第9章高速串行總線

第9章高速串行總線由于計算機的速度越來越快，處理的數(shù)據(jù)也越來越大。與計算機交換數(shù)據(jù)的設備的速度也隨之提高，這就促進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簡介9.1.1．USB接口的特點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。目前已是個人計算機上的主要接口。它具有以下特點：①可以熱插拔：通電的情況下可以直接連接USB設備或卸載USB設備，做到即插即用。②標準統(tǒng)一：USB接口采用標準的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：標準的USBHUB可以直接向連接在接口上的USB設備提供5V、500mA電流電源。USB設備攜帶方便。④可以連接多個設備：一個主USB控制器可以連接多個USB設備，最高可以通過級聯(lián)擴展連接至127個設備)。⑤速度快：USB1.1標準的傳輸速率為12Mbps，而USB2.0標準傳輸速率480Mbps。完全向下兼容。新的USB3.0標準傳輸速率5Gbps。9.1.2.USB體系結(jié)構(gòu)在物理上，USB系統(tǒng)由三個部分組成：①一是具備USB接口的計算機系統(tǒng)；②二是支持USB接口的系統(tǒng)軟件，③三是使用USB接口的設備。有層次性的星型結(jié)構(gòu)USB設備3USB設備4USB設備5USB集線器3USB集線器4USB設備2USB集線器2USB設備1USB集線器1根集線器USB主機根層1層2層3層4層復合設備USB主機控制器USB框架中包含的硬件有：①USB主機、②USB集線器③USB設備USB框架中包含的軟件有：①USB主機控制器驅(qū)動程序②USB驅(qū)動程序③USB設備驅(qū)動程序。1．USB主機USB只有主機才能擔當主控端。USB主機一般具有以下功能：①檢測USB設備的插拔動作（通過根集線器來實現(xiàn)）；②管理USB主機與USB設備之間的控制流；③管理USB主機與USB設備之間的數(shù)據(jù)流；④收集USB主機的狀態(tài)和USB設備的動作信息。2．USB集線器集線器采用一對多的方式連接外設，7位地址，共128個，USB主機控制器必須保留一個，還有127個地址可以連接USB設備。USB規(guī)范中，USB設備與USB集線器的連接點被稱作為端口（Port）。每個USB集線器將一個連接點轉(zhuǎn)化成多個連接點。1號2號3號4號6號7號5號8口USB集線器上行端口接pc或上一級集線器7個下行端口3．USB設備通過總線與USB主機相連的稱為USB設備全速設備（12Mb/s）低速設備（1.52Mb/s)高速設備（480Mb/s;USB2.0）總線接口是最底層的物理實體，是USB發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的接口。邏輯設備處于中間層次，基本上就是USB協(xié)議的主體。功能單元提供不同USB設備各自的特定功能USB設備提供了各種屬性:描述符（Descriptor）類（Class）功能（Function）/接口（Interface）端點（Endpoint）管道（Pipe）設備地址（DeviceAddress）9.1.3USB的物理接口1．USB連線4線電纜D+與D?用來進行差分數(shù)據(jù)傳輸VBUS的電壓為＋5V最長可以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主機控制器USB應用USB邏輯設備USB總線接口主機物理設備USB通信邏輯上分三層：信號層：實現(xiàn)在USB設備和主機的物理連接之間傳輸位信息流的信息。信號層傳輸?shù)奈恍畔⒘鞣Q為包（Packet）協(xié)議層（邏輯層）：實現(xiàn)在USB設備和USB主機端的協(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為事務處理（Transaction）數(shù)據(jù)傳輸層：實現(xiàn)在USB主機端的客戶端驅(qū)動程序和設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)議層在邏輯上將設備分成了三層實體：總線接口:傳送和接收數(shù)據(jù)信號，識別設備的當前唯一地址端點:設備端用于傳輸數(shù)據(jù)的接收點和發(fā)送點，它的功能相當于其它總線設備的I/O端口。功能接口:由一組端點組成，用來完成特定的功能。9.2.2數(shù)據(jù)格式

1．包的組成同步字段包標識字段 數(shù)據(jù) 校驗字段 包結(jié)尾字段（SYNC）（PID） 字段 （CRC） （EOP）同步字段： 用于數(shù)據(jù)包位同步包標識符（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：攜帶主機與設備之間要傳遞的信息；CRC字段：用來檢測包中數(shù)據(jù)的錯誤，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）設置令牌包（SETUP）同步字段（8位）CRC5（5位）PID（8位）EOP（2～3位）7位設備地址4位端點11位序列幀號（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（應答Acknowledge）NAK（無應答NoAcknowledge）STALL（中止）。同步字段（8位）PID（8位）EOP（2～3位）（4）特殊包當包中的PID類型為PRE時，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€包是一個低速包。前同步是為了讓系統(tǒng)區(qū)分全速設備和低速設備。前同步的包結(jié)構(gòu)和握手包類似，但是沒有包結(jié)尾字段EOP。9.23事務處理①輸入事務處理（IN）②輸出事務處理（OUT）③設置事務處理（SETUP）（1）輸入事務處理（IN）表示USB主機從總線上的某個USB設備接收一個數(shù)據(jù)包的過程。輸入事務的過程一般包括令牌時相（令牌包）、數(shù)據(jù)時相（數(shù)據(jù)包）和握手時相（握手包）。分下列幾種情況：數(shù)據(jù)正確的事務過程數(shù)據(jù)包錯誤的事務過程設備未準備好。設備出錯。實時傳輸?shù)妮斎胧聞仗幚恚?）輸出事務處理（OUT）表示USB主機向總線上的某個USB設備發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的過程。正確情況下，USB主機先發(fā)出令牌包，接著發(fā)出數(shù)據(jù)包，對方設備接著會向USB主機返回一個ACK握手包，表示此事務處理過程正確結(jié)束。對方設備沒有準備好接收數(shù)據(jù)時，就會在握手時相返回一個NAK握手包，表示設備沒有準備好或設備正忙。當發(fā)送的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯誤時，指定的設備不返回任何握手包，導致USB主機超時重傳。（3）設置事務處理（SETUP）設置事務處理僅在控制傳輸中使用，表示USB主機向某個USB設備發(fā)送控制命令。它一般包括令牌時相（令牌包）、數(shù)據(jù)時相（數(shù)據(jù)包）和握手時相（握手包）三部分。事務處理的特點：USB協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)包中的最大長度為1023字節(jié)，一次事務處理中最多只有一個數(shù)據(jù)包，因此設備和它的客戶端驅(qū)動程序之間進行數(shù)據(jù)傳輸可能包括多次事務處理。數(shù)據(jù)處理的順序規(guī)則由USB主機總控，它不會將一個事務處理分到不同的幀中。在事務處理中，包是按順序傳輸?shù)模缌钆瓢偸窃跀?shù)據(jù)包的前面發(fā)送。所有的令牌包都由USB主機發(fā)出，設備不發(fā)送令牌包。設備端根據(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)包最大長度數(shù)據(jù)的健壯性9.3PC機的USB應用及開發(fā)擴展RAM擴展ROM其他外設接口CPUUSB主機控制器根集線器擴展模塊USB接口供電模塊USB接口USB接口USB收發(fā)器USBSID模塊USB設備功能模塊1功能模塊nUSB連線注：USBSIE：USB串行接口引擎應用軟件客戶端驅(qū)動程序USBDHC驅(qū)動程序主機硬件設備功能非0端點0端點USB接口軟件硬件

（A）硬件結(jié)構(gòu) （B）軟件結(jié)構(gòu)PC機中的USB應用USB設備開發(fā)流程設備需求分析設備硬件需求設備軟件需求設備硬件設計設備軟件設計軟硬件集成設備測試USB設備驅(qū)動程序需求驅(qū)動程序設計USB主機9.4USB2.0簡介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。廣泛應用于實時圖像數(shù)據(jù)傳輸、高速存儲設備的數(shù)據(jù)通信方面。9.5高速串行接口IEEE1394簡介1394卡的全稱是IEEE1394InterfaceCard（IEEE1394HighPerformanceSerialBusStandard），它是IEEE標準化組織1994年制定的一項具有視頻數(shù)據(jù)傳輸速度的串行接口標準。IEEE1394接口最初由蘋果公司開發(fā)，據(jù)說早期是為了取代并不普及的SCSI接口而設計的，英文取名為FireWare，也即后來中文大家稱其為火線。9.5.1IEEE1394的主要特點如下：①數(shù)字接口。②支持熱插拔和即插即用。③速度快。IEEE1394標準定義了三種傳輸速率：98.304Mbps，196.608Mbps，392.216Mbps。因為這三種速率分別在100Mbps，200Mbps，400Mbps附近，所以標準中亦稱之為S100，S200，S400。這個速度完全可以用來傳輸未經(jīng)壓縮的動態(tài)畫面信號。而IEEE1394.b標準正在研討支持800Mbps和1600Mbps的傳輸速率。④接口設備對等（peer－to－peer）。不分主從設備，都是主導者和服務者。其中有足夠的智能用于連接，不需附加控制功能。不通過計算機而在兩臺攝像機之間可以直接傳輸數(shù)據(jù)，也可以讓多臺計算機共享一臺攝像機。USB分主從設備。從設備只能接受主設備的控制，所以兩臺從設備是無法通信的。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題。9.5.2IEEE1394的拓撲結(jié)構(gòu)1．節(jié)點和模塊體系處理器I/O處理器標識和寄存器標識和寄存器節(jié)點模塊單元系統(tǒng)總線單元（unit）：節(jié)點內(nèi)部實現(xiàn)具體功能的部分。節(jié)點（node）：模塊內(nèi)部的一個邏輯實體，擁有唯一的地址。模塊（module）：連接到總線上的物理設備。每個模塊包含一個或多個可以獨立初始化和配置的節(jié)點，這些節(jié)點共享一個物理接口2．拓撲結(jié)構(gòu)CPU存儲器I/OCPUCPU存儲器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)點節(jié)點并行總線串行總線（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)點標識。而節(jié)點標識又分為兩部分：總線標識（Bus_ID）占10位，物理標識（Physical_ID）占6位。余下的48位作為節(jié)點內(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．連線線纜包括兩對雙絞線和一對電源線。雙絞線中傳輸?shù)氖瞧胶獾牟罘中盘?，電源線通過總線為設備供電，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，其余信號功能類似于六芯線纜.9.6.3IEEE1394通信協(xié)議軟件驅(qū)動器異步事務接口等時事務接口總線管理接口時鐘控制包接收包發(fā)送鏈路層鏈路層服務事務層（讀/寫/鎖定）事務層服務總線管理器等時資源管理器節(jié)點控制器仲裁同步編碼/解碼物理接口總線初始化信號物理層物理層服務管理層服務三個協(xié)議層:事務層：支持異步傳輸?shù)淖x、寫和鎖定操作，遵循CSR結(jié)構(gòu)的請求/響應協(xié)議;鏈路層：主要為事務層服務，它實現(xiàn)對等時和異步數(shù)據(jù)包的尋址