第9章 高速串行總線

第9章高速串行總線 本章內容 USB系統(tǒng)原理及組成USB通信協(xié)議IEEE1394系統(tǒng)結構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備 2 能夠向被連接的設備提供電源 3 采用基于內存的地址編碼 具有高速傳輸能力 4 采用點對點結構 peertopeer 5 安裝方便且容易使用 6 兼容性好 7 廉價 9 2USB體系結構 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接口的設備 9 2 1USB拓撲結構 有層次性的星型結構 USB框架中包含的硬件有 USB主機 USB集線器USB設備USB框架中包含的軟件有 USB主機控制器驅動程序USB驅動程序USB設備驅動程序 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 檢測USB設備的插拔動作 通過根集線器來實現(xiàn) 管理USB主機與USB設備之間的控制流 管理USB主機與USB設備之間的數(shù)據(jù)流 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化成多個連接點 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 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 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 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 包結尾字段作為包的結束標志 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 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 應答Acknowledge NAK 無應答NoAcknowledge STALL 中止 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 前同步的包結構和握手包類似 但是沒有包結尾字段EOP 9 33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?2 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)?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應用及開發(fā) A 硬件結構 B 軟件結構PC機中的USB應用 USB設備開發(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 6IEEE1394體系結構 IEEE1394HighPerformanceSerialBusStandard 1992年提出1995年正式被IEEE作為工業(yè)標準具有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的拓撲結構 1 節(jié)點和模塊體系 單元 unit 節(jié)點內部實現(xiàn)具體功能的部分 節(jié)點 node 模塊內部的一個邏輯實體 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 拓撲結構 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)點內部尋址初始內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 事務層支持異步傳輸?shù)淖x 寫和鎖定操作 遵循CSR結構的請求 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 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 事務層 支持異步傳輸?shù)淖x 寫和鎖定操作 遵循CSR結構的請求 響應協(xié)議事務的處理是多線程的事務層提供了同事務數(shù)據(jù)流相關的服務 提供4個原語 請求 請求者用來發(fā)起事務 發(fā)送請求包 指示 用來通知響應者一個包的到來 響應 響應者用來向請求者返回狀態(tài)或 和 數(shù)據(jù) 發(fā)送響應包 確認 用來通知請求者請求的響應包已經返回 2 鏈路層 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 數(shù)據(jù)校驗 分析等功能 異步子事務等時子事務4個服務原語 請求 指示 響應 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化成在串行總線上傳輸?shù)碾娦盘?實現(xiàn)仲裁服務 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 服務和操作過程的節(jié)點才可以管