（测试计量技术及仪器专业论文）基于usb接口的虚拟逻辑分析仪的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着大规模集成电路、可编程逻辑器件、高速数据信号处理器和计算机技术等的 迅猛发展，出现了一类新的测试设备一逻辑分析仪。它是一种分析数字化设备的测试 仪器，主要用于分析数字系统的逻辑关系，有效地解决越来越复杂的数字系统的检测 和故障诊断问题。逻辑分析仪的出现解决了数字设备、计算机及v l s i 超大规模集成电 路在研制、生产、检修和维护中的测试问题。 随着电子技术的迅猛发展，微机的广泛应用，基于p c 的虚拟仪器也将是测试仪器 领域的一大发展趋势。u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线是一种主流的标准计算 机接口。u s b 接口具有即插即用与热插拔的特性。它可使用户迅速方便地连接p c 主 机的各种接口设备。基于u s b 接口的逻辑分析仪充分利用计算机的强大功能，大大突破 了传统仪器仪表在数据传送、处理、显示和存储等方面的限制，在性能方面得到了极大 的提高。因此研究基于u s b 接口的虚拟逻辑分析仪具有一定的经济效益和现实意义。 本文主要介绍了基于u s b 接口的虚拟逻辑分析仪的实现原理和过程。采用现场可 编程器件f p g a ，设计基于u s b 的虚拟逻辑分析仪，大大简化了外围硬件电路。f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种 半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺 点。采用u s b 2 0 接口提高了p c 与外部设备之间的通信速度，传输稳定，使用起来非常 方便，并在一定程度上节约了成本。现如今，这种虚拟仪器的强大功能和较大的价格 优势使得开发基于p c 的虚拟仪器成为一个具有很大发展前景的方向。 关键词：逻辑分析仪；u s b ；f p g a ；虚拟仪器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 曼_ 一_ 一一一一- m m mm。m量蔓 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h el s i ，t h ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，t h eh i g h s p e e d s i g n a lp r o c e s s o r , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d s o o n ，an e wc l a s so ft e s te q u i p m e n t e m e r g e d l o g i ca n a l y z e r i ti sak i n do ft e s ti n s t r u m e n tt oa n a l y s et h ed i g i t a ld e v i c e s ，i s u s u a l l yu s e dt oa n a l y s et h el o g i cr e l a t i o n s h i po ft h ed i g i t a ls y s t e m i tc a ns o l v et h ed e t e c t i o n a n df a u l td i a g n o s i so ft h ed i g i t a ls y s t e me f f e c t i v e l y t h ee m e r g e n c eo ft h el o g i ca n a l y z e r s o l v e st h et e s to ft h ed i g i t a ld e v i c e ，c o m p u t e ra n dv l s ii nr & d ，p r o d u c t i o n ，r e p a i ra n d m a i n t e n a n c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c s ，t h ew i d e l yu s e do ft h ep c ，t h ev i r t u a l i n s t r u m e n tb a s e do np cw i l lb eam a j o rd e v e l o p m e n tt r e n di nt h et e s ti n s t r m n e n t u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i sam a i n s t r e a ms t a n d a r dc o m p u t e ri n t e r f a c e t h eu s bi n t e r f a c eh a s m a n yf e a t u r e s ，s u c ha sp l u ga n dp l a y , h o ts w a p i ta l l o w su s e r st oq u i c k l ya n de a s i l y c o n n e c t i n gav a r i e t yo fi n t e r f a c ed e v i c e so fp c t h el o g i ca n a l y z e rb a s e do nu s bm a k e sf u l l u s eo ft h e c o m p u t e rt ob r e a k t h r o u g ht h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t a t i o ni n t r a n s m i s s i o n ，p r o c e s s i n g , d i s p l a ya n ds t o r a g e ，h a sg r e a t l yi m p r o v e di nc a p a b i l i t y t h e r e f o r e ， r e s e a r c ht h el o g i ca n a l y z e rb a s e do nu s bi n t e r f a c ei sh a sg r e a te c o n o m i ca n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l e sa n dp r o c e s s e so ft h el o g i ca n a l y z e rb a s e do nu s b w i t ht h eh e l po ft h ef i e l d - p r o g r a m m a b l ed e v i c e s - - f p g at od e s i g nt h el o g i ca n a l y z e rb a s e d o nu s b ，g r e a t l ys i m p l i f i e st h ep e r i p h e r a lh a r d w a r ec i r c u i t f p g a - f i e l d - - p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y , i ti s t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tb a s e do np a l ，g a l ，c p l da n do t h e r p r o g r a m m a b l ed e v i c e s i ti sas e m i c u s t o mc i r c u i ti ni n t e g r a t e dc i r c u i tf i e l d f p g an o to n l y s o l v et h el a c ko fc u s t o mc i r c u i t s ，b u ta l s oh a sm o r eg a t e st h a nt h eo l dp r o g r a m m a b l ed e v i c e s w i t ht h eu s b 2 0i n t e r f a c e ，t h el o g i ca n a l y z e rh a sh i g h e rc o m m t m i c a t i o ns p e e dw i t l lp c ， t r a n s m i s s i o ns t a b i l i t y , v e r yc o n v e n i e n tt ou s ea n dt os o m ee x t e n tc o s ts a v i n g s n o w , t h e p o w e ro ft h i sv i m l a li n s t r u m e n ta n dg r e a t e rp r i c ea d v a n t a g em a k e st h ed e v e l o p m e n to f v i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do np cb e c o m eav e r yp r o m i s i n gd i r e c t i o n k e y w o r d s ：l o g i ca n a l y z e r ；u s b ；f p g a ；v i r t u a li n s t r u m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密e l ，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“1 j ”) 学位论文作者签名：纠饴 日期：为扣。弓刁 指导老师签名： 日期： 黜 跏 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 论文采用现场可编程器件f p g a 进行逻辑分析仪硬件部分的开发，完成了前期的 理论调研，硬件电路设计与制板，硬件电路板调试，上位机软件编程及联机调试等工 作。 由于采用f p g a 进行电路设计，大大简化了硬件电路，提高了逻辑分析仪的可靠 性，降低了成本，减小了印刷电路板的尺寸，在功能和性能方面得到了提高，具有很 好的稳定性。采用u s b 2 0 进行数据传输，提高了p c 与外部设备之间的通信速度，传 输稳定。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：多1 乍 日期砷弓刁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 皇曼曼皇量皇曼皇曼曼量量曼曼曼曼量量曼曼量曼曼, , mnm !m,nm, - 曼曼 第一章绪论 1 1 课题的研究意义、国内外现状分析 1 1 1 课题研究意义 2 0 世纪7 0 年代以来，大规模集成电路、可编程逻辑器件、高速数据信号处理器和 计算机技术等高新技术得到迅猛发展，为解决数字设备、计算机及v l s i 超大规模集成 电路在研制、生产、检修和维护中的测试问题，出现了一类新的测试设备数据域 测试仪器。数据域测试仪器包括逻辑笔、逻辑分析仪、特征分析仪、在线仿真仪、数 据图形发生器、嵌入式开发系统、大型测试网络等。其中逻辑分析仪( l o g i ca n a l y z e r 简称l a ) 是最基本、最具有代表性的数据域测试仪器。逻辑分析仪是一种分析数字化 设备硬件和软件的测试仪器，主要用于分析数字系统的逻辑关系，有效地解决越来越 复杂的数字系统的检测和故障诊断问题。 随着电子技术的迅猛发展，微机的广泛应用，基于p c 的虚拟仪器也将是测试仪器 领域的一大发展趋势。随着计算机技术的飞速发展，计算机上的传统接口( 并口、串口) 已经无法满足p c 与外部设备之间不断提高的速度以及稳定性、易用性等要求，并且给 p c 系统的设计者带来了越来越多的麻烦，给用户的使用也带来了诸多不便，限制了计 算机的发展。u s b ( u n i v e r s a ls e 】r i a lb u s ) 通用串行总线是一种主流的标准计算机接口， 通过u s b 接口，实现了即插即用与热插拔的特性。它可使用户迅速方便地连接p c 主 机的各种接口设备。u s b 接口可以更好地满足用户的需要。因此研究基于u s b 接口的 虚拟逻辑分析仪具有一定的经济效益和现实意义。 1 1 2 国内外现状分析 随着数字化和计算机技术在军用和民用领域内应用的日益深入和普及，作为数字 设备重要检测仪器的逻辑分析仪市场状况和前景都很看好。国内逻辑分析仪的应用不 断增强，但是制造业发展不是很快，这主要是因为一方面这种仪器应用较为复杂，价 格也较高，国内使用还不够普及。另一方面，该仪器的大部分市场也已被少数国外公 司占领，所以国内厂商市场份额不大。国外逻辑分析仪产品虽多，但最主要的厂家是 美国的a g i l e n t 公司和t c k t r o n i c s 公司，他们占领的市场份额很大。此外f l u k e 、n i c o l e t 、 g o u l d 、a d v a n t e s t 等公司也均有一些市场份额。我国南京电讯仪器厂、上海无线电二十 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼曼曼蔓曼皇曼皇曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼量曼皇曼曼! 量曼曼曼! 曼曼曼! 曼篡曼蔓曼曼曼曼i u i iime l lm ln i 皇曼曼曼量鼍 一厂、红华仪器厂和电子科技大学均制造了台式逻辑分析仪。但国内真正形成市场份 额的，是与微计算机配合才能工作的逻辑分析仪插卡或外接模块，它们充分利用微计 算机资源，补充逻辑分析仪需要的部分，共同完成仪器功能。这种产品价格较低，便 于普及，即使是仪器领域颇具影响的a g i l e n t 公司，在生产多种高档逻辑分析仪的同时， 最近也推出了这种类型的产品。我国生产与微机配合的这类经济型仪器，有利于逻辑 分析仪在国内的普及。这种产品的生产单位主要有清华大学计算机厂、航天部5 0 2 所、 上海无线电二十六厂、电子科技大学等单位。 逻辑分析仪的发展有不少值得注意的方面。首先是它与网络的结合。不少优秀的 逻辑分析仪都具备网络功能，这便于远地操作、控制，而且所测数据能在网上共享， 也便于专家在远地指导操作人员利用这种仪器对数字设备进行高难度维护、检修。其 次，逻辑分析仪与其它仪器相结合的趋势也值得注意。例如a g i l e n t 公司的1 6 5 0 0 、1 6 6 0 0 和1 6 7 0 0 系列和t e k t r o n i x 公司的9 2 0 0 系列都是模块化的综合逻辑分析系统。它们通 常包括高性能的逻辑分析仪、数字信号发生器和数字示波器等多种仪器。方便使用是 逻辑分析仪推广的重要问题，厂商均比较重视。例如对较复杂的触发设置，一些产品 给出触发事件库，用户只需选择一下或在图形化的界面上连接一下就完成了设置。对 整个逻辑分析仪的操作有的产品也采用w i n d o w s 界面或类似示波器的操作方式，使用 户感到熟悉、方便。在与被测件相连接、显示方式等方面也尽量简便。降低售价是逻 辑分析仪普及的重要条件之一，这也是著名仪器公司推出经济型产品的原因。 与整个仪器的发展趋势相适应，逻辑分析仪也向标准化、便携化的方向发展，因 此研究开发基于u s b 接口的虚拟逻辑分析仪是极其符合这一发展趋势的。 1 2 逻辑分析仪 逻辑分析仪的工作过程就是数据采集、存储、触发、显示的过程，由于它采用数 字存储技术，可将数据采集工作和显示工作分开进行，也可同时进行，必要时，对存 储的数据可以反复进行显示，以利于对问题的分析和研究。 将被测系统接入逻辑分析仪，使用逻辑分析仪的探头( 逻辑分析仪的探头是将若 干个探极集中起来，其触针细小，以便于探测高密度集成电路) 监测被测系统的数据 流，在时钟脉冲控制下进行采样。被采样的信号按顺序存储在存储器中。采样信息以 “先进先出”的原则组织在存储器中，得到显示命令后，按照先后顺序逐一读出信息， 按设定的显示方式进行被测量的显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 逻辑分析仪的主要技术指标 1 逻辑分析仪的通道数 在需要逻辑分析仪的地方，要对一个系统进行全面地分析，就应当把所有应当观 测的信号全部引入逻辑分析仪当中，这样逻辑分析仪的通道数至少应当是：被测系统 的字长( 数据总线数) + 被测系统的控制总线数+ 时钟线数。这样对于一个8 位机系 统，就至少需要3 4 个通道。现在几个厂家的主流产品的通道数也高达3 4 0 通道，例 t e k t r o n i x 等，市面上主流的产品是3 4 通道的逻辑分析仪，用它来分析最常见的8 位系 统。 2 定时采样速率 在定时采样分析时，要有足够的定时分辨率，就应当有足够高的定时分析采样速 率，但是并不是只有高速系统才需要高的采样速率，现在的主流产品的采样速率高达 2 g s s ，在这个速率下，我们可以看到0 5 n s 时间上的细节。 3 状态分析速率 在状态分析时，逻辑分析仪采样基准时钟就用被测试对象的工作时钟( 逻辑分析 仪的外部时钟) ，这个时钟的最高速率就是逻辑分析仪的高状态分析速率。 4 逻辑分析仪的每通道的记录长度 逻辑分析仪的内存是用于存储它所采样的数据，以用于对比、分析、转换( 譬如 将其所捕捉到的信号转换成非二进制信号) 。 5 逻辑分析仪的测试夹具 逻辑分析仪通过探头与被测器件连接，测试夹具起着很重要的作用，测试夹具有 很多种，如飞行头和苍蝇头等。 1 2 2 逻辑分析仪的功能 如前所述，绝大多数逻辑分析仪是两种仪器的合成，第一部分是定时分析仪，第 二部分是状态分析仪。 1 定时分析 定时分析是逻辑分析仪中类似示波器的部分，它与示波器显示信息的方式相同， 水平轴代表时间，垂直轴代表电压幅度。定时分析首先对输入波形的采样，然后使用 用户定义的电压阈值，确定信号的高低电平。定时分析只能确定波形是高还是低，不 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 存在中间电平。所以定时分析就像一台只有1 位垂直分辨率的数字示波器。但是，定 时分析并不能用于测试参量，如果你用定时分析测量信号的上升时间，那你就用错了 仪器。如果你要检验几条线上的信号的定时关系，定时分析就是合理的选择。如果定 时分析前一次采样的信号是一种状态，这一次采样的信号是另种状态，那么它就知 道在两次采样之间的某个时刻输入信号发生了跳变，但是，定时分析却不知道精确的 时刻。最坏的情况下，不确定度是一个采样周期。 2 跳变定时 如果我们要对一个长时间没有变化的采样并保存数据，跳变定时能有效地利用存 储器。使用跳变定时，定时分析只保存信号跳变后采集的样本，以及与上次跳变的时 间。 3 毛刺捕获 数字系统中毛刺是令人头疼的问题，某些定时分析仪具有毛刺捕获和触发能力， 可以很容易的跟踪难以预料的毛刺。定时分析可以对输入数据进行有效地采样，跟踪 采样间产生的任何跳变，从而容易识别毛刺。在定时分析中，毛刺的定义是：采样间 穿越逻辑阈值多次的任何跳变。显示毛刺是一种很有用的功能，有助于对毛刺触发和 显示毛刺产生前的数据，从而帮助我们确定毛刺产生的原因。 4 状态分析 逻辑电路的状态是：数据有效时，对总线或信号线采样的样本。定时分析与状态 分析的主要区别是：定时分析由内部时钟控制采样，采样与被测系统是异步的；状态 分析由被测系统时钟控制采样，采样与被测系统是同步的。用定时分析查看事件什么 时候发生，用状态分析检查发生了什么事件。定时分析通常用波形显示数据，状态分 析通常用列表显示数据。 1 3 课题研究内容 本文采用现场可编程器件f p g a ，设计基于u s b 接口的虚拟逻辑分析仪，提高了 p c 与外部设备之间通信的速度以及稳定性、易用性。通过u s b 接口，实现了即插即 用与热插拔的特性。使用起来非常方便，并在一定程度上节约了成本。 研究内容包括： 1 研究了逻辑分析仪的工作原理和主要功能组成； 2 研究了f p g a 工作原理，完成了f p g a 芯片与外围芯片的连接； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 3 研究了u s b 接口芯片的工作原理，设计u s b 接口模块； 4 采用f p g a 芯片进行逻辑分析仪的硬件和软件功能实现； 5 设计了逻辑分析仪上位机界面，进行了软硬件联调，实现逻辑分析仪功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章u s b 原理简介 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线是一种新的串行总线接口规范。当u s b 最早出现在 p c 上时，w i n d o w s 操作系统尚未包含所有外围设备的驱动程序。不过这些问题现在都 已经得到了解决。因为越来越多的控制芯片、开发工具以及操作系统都支持u s b 接口， 事实上，u s b 已经成为外围设备的最新标准接口。 2 1u s b 的特点 u s b 从传统的i o 模式的桎梏中解放出来，开辟了一条外设与p c 机连接的新方法， 与其它老式p c 机接口相比，u s b 具有如下优剧1 1 。 1 热拔插。用户可以把u s b 外设链接到一台正在运行的p c 机上，操作系统能自 动识别，并且用户立刻就可以使用，而不需要重新启动p c 机。用户也可以在任何时候 断开u s b 外设，而不管计算机是否正在运行，这都不会损坏p c 机和外设。 2 即插即用。u s b 实现了自动配置，它不需要用户手工配置i o 地址和中断请求。 当外设接入p c 机时，操作系统会作自动检测到这个连接，并加载合适的驱动程序。对 用户来说，只需稍稍等待几秒钟，u s b 外设的安装就完成了。如果是第一次连接，操 作系统可能会需要用户为其选择合适的设备驱动程序。除此之外，所有的安装都是自 动的。 3 共享式接口。u s b 端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣”式的连接方式。 通过u s b 集线器，一个u s b 主控制器上最多可以连接1 2 6 个外设。 4 接口体积小巧。和其他老式p c 机接口相比，u s b 接口小且薄，更适合于外设 体积的小型化。 5 节省系统资源。在u s b 系统中，只有u s b 主控制器需要使用一根i g q 线和一 些i o 地址空间。对u s b 外设来说，它需要的仅仅是u s b 系统为其分配一个唯一的地 址，而这个地址只有u s b 子系统知道。 6 灵活。u s b 支持3 种类型的传输速率：1 5 m b s 的低速传输、1 2 m b s 的全速传 输、4 8 0 m b s 的高速传输；4 种传输类型：块传输、同步传输、中断传输和控制传输， 这使其能适合多种外设的需求。表2 1 列出了u s b 的应用范围及特性。 7 低成本。u s b 能实现强大的功能，它比以前的接口更加复杂。但是，它的组件 和电缆并不贵，带有u s b 接口的外设和具有同样功能的老式接口外设相比，所需费用 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 差不多，有时会更少一些。 8 可靠性。u s b 系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性。 u s b 发送器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声。在u s b 协议中包含了数据错误和检测机制，用来确保数据准确无误地发送和接收。 9 提供电源。u s b 电缆向外设提供了一根+ 5 v 的电源线；电源的大小取决于集线 器端口，最小为1 0 0 m a ，最大不会超过5 0 0 m a ，用户可以直接使用这个总线电源。另 外，u s b 支持低功耗模式，如果其连续3 m s 没有总线活动的话，u s b 就会自动进入挂 起状态，以节省电能消耗。 1 0 兼容性。u s b 规范有良好的向下兼容性，如u s b 2 0 的主控制器就能很好地兼 容u s b l 1 的产品，操作系统在检测到全速u s b 设备接入时，会自动按照1 2 m b s 的速 率进行传输；而其它高速u s b 设备并不会因为全速设备的连接而减慢它们的传输速率， 它们仍可继续使用4 8 0 m b s 的速率进行传输。 表2 - 1u s b 的应用范围和特性 速度应用特性 低速( l s ) ： 交互设备 键盘、鼠标、输入笔价格低廉、易于使用、热拔插、 1 0 k b s 10 0 k b s 游戏外设、虚拟现实外设可支持多种外设 全速( f s ) ：价格低廉、易于使用、热拔插、 电话、音频信号i s b n 、p b n 、p o t s 、音频可支持多种外设、保证带宽、 5 0 0 k b s , - 一10 m b s保证时延 高速( h s ) ：价格低廉、易于使用、热拔插、 视频、磁盘视频、磁盘可支持多种外设、保证带宽、 2 5 m b s 4 0 0 m b s保证时延、高带宽 当然，u s b 还不能完成一切，其4 8 0 m b s 的传输速率还不是很高，仅为i e e e 1 3 9 4 3 2g b s 速率的1 6 ；这使其只适用于连接低速和中速的外设，如键盘、打印机、视频 等。同时，u s b 还有许多不尽人意之处，如缺少对老硬件设备的支持，连接距离有限， 协议太复杂等。虽然u s b 存在一些缺点，但其突出的优点使之得到了广泛的使用，随 着操作系统、硬件厂商对u s b 的进一步支持，其缺点会慢慢消失的。 2 2u s b 系统描述 在终端用户看来，u s b 系统【1 】就是外设通过一根u s b 电缆和p c 机连接起来。u s b 在外设和p c 机之间提供通信服务，通常把外设称为u s b 设备，把其所连接的p c 机 称为主机，且把指向u s b 主机的数据传输称为上行通信，把指向u s b 设备的数据传 输称为下行通信。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 1u s b 主机 在u s b 主机内部含有u s b 主控制器，负责完成主机和u s b 设备之间的物理数据 传输。目前u s b 主控制器分为两种类型：开放型主控制器( o h c ) 和通用型主控制器 ( u h c ) ，这两种主控制器执行相同的操作，只是在处理方式上稍有差异。主控制器内 部包含一个u s b 根集线器，用于给u s b 系统提供一个或多个连接点( 端口) ，现在p c 机箱后面的那两个u s b 端口就是由根集线器提供的。 u s b 主机种还含有客户软件：u s b 设备驱动程序和界面应用程序，用于和指定的 u s b 设备进行通信，以实现其特殊功能，如传输文件、播放声音等。客户软件是专用 的，根据具体设备的不同而不同，且一般需开发人员自行编写。 u s b 的数据传输是基于令牌的，其所有的通信( 不论是上行通信还是下行通信) 都由u s b 主机启动，所以u s b 主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。u s b 规 定在u s b 系统中只允许存在一个主机。 2 2 2u s b 设备 按u s b 设备功能的不同，可以把其分为两大类：集线器和功能设备。其中，集线 器为u s b 系统提供额外的连接点，它使得一个u s b 端口可以连接多个设备；功能设 备为主机提供额外的功能，如u s b 键盘、数码相机等。 2 2 3u s b 的连接 u s b 物理连接是指一个集线器下行端口和另一集线器上行端口或u s b 功能设备之 间通过u s b 电缆的连接。u s b 高速( 4 8 0 m b s ) 和全速( 1 2 m b s ) 传输需要使用外壳 屏蔽，而且数据线双绞的u s b 电缆；而低速( 1 5 m b s ) 电缆不需要屏蔽和双绞。所有 u s b 电缆都是支持热拔插的，其插头上u s b 图标的触脚指明了正确连接的方向。 u s b 采用层次星型的拓扑连接结构。通过u s b 集线器，一台含有一个u s b 主控 制器的p c 机最多可以连接1 2 6 个外设。 2 2 3 1 连接器 u s b 定义了两种类型的连接器：a 系列和b 系列。a 系列连接器包括a 型插头和 b 型插座，它们相互匹配；a 型插座总是作为u s b 主机或集线器的下行端口，所以a 型插头总是指向上行u s b 主机。b 系列连接器包括b 型插头和b 型插座，它们相互匹 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 配；b 型插座总是作为u s b 设备或集线器的上行端口，所以b 型插头总是指向下行 u s b 设备或集线器。 2 2 3 2 电缆 u s b 电缆内部含有4 根导线：v b u s 、g n d 、d + 、d 。其中v b u s 是+ 5 v 电源线， g n d 是地线，d + 、d 一是差分数据线对。在u s b 连接器上也有4 个管脚，分别对应这 4 根导线，而且电源管脚比数据管脚长，以保证电源信号先于数据信号到达u s b 设备。 这些管脚都有编号，其对应导线的颜色也各不相同，见表2 2 。 表2 - 2 u s b 连接器的4 个管脚 管脚编号导线名称导线颜色管脚编号导线名称导线颜色 l v a u s 红3d +绿 2d 白 4g n d 里 j 、 为了保证数据能在u s b 电缆中无错误地传输，u s b 规范规定全速高速电缆必须 具有外层屏蔽和铜漏线，且差分数据线必须双绞，对低速电缆来说，其传输速率较低， 所以不需要以上特殊处理，且一般不含b 型插头，而需要与u s b 设备永久连接。低速 电缆不能传输高速和全速信号，只是可以使用全速高速电缆来传输低速信号，只是要 注意其长度不能超过低速电缆所允许的最大长度。另外，全速高速电缆既可以是束缚 电缆也可以是分离电缆，而低速电缆必须是束缚电缆。 2 2 3 3u s b 总线拓扑结构 u s b 采用层次星型的总线拓扑结构，这可以防止在u s b 系统中出现环形连接的情 况。主控制器( 包括根集线器) 是该拓扑结构的起点，u s b 集线器是其中心，每一层 都是集线器和功能设备之间点到点的连接，其层次最多为7 层( 包括根层) 。通过这种 层次星型的总线拓扑结构，u s b 系统最多可以支持1 2 7 个u s b 设备( 包括根集线器) 的连接。 在这7 层中，除根集线器外，最多支持5 个集线器的级连，即一个u s b 功能设备 最多可以经过5 个集线器来连接至主机。复合设备被看作是两层，所以它不能连接在 第7 层。如果采用5 m 长u s b 电缆的话，则最大的级连长度为3 0 m ，可见u s b 现在还 不适合长距离的数据传输。 2 3u s b 2 0 数据通信流 u s b 是为主机软件和它的u s b 应用设备间的通信服务的，对客户与应用间不同的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 交互，u s b 设备对数据流有不同的要求。u s b 为此提供了更好的总线使用，它允许各 种不同的数据流相互独立地进入一个u s b 设备。每种通信流【2 】都采取了某种总线访问 方法来完成主机上的软件与设备之间的通信。每个通信都在设备上的某个端点结束。 不同设备的不同端点用于区分不同的通信流。 2 3 1 设备端点 端点是可唯一识别的u s b 设备的一部分，它是主机与设备通信流的一个结束点。 一系列相互独立的端点在一起构成了u s b 逻辑设备。每个逻辑设备有一个唯一的地址， 这个地址是在设备连上主机时由主机分配的，而设备中的每个端点在设备内部有唯一 的端点号。这个端点号是在设备设计时给定的。每个端点都是一个简单的连接点，或 者支持数据流进设备，或者支持其流出设备，两者不可兼得。 端点的特性决定了它与客户软件进行传送的类型。端点有以下特性： 端点的总线访问频率要求。 端点的总线延迟要求。 端点的带宽要求。 端点的端点号。 对错误处理的要求。 端点能接收或发送的包的最大长度。 端点的传送类型。 端点与主机的数据传送方向。 端点号不为0 的端点在被设置前处于未知状态，是不能被主机访问的。 所有u s b 设备都需要实现一个缺省的控制方法。这种方法将端点0 作为输入端 点和输出端点。u s b 系统用这个缺省方法初始化。一旦设备接上并加电，且收到一个 总线复位命令，端点o 就是可访问的了。除缺省控制通道的缺省端点外，其它端点只 有在设备被设置后才可使用。 2 3 2u s b 通道 u s b 通道是设备上的端点和主机上的软件之间的联系，体现主机上缓存和端点间 传送数据的能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 客户软件一般都通过i o 请求包( i r p ) 来要求数据传送。然后或者等待，或者当 传送完成后被通知。i r p 的细节是由操作系统来指定的。客户软件提出与设备上的端点 建立某个方向的数据传送的请求，i r p 就可简单地理解为这个请求。客户软件可以要求 一个通道回送所有的i r p 。当关于i r p 的总线传送结束时，无论它成功地完成还是出 现错误，客户软件都将获得通知说i r p 完成了。 如果通道上没有正在传送的数据，也没有数据想使用此通道，这个通道就处于闲 置状态，主机控制器不对它采取任何动作。 如果非同步通道遇到迫使它给主机发s t a l l 的情况，或者在任何一个i r p 中发现 三个总线错误，这个i r p 将被中止。其它所有突出的i r p 也一同被中止。通道不再接 收任何i r p ，知道客户软件从这个情况中恢复过来，而且承认这个中止或出现的错误， 并发一个u s b d 来表明它已承认。将有一个合适的状态信息通知客户软件i r p 的结果 出错或中止。 通道的端点可以用n a k 信号来通知主机自己正在忙，n a k 不能作为向主机返还 i r p 的中止条件。在一个给定的i r p 处理过程中，可以遇到任意多个n a k ，n a k 不构 成错误。 2 3 3 传送类型 u s b 传输类型包括：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、批量传输( b u l k ) 、中断传输( i m e r r u p t ) 和同 步传输( i s o c h r o n n o u s ) 。 不同的u s b 设备对数据传输提出了不同的要求，如传输数据 的大小、传输速率的高低、需同步传输或突发传输等。表2 3 归纳了它们各自的特点。 表2 - 3u s b 四种传输类型的比较 传输类型端点类型传输方向所传输数据的特点 批量传输块端点烈或o u t大量、无传输时间和传输速率要求 中断传输 中断端点n q 或o u t 少量或中量、有周期性 同步传输同步端点烈或o u t大量、速率恒定、有周期性 控制传输 控制端点玳和o u t 少量、无传输时间要求、传输有保证 2 3 3 1 控制传输 控制传输适用于传输少量的、且对传输时间和传输速率均无要求、但必须保证传 输的数据。u s b 为控制传输保留了带宽，且主机u s b 系统软件可以为它动态的调整其 所需的帧小帧时间，以确保其能被传输。另外，u s b 还采用差错控制和重试机制来保 证控制数据传输的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 iii i iiii ：i i i 曼 2 3 3 2 中断传输 中断传输适用于传输少量或中量的、且对服务周期有要求的数据。u s b 为中断传 输保留了总线带宽，以保证其能在规定的周期内得到服务，但其并不是一直使用准确 的传输速率。另外，u s b 还采用差错控制和重试机制来确保中断传输的正确性。 2 3 3 3 批量传输 批量传输适用于传输大量的、且对传输时间和传输速率均无要求的数据。当u s b 总线带宽紧张时，它会为其它传输类型让出自己所占用的帧小帧时间，而其本身将被 延迟，这时批量传输的传输速率很低、占用的传输时间很长；当u s b 总线空闲时，它 会以很快的速率传输，其传输的时间也很短。所以批量传输科研发送大量的数据而不 会堵塞u s b 总线，但其传输时间和速率却得不到保证。另外，它还采用差错控制和重 试机制来确保数据传输的正确性。 批量传输只能用于高速或者全速u s b 设备。 2 3 3 4 同步传输 同步传输适用于传输大量的、速率恒定的、且对服务周期有要求的数据。u s b 为 同步传输保留了总线带宽，以保证其能在每帧j 、帧中都能得到服务。即同步传输将一 直使用准确的传输速率，因此起传输时间是可以预测的。另外，为确保数据的实时性， 同步传输没有采用差错控制和重试机制，即不能保证每次传输都是成功的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 第三章逻辑分析仪硬件设计 3 1 现场可编程逻辑器件f p g a 可编程逻辑器件【3 】随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。从早期的只能存 储少量数据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存 储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储器( e 2 p r o m ) ，发展! i i i i 完成中大规模的数字 逻辑功能的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( g a l ) ，今天已经发展成为可以 完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编 程逻辑器件( f p g a ) 。随着工艺技术的发展与市场需要，超大规模、高速、低功耗的 新型f p g c p l d 不断推陈出新。新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 或 数字处理器( d s p ) 内核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程 系统( s o p c ，s y s t e m o np r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持。 可编程逻辑器件f p g a 的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这些配置数 据存放在片内的s r a m 或熔丝图上。基于s r a m 的f p g a 器件，在工作前需要从芯片 外部加载配置数据，配置数据可以存储在片外的e p r o m 或其他存储体上，用户可以 控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场编程。用户可以根据不同 的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编 程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻 辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使用。 3 1 1f p g a 设计流程 f p g a 的设计开发流程主要包括四个步骤：设计输入( d e s i g ne n t r y ) 、仿真 ( s i m u l a t i o n ) 、综合( s y n t h e s i s ) 及布局布线( p l a c e & r o u t e ) 。 1 设计输入( d e s i g ne n t r y ) 常用的设计输入方法有以下四种形式：硬件描述语言( h d l ) 输入、原理图输入、波 形输入和状态机输入。目前进行大型工程设计时，最常用的是硬件描述语言( h d l ) 设计 输入方法，其中应用最为广泛的是v i - - i d l 语言和v e r i l o gh d l 语言。它们的共同特点 是利用“自顶向下”的设计方法，利于模块的划分与复用，可移植性好，通用性好，设 计不因芯片的工艺与结构的变化而变化，更利于向a s i c 的移植。后三种是常用的辅助 设计输入方法，它们只能在某些特殊情况下用于缓解设计者的工作量使用，并不适合 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 所有的设计。 2 仿真( s i m u l a t i o n ) 仿真包括功能仿真和时序仿真。其中，功能仿真在布局布线之前；时序仿真在布 局布线之后。仿真工具有m e n t o r 公司的m o d e l s i m 和a l d e c 公司的a c t i v e h d l ，二者 同时支持v h d l 和v e r i l o g 的仿真。m o d e l s i m 同时提供p c 和工作站版本，a c t i v e h d l 只有p c 版本。其中m o d e l s i m 是工业界应用最广的仿真工具，已经成为事实上的标准。 界面简洁，仿真速度快，功能强大而稳定。 功能仿真是电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电 路功能是否符合设计要求。通过功能仿真可以及时发现设计中的错误，加快设计进度， 提高设计的可靠性。 时序仿真是将布局布线的延时文件返标到设计中，使仿真不但包含门延时信息还 包含线延时信息。与前面各种仿真相比，这种后仿真包含的延时信息最为全面、准确， 能较好地反映芯片的实际工作情况。 3 综合( s y n t h e s i s ) 综合工具实现从硬件描述语言、原理图等设计输入到f p g a 或a s i c 网表的生成， 并根据目标和约束条件优化所生成的网表，供f p g a 厂家的布局布线器进行实现。综 合后生成的逻辑网表与芯片实际的配置情况还有较大差距。此时应该使用f p g a 厂商 提供的工具软件，根据所选芯片的型号，将综合输出的网表适配到具体的f p g a 器件