第9章 高速串行總線

第9章高速串行總線 本章內(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高速串行接口簡介 USBUniversalSerialBus 通用串行總線 IEEE1394IEEE1394HighPerformanceSerialBusStandard 1 USB接口的特點 USB接口主要有以下特點 使用方便 即插即用 速度快USB1 X接口的最高傳輸率目前可達12Mb s USB2 0的傳輸速度可以達到480Mb s 連接靈活獨立供電 2 IEEE1394的特點 1 采用 級聯(lián) 方式連接各個外部設(shè)備 2 能夠向被連接的設(shè)備提供電源 3 采用基于內(nèi)存的地址編碼 具有高速傳輸能力 4 采用點對點結(jié)構(gòu) peertopeer 5 安裝方便且容易使用 6 兼容性好 7 廉價 9 2USB體系結(jié)構(gòu) 在物理上 USB系統(tǒng)由三個部分組成 一是具備USB接口的計算機系統(tǒng) 二是支持USB接口的系統(tǒng)軟件 三是使用USB接口的設(shè)備 9 2 1USB拓撲結(jié)構(gòu) 有層次性的星型結(jié)構(gòu) USB框架中包含的硬件有 USB主機 USB集線器USB設(shè)備USB框架中包含的軟件有 USB主機控制器驅(qū)動程序USB驅(qū)動程序USB設(shè)備驅(qū)動程序 1 USB主機 USB只有主機才能擔(dān)當(dāng)主控端USB主機一般具有以下功能 檢測USB設(shè)備的插拔動作 通過根集線器來實現(xiàn) 管理USB主機與USB設(shè)備之間的控制流 管理USB主機與USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流 收集USB主機的狀態(tài)和USB設(shè)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(shè) 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(shè)備 USB規(guī)范中 USB設(shè)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 3 USB設(shè)備 通過總線與USB主機相連的稱為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 Endpoint 管道 Pipe 設(shè)備地址 DeviceAddress 9 2 2USB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 2 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 3USB通信協(xié)議9 3 1通信模型 圖9 6USB通信模型 USB通信邏輯上分三層 信號層實現(xiàn)在USB設(shè)備和主機的物理連接之間傳輸位信息流的信息協(xié)議層 邏輯層 實現(xiàn)在USB設(shè)備和USB主機端的協(xié)議軟件之間傳輸包字節(jié)流的信息 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(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 信號層傳輸?shù)奈恍畔⒘鞣Q為包 Packet 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)備分成了三層實體 總線接口 傳送和接收數(shù)據(jù)信號 識別設(shè)備的當(dāng)前唯一地址端點 設(shè)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(dāng)于其它總線設(shè)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 3 2數(shù)據(jù)格式 1 包的組成同步字段用于數(shù)據(jù)包位同步包標(biāo)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(shè)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(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 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 3 握手包ACK 應(yīng)答Acknowledge NAK 無應(yīng)答NoAcknowledge STALL 中止 4 特殊包當(dāng)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(shè)備和低速設(shè)備 前同步的包結(jié)構(gòu)和握手包類似 但是沒有包結(jié)尾字段EOP 9 33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主機從總線上的某個USB設(shè)備接收一個數(shù)據(jù)包的過程 輸入事務(wù)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(wù)過程數(shù)據(jù)包錯誤的事務(wù)過程設(shè)備未準(zhǔn)備好 設(shè)備出錯 實時傳輸?shù)妮斎胧聞?wù)處理 2 輸出事務(wù)處理 OUT 表示USB主機向總線上的某個USB設(shè)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(shè)備接著會向USB主機返回一個ACK握手包 表示此事務(wù)處理過程正確結(jié)束 對方設(shè)備沒有準(zhǔn)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(shè)備沒有準(zhǔn)備好或設(shè)備正忙 當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯誤時 指定的設(shè)備不返回任何握手包 導(dǎo)致USB主機超時重傳 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主機向某個USB設(shè)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(wù)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(wù)處理中最多只有一個數(shù)據(jù)包 因此設(shè)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(wù)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(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)?如令牌包總是在數(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(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 3 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 4PC機的USB應(yīng)用及開發(fā) A 硬件結(jié)構(gòu) B 軟件結(jié)構(gòu)PC機中的USB應(yīng)用 USB設(shè)備開發(fā)流程 9 5USB2 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(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)用于實時圖像數(shù)據(jù)傳輸 高速存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)通信方面 9 6IEEE1394體系結(jié)構(gòu) IEEE1394HighPerformanceSerialBusStandard 1992年提出1995年正式被IEEE作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)具有64位的尋址空間三種速率 98 304Mbps 196 608Mbps 392 216Mbps 一般稱為100Mbps 200Mbps 400Mbps 9 6 1IEEE1394的拓撲結(jié)構(gòu) 1 節(jié)點和模塊體系 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(shè)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) 3 尋址 64位固定尋址方式 高16位為節(jié)點標(biāo)識 而節(jié)點標(biāo)識又分為兩部分 總線標(biāo)識 Bus ID 占10位 物理標(biāo)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 連接器 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(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 其余信號功能類似于六芯線纜 9 7IEEE1394通信協(xié)議 IEEE1394協(xié)議分層 三個協(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)的請求 響應(yīng)協(xié)議鏈路層主要為事務(wù)層服務(wù) 它實現(xiàn)對等時和異步數(shù)據(jù)包的尋址 數(shù)據(jù)校驗 分析等功能 物理層實現(xiàn)包括仲裁 同步 編碼 解碼等的功能 1 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)的請求 響應(yīng)協(xié)議事務(wù)的處理是多線程的事務(wù)層提供了同事務(wù)數(shù)據(jù)流相關(guān)的服務(wù) 提供4個原語 請求 請求者用來發(fā)起事務(wù) 發(fā)送請求包 指示 用來通知響應(yīng)者一個包的到來 響應(yīng) 響應(yīng)者用來向請求者返回狀態(tài)或 和 數(shù)據(jù) 發(fā)送響應(yīng)包 確認 用來通知請求者請求的響應(yīng)包已經(jīng)返回 2 鏈路層 鏈路層主要為事務(wù)層服務(wù) 它實現(xiàn)對等時和異步數(shù)據(jù)包的尋址 數(shù)據(jù)校驗 分析等功能 異步子事務(wù)等時子事務(wù)4個服務(wù)原語 請求 指示 響應(yīng) 確認 3 物理層 物理層有如下3個功能 把鏈路層的邏輯信號轉(zhuǎn)化成在串行總線上傳輸?shù)碾娦盘?實現(xiàn)仲裁服務(wù) 以保證同一時刻總線上只有一個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù) 為串行總線定義了物理和機械接口 4 總線管理 串行總線管理描述了擁有什么樣的協(xié)議 服務(wù)和操作過程的節(jié)點才可以管