)在物理上，USB系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：①一是具備USB接口的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；②二是支持USB接口的系統(tǒng)軟件，③三是使用USB接口的設(shè)備。有層次性的星型結(jié)構(gòu)USB設(shè)備3USB設(shè)備4USB設(shè)備5USB集線器3USB集線器4USB設(shè)備2USB集線器2USB設(shè)備1USB集線器1根集線器USB主機(jī)根層1層2層3層4層復(fù)合設(shè)備USB主機(jī)控制器USB框架中包含的硬件有：①USB主機(jī)、②USB集線器③USB設(shè)備USB框架中包含的軟件有：①USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序②USB驅(qū)動(dòng)程序③USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。1．USB主機(jī)USB只有主機(jī)才能擔(dān)當(dāng)主控端。USB主機(jī)一般具有以下功能：①檢測(cè)USB設(shè)備的插拔動(dòng)作（通過(guò)根集線器來(lái)實(shí)現(xiàn)）；②管理USB主機(jī)與USB設(shè)備之間的控制流；③管理USB主機(jī)與USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流；④收集USB主機(jī)的狀態(tài)和USB設(shè)備的動(dòng)作信息。2．USB集線器集線器采用一對(duì)多的方式連接外設(shè)，7位地址，共128個(gè)，USB主機(jī)控制器必須保留一個(gè)，還有127個(gè)地址可以連接USB設(shè)備。USB規(guī)范中，USB設(shè)備與USB集線器的連接點(diǎn)被稱作為端口（Port）。每個(gè)USB集線器將一個(gè)連接點(diǎn)轉(zhuǎn)化成多個(gè)連接點(diǎn)。1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)6號(hào)7號(hào)5號(hào)8口USB集線器上行端口接pc或上一級(jí)集線器7個(gè)下行端口3．USB設(shè)備通過(guò)總線與USB主機(jī)相連的稱為USB設(shè)備全速設(shè)備（12Mb/s）低速設(shè)備（1.52Mb/s)高速設(shè)備（480Mb/s;USB2.0）總線接口是最底層的物理實(shí)體，是USB發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的接口。邏輯設(shè)備處于中間層次，基本上就是USB協(xié)議的主體。功能單元提供不同USB設(shè)備各自的特定功能USB設(shè)備提供了各種屬性:描述符（Descriptor）類（Class）功能（Function）/接口（Interface）端點(diǎn)（Endpoint）管道（Pipe）設(shè)備地址（DeviceAddress）9.1.3USB的物理接口1．USB連線4線電纜D+與D?用來(lái)進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸VBUS的電壓為＋5V最長(zhǎng)可以5米D+D-D+D-GNDGNDVBUSVBUS2．USB連接器A型和B型兩種插頭和插座USBA型插座USBA型插頭

Mini-USBA型插座 Mini-USBA型插頭3．供電模式自供電（Self-Powered）總線供電（Bus-Powered）4．低功耗正常工作（Normal）狀態(tài)掛起（Suspend）狀態(tài)5．即插即用9.2USB通信協(xié)議9.2.1通信模型客戶軟件USB系統(tǒng)軟件USB主機(jī)控制器USB應(yīng)用USB邏輯設(shè)備USB總線接口主機(jī)物理設(shè)備USB通信邏輯上分三層：信號(hào)層：實(shí)現(xiàn)在USB設(shè)備和主機(jī)的物理連接之間傳輸位信息流的信息。信號(hào)層傳輸?shù)奈恍畔⒘鞣Q為包（Packet）協(xié)議層（邏輯層）：實(shí)現(xiàn)在USB設(shè)備和USB主機(jī)端的協(xié)議軟件之間傳輸包字節(jié)流的信息。協(xié)議層傳輸?shù)陌畔⒘鞣Q為事務(wù)處理（Transaction）數(shù)據(jù)傳輸層：實(shí)現(xiàn)在USB主機(jī)端的客戶端驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備端的功能接口之間傳輸有一定意義的信息，這些信息在協(xié)議層被打包成包格式。數(shù)據(jù)傳輸層傳輸?shù)男畔⒘鞣Q為傳輸（Transfer）。協(xié)議層在邏輯上將設(shè)備分成了三層實(shí)體：總線接口:傳送和接收數(shù)據(jù)信號(hào)，識(shí)別設(shè)備的當(dāng)前唯一地址端點(diǎn):設(shè)備端用于傳輸數(shù)據(jù)的接收點(diǎn)和發(fā)送點(diǎn)，它的功能相當(dāng)于其它總線設(shè)備的I/O端口。功能接口:由一組端點(diǎn)組成，用來(lái)完成特定的功能。9.2.2數(shù)據(jù)格式

1．包的組成同步字段包標(biāo)識(shí)字段 數(shù)據(jù) 校驗(yàn)字段 包結(jié)尾字段（SYNC）（PID） 字段 （CRC） （EOP）同步字段： 用于數(shù)據(jù)包位同步包標(biāo)識(shí)符（PID、PacketIdentifier）字段：令牌包（TokenPacket）數(shù)據(jù)包（DataPacket）握手包（HandshakePacket）特殊包（SpecialPacket，也稱為專用包）。數(shù)據(jù)字段：攜帶主機(jī)與設(shè)備之間要傳遞的信息；CRC字段：用來(lái)檢測(cè)包中數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，只存在于令牌包和數(shù)據(jù)包中。包結(jié)尾字段 ：作為包的結(jié)束標(biāo)志。2．包的類型（1）令牌包（TokenPacket）起始令牌包（SOF）輸入令牌包（IN）輸出令牌包（OUT）設(shè)置令牌包（SETUP）同步字段（8位）CRC5（5位）PID（8位）EOP（2～3位）7位設(shè)備地址4位端點(diǎn)11位序列幀號(hào)（2）數(shù)據(jù)包USB1.X規(guī)范支持DATA0、DATA1類數(shù)據(jù)PID。在USB2.0規(guī)范中，新添加了DATA2的數(shù)據(jù)PID。其中DATA0表示的數(shù)據(jù)包是數(shù)據(jù)傳輸中的第1、3、5等奇數(shù)包，而DATA1所表示的數(shù)據(jù)包是數(shù)據(jù)傳輸中的第2、4、6等偶數(shù)包。同步字段（8位）CRC16（16位）PID（8位）EOP（2～3位）數(shù)據(jù)（0～1023字節(jié)）（3）握手包ACK（應(yīng)答Acknowledge）NAK（無(wú)應(yīng)答NoAcknowledge）STALL（中止）。同步字段（8位）PID（8位）EOP（2～3位）（4）特殊包當(dāng)包中的PID類型為PRE時(shí)，是一種特殊包。PRE稱為前同步，目的是為了提醒USB集線器要傳輸?shù)南乱粋€(gè)包是一個(gè)低速包。前同步是為了讓系統(tǒng)區(qū)分全速設(shè)備和低速設(shè)備。前同步的包結(jié)構(gòu)和握手包類似，但是沒(méi)有包結(jié)尾字段EOP。9.23事務(wù)處理①輸入事務(wù)處理（IN）②輸出事務(wù)處理（OUT）③設(shè)置事務(wù)處理（SETUP）（1）輸入事務(wù)處理（IN）表示USB主機(jī)從總線上的某個(gè)USB設(shè)備接收一個(gè)數(shù)據(jù)包的過(guò)程。輸入事務(wù)的過(guò)程一般包括令牌時(shí)相（令牌包）、數(shù)據(jù)時(shí)相（數(shù)據(jù)包）和握手時(shí)相（握手包）。分下列幾種情況：數(shù)據(jù)正確的事務(wù)過(guò)程數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤的事務(wù)過(guò)程設(shè)備未準(zhǔn)備好。設(shè)備出錯(cuò)。實(shí)時(shí)傳輸?shù)妮斎胧聞?wù)處理（2）輸出事務(wù)處理（OUT）表示USB主機(jī)向總線上的某個(gè)USB設(shè)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的過(guò)程。正確情況下，USB主機(jī)先發(fā)出令牌包，接著發(fā)出數(shù)據(jù)包，對(duì)方設(shè)備接著會(huì)向USB主機(jī)返回一個(gè)ACK握手包，表示此事務(wù)處理過(guò)程正確結(jié)束。對(duì)方設(shè)備沒(méi)有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)在握手時(shí)相返回一個(gè)NAK握手包，表示設(shè)備沒(méi)有準(zhǔn)備好或設(shè)備正忙。當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，指定的設(shè)備不返回任何握手包，導(dǎo)致USB主機(jī)超時(shí)重傳。（3）設(shè)置事務(wù)處理（SETUP）設(shè)置事務(wù)處理僅在控制傳輸中使用，表示USB主機(jī)向某個(gè)USB設(shè)備發(fā)送控制命令。它一般包括令牌時(shí)相（令牌包）、數(shù)據(jù)時(shí)相（數(shù)據(jù)包）和握手時(shí)相（握手包）三部分。事務(wù)處理的特點(diǎn)：USB協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)包中的最大長(zhǎng)度為1023字節(jié)，一次事務(wù)處理中最多只有一個(gè)數(shù)據(jù)包，因此設(shè)備和它的客戶端驅(qū)動(dòng)程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可能包括多次事務(wù)處理。數(shù)據(jù)處理的順序規(guī)則由USB主機(jī)總控，它不會(huì)將一個(gè)事務(wù)處理分到不同的幀中。在事務(wù)處理中，包是按順序傳輸?shù)?，如令牌包總是在?shù)據(jù)包的前面發(fā)送。所有的令牌包都由USB主機(jī)發(fā)出，設(shè)備不發(fā)送令牌包。設(shè)備端根據(jù)令牌決定自己是否發(fā)送數(shù)據(jù)，而不能未經(jīng)允許發(fā)送數(shù)據(jù)包。9.2.4數(shù)據(jù)傳輸模式1．傳輸類型批量（Bulk）傳輸中斷（Interrupt）傳輸同步（Isochronous）傳輸控制（Control）傳送2．傳輸特點(diǎn)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸方向性流量控制數(shù)據(jù)包最大長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的健壯性9.3PC機(jī)的USB應(yīng)用及開發(fā)擴(kuò)展RAM擴(kuò)展ROM其他外設(shè)接口CPUUSB主機(jī)控制器根集線器擴(kuò)展模塊USB接口供電模塊USB接口USB接口USB收發(fā)器USBSID模塊USB設(shè)備功能模塊1功能模塊nUSB連線注：USBSIE：USB串行接口引擎應(yīng)用軟件客戶端驅(qū)動(dòng)程序USBDHC驅(qū)動(dòng)程序主機(jī)硬件設(shè)備功能非0端點(diǎn)0端點(diǎn)USB接口軟件硬件

（A）硬件結(jié)構(gòu) （B）軟件結(jié)構(gòu)PC機(jī)中的USB應(yīng)用USB設(shè)備開發(fā)流程設(shè)備需求分析設(shè)備硬件需求設(shè)備軟件需求設(shè)備硬件設(shè)計(jì)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)軟硬件集成設(shè)備測(cè)試USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需求驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)USB主機(jī)9.4USB2.0簡(jiǎn)介1999年2月，Compaq、HP、Intel等7家廠商聯(lián)合制定了USB2.0規(guī)范。USB2.0將設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到了480Mb/s，保證了向下兼容。USB2.0支持:低速傳輸（1.5Mb/s）;全速傳輸（12Mb/s）;高速傳輸（480Mb/s）。支持4種不同類型的數(shù)據(jù)傳輸方式：批量傳輸、中斷傳輸、同步傳輸、控制傳輸。USB2.0增加了新的令牌數(shù)據(jù)包，如PING數(shù)據(jù)包。廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)傳輸、高速存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信方面。9.5高速串行接口IEEE1394簡(jiǎn)介1394卡的全稱是IEEE1394InterfaceCard（IEEE1394HighPerformanceSerialBusStandard），它是IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織1994年制定的一項(xiàng)具有視頻數(shù)據(jù)傳輸速度的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1394接口最初由蘋果公司開發(fā)，據(jù)說(shuō)早期是為了取代并不普及的SCSI接口而設(shè)計(jì)的，英文取名為FireWare，也即后來(lái)中文大家稱其為火線。9.5.1IEEE1394的主要特點(diǎn)如下：①數(shù)字接口。②支持熱插拔和即插即用。③速度快。IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)定義了三種傳輸速率：98.304Mbps，196.608Mbps，392.216Mbps。因?yàn)檫@三種速率分別在100Mbps，200Mbps，400Mbps附近，所以標(biāo)準(zhǔn)中亦稱之為S100，S200，S400。這個(gè)速度完全可以用來(lái)傳輸未經(jīng)壓縮的動(dòng)態(tài)畫面信號(hào)。而IEEE1394.b標(biāo)準(zhǔn)正在研討支持800Mbps和1600Mbps的傳輸速率。④接口設(shè)備對(duì)等（peer－to－peer）。不分主從設(shè)備，都是主導(dǎo)者和服務(wù)者。其中有足夠的智能用于連接，不需附加控制功能。不通過(guò)計(jì)算機(jī)而在兩臺(tái)攝像機(jī)之間可以直接傳輸數(shù)據(jù)，也可以讓多臺(tái)計(jì)算機(jī)共享一臺(tái)攝像機(jī)。USB分主從設(shè)備。從設(shè)備只能接受主設(shè)備的控制，所以兩臺(tái)從設(shè)備是無(wú)法通信的。⑤物理體積小，制造成本低，易于安裝。⑥非專利性。使用IEEE1394串行總線不存在專利問(wèn)題。9.5.2IEEE1394的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1．節(jié)點(diǎn)和模塊體系處理器I/O處理器標(biāo)識(shí)和寄存器標(biāo)識(shí)和寄存器節(jié)點(diǎn)模塊單元系統(tǒng)總線單元（unit）：節(jié)點(diǎn)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)具體功能的部分。節(jié)點(diǎn)（node）：模塊內(nèi)部的一個(gè)邏輯實(shí)體，擁有唯一的地址。模塊（module）：連接到總線上的物理設(shè)備。每個(gè)模塊包含一個(gè)或多個(gè)可以獨(dú)立初始化和配置的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)物理接口2．拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CPU存儲(chǔ)器I/OCPUCPU存儲(chǔ)器I/OCPU并行總線串行總線（底板環(huán)境）總線橋總線橋I/OI/O節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)并行總線串行總線（底板環(huán)境）串行總線（線纜環(huán)境）3．尋址64位固定尋址方式高16位為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)。而節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)又分為兩部分：總線標(biāo)識(shí)（Bus_ID）占10位，物理標(biāo)識(shí)（Physical_ID）占6位。余下的48位作為節(jié)點(diǎn)內(nèi)部尋址初始內(nèi)存空間私有空間初始寄存器空間9.6.21394的物理接口1物理接口2．連線線纜包括兩對(duì)雙絞線和一對(duì)電源線。雙絞線中傳輸?shù)氖瞧胶獾牟罘中盘?hào)，電源線通過(guò)總線為設(shè)備供電，額定直流電壓為8~40V。線纜分為六芯線纜和四芯線纜兩種，在四芯線纜中省去了電源線和地線，其余信號(hào)功能類似于六芯線纜.9.6.3IEEE1394通信協(xié)議軟件驅(qū)動(dòng)器異步事務(wù)接口等時(shí)事務(wù)接口總線管理接口時(shí)鐘控制包接收包發(fā)送鏈路層鏈路層服務(wù)事務(wù)層（讀/寫/鎖定）事務(wù)層服務(wù)總線管理器等時(shí)資源管理器節(jié)點(diǎn)控制器仲裁同步編碼/解碼物理接口總線初始化信號(hào)物理層物理層服務(wù)管理層服務(wù)三個(gè)協(xié)議層:事務(wù)層：支持異步傳輸?shù)淖x、寫和鎖定操作，遵循CSR結(jié)構(gòu)的請(qǐng)求/響應(yīng)協(xié)議;鏈路層：主要為事務(wù)層服務(wù)，它實(shí)現(xiàn)對(duì)等時(shí)和異步數(shù)據(jù)包的尋址