1、第第9章章 高速串行總線高速串行總線 由于計算機的速度越來越快，處理的數據也由于計算機的速度越來越快，處理的數據也越來越大。與計算機交換數據的設備的速度越來越大。與計算機交換數據的設備的速度也隨之提高，這就促進了高速串行總線接口也隨之提高，這就促進了高速串行總線接口的發展。最典型就是的發展。最典型就是USB接口接口IEEE1394接接口。本章主要教學內容口。本章主要教學內容 USB系統原理及組成系統原理及組成 USB通信協議通信協議 IEEE 1394系統結構系統結構 IEEE 1394的通信協議的通信協議9.1 9.1 高速串行接口高速串行接口USBUSB簡介簡介9.1.19.1.1USBU

2、SB接口的特點接口的特點 USB (Universal Serial Bus，通用串行總線，通用串行總線)接口，是接口，是1995年年11月由月由Compaq IBM 等大等大公司聯合推出的。目前已是個人計算機上的公司聯合推出的。目前已是個人計算機上的主要接口。它具有以下特點：主要接口。它具有以下特點：可以熱插拔可以熱插拔 ：通電的情況下可以直接連接：通電的情況下可以直接連接USB設備或卸載設備或卸載USB設備，做到即插即用。設備，做到即插即用。標準統一標準統一 ：USB接口采用標準的接口采用標準的4針插頭座，針插頭座，它們分別是它們分別是VBus（電源端）、（電源端）、D+（數據（數據）、）

3、、D-(數據數據-)、GND(地）。插頭座分地）。插頭座分A系系列和列和B系列。系列。具有供電功能：標準的具有供電功能：標準的USB HUB可以直接可以直接向連接在接口上的向連接在接口上的USB設備提供設備提供5V、500mA電流電源。電流電源。USB設備攜帶方便。設備攜帶方便。 可以連接多個設備：一個主可以連接多個設備：一個主USB控制器可以控制器可以連接多個連接多個USB設備，最高可以通過級聯擴展設備，最高可以通過級聯擴展連接至連接至127個設備個設備) 。速度快：速度快：USB1.1標準的傳輸速率為標準的傳輸速率為12Mbps，而而USB2.0標準傳輸速率標準傳輸速率480Mbps。 完

4、全向完全向下兼容。下兼容。新的新的USB3.0標準傳輸速率標準傳輸速率5Gbps。 9.1.2.USB9.1.2.USB體系結構體系結構 在物理上，在物理上，USBUSB系統由三個部分組成：系統由三個部分組成：一是具備一是具備USBUSB接口的計算機系統；接口的計算機系統；二是支持二是支持USBUSB接口的系統軟件，接口的系統軟件，三是使用三是使用USBUSB接口的設備。接口的設備。有層次性的星型結構有層次性的星型結構USB設備設備 3USB設備設備 4USB設備設備 5USB 集線器集線器 3USB集線器集線器 4USB 設備設備2USB集線器集線器 2USB設備設備 1USB集線器集線器

5、1根集線器根集線器USB主機主機根層根層1層層2層層3層層4層層復合設備復合設備USB主機控制器主機控制器 USB框架中包含的硬件有：框架中包含的硬件有：USB主機、主機、USB集線器集線器USB設備設備 USB框架中包含的軟件有：框架中包含的軟件有： USB主機控制器驅動程序主機控制器驅動程序 USB驅動程序驅動程序 USB設備驅動程序。設備驅動程序。1 1USBUSB主機主機 USBUSB只有主機才能擔當主控端。只有主機才能擔當主控端。USBUSB主機一主機一般具有以下功能：般具有以下功能：檢測檢測USBUSB設備的插拔動作（通過根集線器來設備的插拔動作（通過根集線器來實現）；實現）；管理

6、管理USBUSB主機與主機與USBUSB設備之間的控制流；設備之間的控制流；管理管理USBUSB主機與主機與USBUSB設備之間的數據流；設備之間的數據流；收集收集USBUSB主機的狀態和主機的狀態和USBUSB設備的動作信息。設備的動作信息。2 2USBUSB集線器集線器 集線器采用一對多的方式連接外設，集線器采用一對多的方式連接外設，7 7位地位地址，共址，共128128個，個，USBUSB主機控制器必須保留一主機控制器必須保留一個，還有個，還有127127個地址可以連接個地址可以連接USBUSB設備。設備。 USBUSB規范中，規范中，USBUSB設備與設備與USBUSB集線器的連接點集

7、線器的連接點被稱作為端口（被稱作為端口（PortPort）。每個）。每個USB USB 集線器集線器將一個連接點轉化成多個連接點將一個連接點轉化成多個連接點。 1 1號號2 2號號3 3號號4 4號號6 6號號7 7號號5 5號號8 8口口USBUSB集線器集線器上行端口上行端口接接pcpc或上一級集線器或上一級集線器7 7 個下行端口個下行端口3USB設備設備 通過總線與通過總線與USB主機相連的稱為主機相連的稱為USB設備設備 全速設備（全速設備（12Mb/s） 低速設備（低速設備（1.52Mb/s) 高速設備（高速設備（480Mb/s ; USB 2.0） 總線接口總線接口 是最底層的物

8、理實是最底層的物理實體，是體，是USB發送和接收數據的發送和接收數據的接口。接口。邏輯設備邏輯設備 處于中間層次，基處于中間層次，基本上就是本上就是USB協議的主體。協議的主體。功能單元功能單元 提供不同提供不同USB設備設備各自的特定功能各自的特定功能USB設備提供了各種屬性設備提供了各種屬性: 描述符（描述符（Descriptor） 類（類（Class） 功能（功能（Function）/接口（接口（Interface） 端點（端點（Endpoint） 管道（管道（Pipe） 設備地址（設備地址（Device Address）9.1.3 USB的物理接口的物理接口1USB連線連線 4線電纜線

9、電纜 D+與與D用來進行差分數據傳輸用來進行差分數據傳輸 VBUS 的電壓為的電壓為5V 最長可以最長可以5米米 D D+ +D D- -D D+ +D D- -GNDGNDGNDGNDV VBUSBUSV VBUSBUS2USB連接器連接器 A型和B型兩種插頭和插座USB A型插座型插座 USB A型插頭型插頭 Mini-USB A型插座型插座 Mini-USB A型插頭型插頭 3供電模式供電模式 自供電（自供電（Self-Powered ） 總線供電（總線供電（Bus -Powered） 4低功耗低功耗 正常工作（正常工作（Normal）狀態）狀態 掛起（掛起（Suspend）狀態）狀態

10、5即插即用即插即用9.2 USB通信協議通信協議9.2.1 通信模型通信模型客戶軟件客戶軟件USBUSB系統軟件系統軟件USBUSB主機控制器主機控制器USBUSB應用應用USBUSB邏輯設備邏輯設備USBUSB總線接口總線接口主機主機物理設備物理設備USB通信邏輯上分三層：通信邏輯上分三層： 信號層：實現在信號層：實現在USB設備和主機的物理連接設備和主機的物理連接之間傳輸位信息流的信息。信號層傳輸的位之間傳輸位信息流的信息。信號層傳輸的位信息流稱為包（信息流稱為包（Packet） 協議層（邏輯層）：實現在協議層（邏輯層）：實現在USB設備和設備和USB主機端的協議軟件之間傳輸包字節流的信息

11、。主機端的協議軟件之間傳輸包字節流的信息。協議層傳輸的包信息流稱為事務處理協議層傳輸的包信息流稱為事務處理（Transaction） 數據傳輸層：實現在數據傳輸層：實現在USB主機端的客戶端驅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，這些信息在協議層被打包成包意義的信息，這些信息在協議層被打包成包格式。數據傳輸層傳輸的信息流稱為傳輸格式。數據傳輸層傳輸的信息流稱為傳輸（Transfer）。）。協議層在邏輯上將設備分成了三層實體：協議層在邏輯上將設備分成了三層實體： 總線接口總線接口:傳送和接收數據信號，識別設備傳送和接收數據信號，識

12、別設備的當前唯一地址的當前唯一地址 端點端點:設備端用于傳輸數據的接收點和發送設備端用于傳輸數據的接收點和發送點，它的功能相當于其它總線設備的點，它的功能相當于其它總線設備的I/O端端口口 。 功能接口功能接口:由一組端點組成，用來完成特定由一組端點組成，用來完成特定的功能。的功能。 9.2.2 9.2.2 數據格式數據格式 1包的組成包的組成同步字段同步字段 包標識字段包標識字段 數據數據 校驗字段校驗字段 包結尾字段包結尾字段（SYNCSYNC） （PIDPID） 字段字段 （CRCCRC） （EOPEOP）同步字段同步字段：用于數據包位同步用于數據包位同步包標識符（包標識符（PIDPID

13、、PacketPacket IdentifierIdentifier）字段）字段：令牌包（令牌包（TokenToken Packet Packet）數據包（數據包（DataData Packet Packet）握手包（握手包（HandshakeHandshake Packet Packet）特殊包（特殊包（SpecialSpecial PacketPacket，也稱為專用包，也稱為專用包）。）。數據字段數據字段：攜帶主機與設備之間要傳遞的信息攜帶主機與設備之間要傳遞的信息；CRCCRC字段字段：用來檢測包中數據的錯誤，只存在于令用來檢測包中數據的錯誤，只存在于令牌包和數據包中牌包和數據包中。包

14、結尾字段包結尾字段：作為包的結束標志：作為包的結束標志 。2包的類型包的類型（1）令牌包（）令牌包（Token Packet）起始令牌包（起始令牌包（SOF）輸入令牌包（輸入令牌包（IN）輸出令牌包輸出令牌包（ OUT）設置令牌包（設置令牌包（SETUP） 同步字段同步字段（8 8位）位）CRC5CRC5（5 5位）位）PIDPID（8 8位）位）EOPEOP（2 23 3位）位）7 7位設備地址位設備地址 4 4位端點位端點11 11位序列幀號位序列幀號（2）數據包）數據包 USB 1.X規范支持規范支持DATA0、DATA1類數據類數據PID 。 在在USB2.0規范中，新添加了規范中，新

15、添加了DATA2的數據的數據PID 。 其中其中DATA0表示的數據包是數據傳輸中的第表示的數據包是數據傳輸中的第1、3、5 等奇數包，而等奇數包，而DATA1所表示的數據所表示的數據包是數據傳輸中的第包是數據傳輸中的第2、4、6 等偶數包等偶數包。 同步字段同步字段（8 8位）位）CRC16CRC16（1616位）位）PIDPID（8 8位）位）EOPEOP（2 23 3位）位）數據數據（0 010231023字節）字節）（3）握手包）握手包ACK（應答（應答Acknowledge）NAK（無應答（無應答No Acknowledge）STALL（中止）。（中止）。 同步字段同步字段（8 8位

16、）位）PIDPID（8 8位）位）EOPEOP（2 23 3位）位）（4）特殊包）特殊包 當包中的當包中的PID 類型為類型為PRE時，是一種特殊包。時，是一種特殊包。PRE稱為前同步，目的是為了提醒稱為前同步，目的是為了提醒USB集線集線器要傳輸的下一個包是一個低速包。器要傳輸的下一個包是一個低速包。 前同步是為了讓系統區分全速設備和低速設前同步是為了讓系統區分全速設備和低速設備。前同步的包結構和握手包類似，但是沒備。前同步的包結構和握手包類似，但是沒有包結尾字段有包結尾字段EOP。9.2 3 事務處理事務處理輸入事務處理（輸入事務處理（IN）輸出事務處理（輸出事務處理（OUT）設置事務處理

17、（設置事務處理（SETUP）（1）輸入事務處理（）輸入事務處理（IN） 表示表示USB主機從總線上的某個主機從總線上的某個USB設備接設備接收一個數據包的過程。收一個數據包的過程。 輸入事務的過程一般包括令牌時相（令牌輸入事務的過程一般包括令牌時相（令牌包）、數據時相（數據包）和握手時相包）、數據時相（數據包）和握手時相（握手包）。分下列幾種情況：（握手包）。分下列幾種情況：數據正確的事務過程數據正確的事務過程 數據包錯誤的事務過程數據包錯誤的事務過程 設備未準備好。設備未準備好。 設備出錯設備出錯 。實時傳輸的輸入事務處理實時傳輸的輸入事務處理 （2） 輸出事務處理（輸出事務處理（OUT）

18、表示表示USB 主機向總線上的某個主機向總線上的某個USB設備發設備發送一個數據包的過程送一個數據包的過程 。 正確情況下，正確情況下，USB主機先發出令牌包，接著主機先發出令牌包，接著發出數據包，對方設備接著會向發出數據包，對方設備接著會向USB主機返主機返回一個回一個ACK握手包，表示此事務處理過程正握手包，表示此事務處理過程正確結束。確結束。 對方設備沒有準備好接收數據時，就會在握對方設備沒有準備好接收數據時，就會在握手時相返回一個手時相返回一個NAK 握手包，表示設備沒握手包，表示設備沒有準備好或設備正忙。有準備好或設備正忙。 當發送的數據包出現錯誤時，指定的設備不當發送的數據包出現錯

19、誤時，指定的設備不返回任何握手包，導致返回任何握手包，導致USB主機超時重傳。主機超時重傳。（3） 設置事務處理（設置事務處理（SETUP） 設置事務處理僅在控制傳輸中使用，表示設置事務處理僅在控制傳輸中使用，表示USB 主機向某個主機向某個USB 設備發送控制命令。設備發送控制命令。它一般包括令牌時相（令牌包）、數據時相它一般包括令牌時相（令牌包）、數據時相（數據包）和握手時相（握手包）三部分。（數據包）和握手時相（握手包）三部分。事務處理的特點：事務處理的特點： USB協議規定的數據包中的最大長度為協議規定的數據包中的最大長度為1023字節，一次事務處理中最多只有一個字節，一次事務處理中最

20、多只有一個數據包，因此設備和它的客戶端驅動程序之數據包，因此設備和它的客戶端驅動程序之間進行數據傳輸可能包括多次事務處理。間進行數據傳輸可能包括多次事務處理。 數據處理的順序規則由數據處理的順序規則由USB 主機總控，它主機總控，它不會將一個事務處理分到不同的幀中。不會將一個事務處理分到不同的幀中。 在事務處理中，包是按順序傳輸的，如令牌在事務處理中，包是按順序傳輸的，如令牌包總是在數據包的前面發送。包總是在數據包的前面發送。 所有的令牌包都由所有的令牌包都由USB 主機發出，設備不主機發出，設備不發送令牌包。發送令牌包。 設備端根據令牌決定自己是否發送數據，而設備端根據令牌決定自己是否發送數

21、據，而不能未經允許發送數據包。不能未經允許發送數據包。 9.2.4 數據傳輸模式數據傳輸模式1傳輸類型傳輸類型批量（批量（Bulk）傳輸）傳輸中斷（中斷（Interrupt）傳輸）傳輸同步（同步（Isochronous）傳輸）傳輸控制（控制（Control）傳送）傳送2傳輸特點傳輸特點傳輸速率傳輸速率數據傳輸方向性數據傳輸方向性流量控制流量控制數據包最大長度數據包最大長度數據的健壯性數據的健壯性9.3 PC機的機的USB應用及開發應用及開發擴展擴展 RAM擴展擴展 ROM其他外設其他外設接口接口CPUUSB 主機主機控制器控制器根集線器根集線器擴展模塊擴展模塊USB 接口接口供電模塊供電模塊U

22、SB接口接口USB接口接口USB收發器收發器USBSIDSID模模塊塊USB設備設備功能功能模塊模塊1 1功能功能模塊模塊n nUSB 連線連線注注： USB SIE ：USB 串行接口引擎串行接口引擎應用軟件應用軟件客戶端驅動客戶端驅動程序程序USBDHCHC驅動程序驅動程序主機硬件主機硬件設備功能設備功能非非0端點端點0端點端點USBUSB接口接口軟件軟件硬件硬件 （A）硬件結構）硬件結構 （B）軟件結構）軟件結構PC機中的機中的USB應用應用USB設備開發流程設備開發流程設備需求分析設備需求分析設備硬件需求設備硬件需求設備軟件需求設備軟件需求設備硬件設計設備硬件設計設備軟件設計設備軟件設

23、計軟硬件集成軟硬件集成設備測試設備測試USBUSB設備設備驅動程序需求驅動程序需求驅動程序設計驅動程序設計USBUSB主機主機9.4 USB2.0簡介簡介 1999年年2月，月，Compaq、HP、Intel等等7家廠家廠商聯合制定了商聯合制定了USB2.0規范。規范。USB2.0將設備將設備之間的數據傳輸速度增加到了之間的數據傳輸速度增加到了480Mb/s，保，保證了向下兼容。證了向下兼容。 USB2.0支持支持:低速傳輸（低速傳輸（1.5Mb/s）;全速傳全速傳輸（輸（12Mb/s）;高速傳輸（高速傳輸（480Mb/s）。）。 支持支持4種不同類型的數據傳輸方式：批量傳種不同類型的數據傳輸

24、方式：批量傳輸、中斷傳輸、同步傳輸、控制傳輸。輸、中斷傳輸、同步傳輸、控制傳輸。 USB2.0增加了新的令牌數據包，如增加了新的令牌數據包，如PING數數據包。廣泛應用于實時圖像數據傳輸、高速據包。廣泛應用于實時圖像數據傳輸、高速存儲設備的數據通信方面。存儲設備的數據通信方面。9.5高速串行接口高速串行接口IEEE1394簡介簡介1394卡的全稱是卡的全稱是IEEE1394 Interface Card（IEEE1394 High Performance Serial Bus Standard），它是），它是IEEE標準化組織標準化組織1994年制定的一項具有視頻數據傳輸速度年制定的一項具有視

25、頻數據傳輸速度的串行接口標準。的串行接口標準。IEEE1394接口最初由蘋接口最初由蘋果公司開發，據說早期是為了取代并不普及果公司開發，據說早期是為了取代并不普及的的SCSI接口而設計的，英文取名為接口而設計的，英文取名為FireWare，也即后來中文大家稱其為火線。，也即后來中文大家稱其為火線。9.5 .1 IEEE1394的主要特點如下：的主要特點如下：數字接口。數字接口。支持熱插拔和即插即用。支持熱插拔和即插即用。速度快。速度快。IEEE1394標準定義了三種傳輸速標準定義了三種傳輸速率：率：98.304 Mbps，196.608 Mbps，392.216 Mbps。因為這三種速率分別在

26、。因為這三種速率分別在100 Mbps，200 Mbps，400 Mbps附近，附近，所以標準中亦稱之為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壓縮的動這個速度完全可以用來傳輸未經壓縮的動態畫面信號。而態畫面信號。而IEEE 1394.b標準正在研討標準正在研討支持支持800 Mbps和和1600 Mbps的傳輸速率。的傳輸速率。接口設備對等（接口設備對等（peertopeer）。不分）。不分主從設備，都是主導者和服務者。其中有主從設備，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。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

27、攝像機之間可以直不通過計算機而在兩臺攝像機之間可以直接傳輸數據，也可以讓多臺計算機共享一接傳輸數據，也可以讓多臺計算機共享一臺攝像機。臺攝像機。USB分主從設備。從設備只能接受主設備的分主從設備。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。控制，所以兩臺從設備是無法通信的。物理體積小，制造成本低，易于安裝。物理體積小，制造成本低，易于安裝。非專利性。使用非專利性。使用IEEE 1394串行總線不存串行總線不存在專利問題。在專利問題。9.5.2 IEEE1394的拓撲結構的拓撲結構1節點和模塊體系節點和模塊體系處理器處理器I I/ /OO處理器處理器標識和寄存器標識和寄存器標識和寄存

28、器標識和寄存器節點節點模塊模塊單元單元系統總線系統總線 單元（單元（unit）：節點內部實現具體功能的部）：節點內部實現具體功能的部分。分。 節點（節點（node） ：模塊內部的一個邏輯實體，：模塊內部的一個邏輯實體，擁有唯一的地址。擁有唯一的地址。 模塊（模塊（module） ：連接到總線上的物理設：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備。每個模塊包含一個或多個可以獨立初始化和配置的節點，這些節點共享一個物理接化和配置的節點，這些節點共享一個物理接口口 2拓撲結構拓撲結構CPUCPU存儲器存儲器I I/ /OOCPUCPUCPUCPU存儲器存儲器I I/ /OOCPUC

29、PU并行總線并行總線串行總線串行總線 （底板環境底板環境 ）總線橋總線橋總線橋總線橋I I/ /OOI I/ /OO節點節點節點節點并行總線并行總線串行總線串行總線 （底板環境底板環境 ）串行總線串行總線 （線纜環境線纜環境 ）3尋址尋址 64位固定尋址方式位固定尋址方式 高高16 位為節點標識。而節點標識又分為兩位為節點標識。而節點標識又分為兩部分：總線標識（部分：總線標識（Bus_ID）占）占10位，物理位，物理標識（標識（Physical_ID）占）占6 位。位。 余下的余下的48 位作為節點內部尋址位作為節點內部尋址 初始內存空間初始內存空間 私有空間私有空間 初始寄存器空間初始寄存器

30、空間 9.6.2 1394的物理接口的物理接口1物理接口物理接口2連線連線 線纜包括兩對雙絞線和一對電源線。線纜包括兩對雙絞線和一對電源線。 雙絞線中傳輸的是平衡的差分信號，電源雙絞線中傳輸的是平衡的差分信號，電源線通過總線為設備供電，額定直流電壓為線通過總線為設備供電，額定直流電壓為840V。 線纜分為六芯線纜和四芯線纜兩種，在四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功能類似于六芯線纜. 9.6.3 IEEE1394通信協議通信協議軟件驅動器軟件驅動器異步事務接口異步事務接口等時事務接口等時事務接口總線管

31、理接口總線管理接口時鐘控制時鐘控制包接收包接收包發送包發送鏈路層鏈路層鏈路層服務鏈路層服務事務層事務層 （讀讀/ /寫寫/ /鎖定鎖定 ）事務層服務事務層服務總線管理器總線管理器等時資源等時資源管理器管理器節點控制器節點控制器仲裁仲裁同步同步編碼編碼 / /解碼解碼物理接口物理接口總線初始化總線初始化信號信號物理層物理層物理層服務物理層服務管理層服務管理層服務 三個協議層三個協議層: 事務層事務層：支持異步傳輸的讀、寫和鎖定操支持異步傳輸的讀、寫和鎖定操作，遵循作，遵循CSR結構的請求結構的請求/響應協議響應協議; 鏈路層鏈路層：主要為事務層服務，它實現對等主要為事務層服務，它實現對等時和異步數據包的尋址、數據校驗、分析時和異步數據包的尋址、數據校驗、分析等功能等功能； 物理層物理層：實現包括仲裁、同步、編碼實現包括仲裁、同步、編碼/解碼解碼等的功能等的功能。 1事務層事務層 支持異步傳輸的讀、寫和鎖定操作，遵循支持異步傳輸的讀、寫和鎖定操作，遵循CSR結構的請求結構的請求/響應協議響應協議 。事務的處理是多。事務的處理是多線程的線程的 事務層提供了同事務數據流