（信号与信息处理专业论文）基于fpga的usb设备接口ip+core的设计.pdf

中文摘要 摘要 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) 是以i n t e l 为首的七家公司( i n t e l ， c o m p a q ，m i c r o s o f t ，i b m ，n e c 等) 共同提出来的，具有成本低、速度快、易于扩展 等优点，它是当今电子产品中应用最为广泛的接口协议之一；然而在电子产品的 设计中，使用u s b 接口并不十分方便，且性价比相对较差。现在，由于e d a 技 术的发展，s o p c ( s y s t e r no nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 极大的提高了电子产品的性价 比，同时也使设计更加方便。因此本论文设计了一个能够应用在s o p c 系统设计 中的u s b 设备接口m 核。 本文主要讨论了u s b 设备接口i p 核的设计。在深入研究了u s b 协议后，决 定在设计中，采用自顶向下的设计方法，降低了设计的复杂度，使得整个设计结 构清晰；同时在设计当中，全部采用硬件描述语言进行编写，使得i p 核的速度得 以大大提高。论文内容主要包括以下几个方面： 1 ) 在分析研究u s b 系统的数据传输方式和通信协议标准基础上，提出了基 于f p g a 的u s b 设备接口m 核的总体设计方案，进行了功能模块划分，即：物理 层模块、u t m i 模块、控制器模块、f i f o 模块、存储器接口模块和协议层模块。 其中物理层模块、控制器模块和协议层模块是整个设备接口的关键模块。 2 1 通过v e r i l o gh d l 硬件描述语言对各个功能模块进行详细的设计。其中， 物理层模块主要用来完成对时钟和数据的分离，进行串行并行的转换；控制器模 块采用了专用控制器的设计方法，完成u s b 设备的枚举和数据传输的工作；协议 层模块通过有限状态机的设计方法成功的实现了复杂的u s b 协议，包括对数据的 打包和解包等工作。 3 1 通过专业软件( q u a r t u si i 和m o d e l s i ms e ) 对u s b 设备接口i p 核进行综合 仿真，对u s b 设备接口的控制端点、i n 端点和o u t 端点进行了测试，验证了数 据传输的正确性。然后对设备接口进行了f p g a 硬件验证，在硬件验证的过程中， u s b 主机( p c 机) 和设备接口进行了成功的u s b 数据通信，并通过u s bh o u n d 软件截取了在u s b 总线上的通信数据。 实验结果表明，论文中设计的u s b 设备接口i p 核能作为一个单独的i p 模块 嵌入到s o p c 系统设计中去，使得u s b 接口在电子产品中的应用更加方便。 关键词：u s b ，i p 核，s o p c ，f p g a ，q u a r t u s i i 英文摘要 a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u sp u t sf o r w a r db ys e v e l lc o r p o r a t i o n s ( i n t e l ，c o m p a q ，m i c r o s o f t ， i b m ，n e c ，n o r t h e r nt e l e c o m ) w h i c ha r el e db y t h ei n t e l i ti sc o s t1 0 w l y , f a s ta n de a s i l y e x p a n d a b l e u s bi so n eo ft h em o s tp e r v a s i v eb u ss t a n d a r d sn o w a d a y si ne l e c t r o n i c p r o d u c t s b u ti nt h ed e s i g no ft h ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，u s i n gt h eu s bi n t e r f a c ei sn o t f a c i l i t a t i o na n dt h ec o s t e f f e c t i v ei sl o w n o w , s o p c ( s y s t e mo n ap r o g r a m m a b l ec h i p ) g r e a t l yi n c r e a s e s t h eh i g hc o s te f f e c t i v e n e s so fe l e c t r o n i cp r o d u c t so w i n gt ot h e d e v e l o p m e n to fe d a t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd e s i g n e dau s b d e v i c ei n t e r f a c ei pc o r e w h i c hc a l lb eu s e di nt h es o p cs y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h er e s e a r c ha n dd e s i g no fu s bd e v i c ei n t e r f a c ei p c o r e t h i sp a p e ru s e st h et o p d o w nd e s i g nm e t h o da f t e rs t u d yt h eu s b p r o t o c o ld e e p l y i tr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h ed e s i g na n dm a k e st h es t r u c t u r eo ft h ew h o l ed e s i g n c l e a r l y a tt h es a m et i m e ，t h es p e e do ft h ei pc o r ei s f a s tb yu s i n gt h eh a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g ei nt h ed e s i g n t h i sp a p e rm a i n l yc o n t a i n st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ) t h i sp a p e rp r e s e n t st h eu s bd e v i c ei n t e r f a c ei pc o r ed e s i g ni d e a sa sw e l la s t h em o d u l ed i v i s i o n a c c o r d i n gb yr e s e a r c h i n gt h ew a yo fd a t at r a n s m i s s i o na n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a n d a r d so ft h eu s bs y s t e m t h e s ef u n c t i o n a lm o d u l e sa r e ： p h y s i c a ll a y e rm o d u l e ，u t m im o d u l e ，c o n 仃o l l e rm o d u l e ，f i f om o d u l e ，m e m o r y i n t e r f a c em o d u l ea n dp r o t o c o ll a y e ri n t e r f a c em o d u l e i nt h e s em o d u l e s ，t h ep h y s i c a l l a y e rm o d u l e ，c o n t r o l l e rm o d u l ea n dp r o t o c o ll a y e ri n t e r f a c e m o d u l ea r e t h em o s t i m p o r t a n to n e s 2 ) a tt h es a m et i m e ，m a k i n gd e t a i l e dd e s i g nf o re a c hf u n c t i o n a lm o d u l eb y v e r i l o gh d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e t h ep h y s i c a ll a y e rm o d u l ei s u s e dt o s e p a r a t et h ec l o c ka n dd a t a t h ec o n t r o l l e rm o d u l ec o m p l e t e st h ee n u m e r a t i o nw o r ka n d d a t at r a n s m i s s i o na c c o r d i n gt h eu s eo ft h ed e d i c a t e dc o n t r o l l e rd e s i g nm e t h o d t h e p r o t o c o ll a y e rm o d u l eu s e st h ef i n i t es t a t em a c h i n ed e s i g nm e t h o dt oa c h i e v es u c c e s si n c o m p l e xo fu s bp r o t o c o l ，i n c l u d i n gt h ep a c ka n du n p a c ko f d a t a 3 ) 删sp a p e rs i m u l a t e st h eu s bd e v i c ei n t e r f a c ei pc o r eb yt h ep r o f e s s i o n a l s o f t w a r e ( q u a r t u si ia n dm o d e l s i ms e ) i nt h es y s t e ms i m u l a t i o n , t h ep a p e rt e s t st h e c o n t r o le n d p o i n t ，i na n do u t e n d p o i n t a c c o r d i n gt oa n a l y z et h ed a t a , v a l i d i t yo ft h e d a t at r a n s m i s s i o ni sp r o v e d t h e nt h i sp a p e rv a l i d a t e st h eu s bd e v i c ei n t e r f a c ei pc o r e b yt h ef p g ah a r d w a r ev e r i f i c a t i o n d u r i n gt h eh a r d w a r ev e r i f i c a t i o n ，t h eu s bh o s ta n d i i i 重庆人学硕士学位论文 t h ed e v i c ei n t e r f a c ea c c o m p l i s ht h eu s bd a t ac o m m u n i c a t i o na n dg e tt h eu s bd a t ab y u s bh o u n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i su s bd e v i c ei n t e r f a c ei pc o r ec a nb eu s e di nt h e s o p cs y s t e i l l 嬲a ni n d e p e n d e n ti pm o d u l ea n di tf a c i l i t a t et h eu s eo ft h ee l e c t r o n i c p r o d u c t si nt h eu s b i n t e r f a c e k e y w o r d s ：u s b ，i pc o r e ，s o p c ，f p g a ，q u a r t u si i i v 学位论文独创性声明 蓬凶滋鲻爹是黑妄师嘉矗篇研妻 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 一名：嘶 签字日期：矿叩多- 甲 签字日期：伊7 否。甲 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 哒 下简称“章程 ) ，愿意将本人的致士学位论文蕊睦蠼塑丛妞塑乒黜 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：盗蕉z 导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是! 盆虱，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书! 鳆装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 u s b 目前已经成为了计算机外设的主要接口，由于u s b 接口的不断发展，以 及应用范围越来越广，使得u s b 的市场前景片光明。本章首先介绍u s b 的出现 和发展以及p 核，接着介绍了u s bi p 核的国内外研究现状，随后又介绍了本课 题的意义，最后对论文的主要内容进行了具体介绍。 1 1 课题背景 1 1 1u s b 的出现与发展 随着科技的发展，计算机应用的领域越来越广泛，而且计算机外设也在不断 增加，因此电脑机箱上原有的计算机的接口数量已经无法满足大量外设连接的需 要，且经常引起各种i o 冲突，这样就大大地限制了计算机应用的发展。因此，人 们希望能有一种通用的接口能够解决这一问题，同时它应该是快速的、双向的、 方便使用的而且价格低廉的接口。 在上述需求下，1 9 9 4 年11 月，由i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 、i b m 、n e c 和 n o r t h e r n t e l e c o m 等七家公司联合推出了u s a ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 的第一个草案【l l ，并在1 9 9 5 年成立了u s b 技术推广的企业联盟u s bi m p l e m e n t e r s f o r u m ( 简称u s b i f ) 2 j 。1 9 9 6 年u s b i f 又提出了u s b l 0 协议，第一款u s b 产品 也同时问世，这使得u s b 进入了实质性的发展和应用阶段。1 9 9 8 年，u s b i f 在 对以前版本的标准进行了扩充的基础上，提出了u s b l 1 规范【3 】，它规定了u s b 具有两种速度( 低速1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s ) 满足不同需要，并且支持即插即用 和热插拨。2 0 0 0 年，u s b ，i f 又推出了u s b 2 0 协议，将速度提高到4 8 0 m b p s ，并 且可以向下兼容u s b l 1 。此时，u s b 接口已经成为接口技术中的主流总线接口。 而为了解决传统的u s b 接口设备之间无法相互识别的问题，u s b i f 公布了u s b o n t l l e g o ( 简称u s bo t g ) 协议标准【4 】。它实际上是对u s b 2 0 协议的一个补充协 议。为了满足更大数据传输量的要求，u s b i f 于2 0 0 8 年1 1 月公布了u s b 3 0 协 谢5 1 ，该协议提供了十倍于u s b 2 0 的传输速度和更高效的节能效率，支持新协议 的消费产品将有望于2 0 1 0 年上市。3 0 协议的公布，将使u s b 得到更大的发展。 目前，随着u s b 的不断发展，u s b 接口已成为了计算机主板的标准接口。几 乎所有的计算机外设，包括键盘、鼠标、显示器、摄像头、数码相机、数码摄像 机和打印机等等，都可以通过u s b 接口与p c 主机相连。同时，u s b 在存储类电 子产品中应用也尤为广泛，特别是移动u 盘，价格便宜，使用方便，是新一代移 动存储工具。因此，本文希望设计一个能够被广泛应用到电子产品设计中u s b 设 重庆大学硕十学位论文 备接口i p 核。 1 1 2i p 核简介 随着电子技术的不断发展，对电子芯片的功能要求变得越来越高，其工作速 度也要求越来越快，而器件的几何尺寸也要越来越小。更重要的是，对芯片低成 本化的要求使电子芯片设计业面临着很大的挑战。i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , 耳o 知识产 权) 技术被认为是最有效的解决方案。 i p 就是用于s o p c 、a s i c 、p l d 等当中，具有知识产权的、已经设计好的并 经过验证的、可重复使用的电路模块。根据设计层次的不同，i p 分为软核、硬核 和固核【6 】。具体来说，软p 为能综合的h d l 描述，硬m 为芯片版图，固i p 为门 级h d l 描述。软i p 用计算机高级语言( r t l 和门级v e r i l o gh d l 和v h d l ) 的形式 描述功能的行为，但是并不涉及用什么电路和电路单元实现这些行为。与硬i p 相 比，软口的设计周期短、设计投入少。由于不涉及物理实现，用户能把r t l 和门 级h d l 表达的软核修改为自己的设计，综合到选定的厂商工艺上，增大了邛的 灵活性和适应性。硬m 的电路布局布线和工艺是确定的，硬i p 已完成整个前端和 后端设计，它提供设计的最终阶段的产品是掩膜。固m 是一种介于软i p 和硬i p 之间的口，通常以r t l 代码和对应具体工艺网表的混合形式提供。固i p 是完成了 综合的功能块，有较大的设计深度，以网表的形式提交客户使用。最早的口开发 是为了提高设计效率、减少设计风险，将多次设计成熟，经工艺验证并已优化的 设计模块建库，提供给相同功能电路设计使用。集成电路的发展和s o p c 复杂度 的提高，给口的开发带来巨大商机，m 己成为一种商品，d 技术越来越受到i c 业界广泛的关注。 1 2 国内外研究现状 目前，由于u s b 的应用越来越广泛，特别是在电子产品中，再加上i p 技术的 迅速发展。因此，很多国外的m 公司都开始提供u s bi p 核产品，这样使得在电 子产品中使用u s b 接口变得更加简单，大大的方便了s o p c 系统设计者。其中， a l t e r a 公司的m e g a c o r ei p 中提供了完整的u s b1 1 和2 0i p 系列【7 】，而x i l i n x 公 司也提供了6 款u s bi p 核的范例。t r e n ze l e c t r o n i c 公司在2 0 0 0 年也推出f u l l s p e e d u s b1 1f u n c t i o nc o n t r o l l e r 。2 0 0 3 年1 1 月c a s t 公司推出u s b1 1 f u n c t i o n c o n t r o l l e r ( c u s b ) 的a l l i a n c ec o r e ，c u s b 提供u s bs i e 的功能，工作频率是 4 8 m h z ，它采用h d l 建模并以网表形式提交，额外再付费时提供r t l 产品。 a l d e c ( t h ed e s i g nv e r i f i c a t i o nc o m p a n y ) 是在2 0 0 6 年4 月推出的u s b 1 。1i pc o r e 和u s b2 0i pc o r e 。在国内，由于u s bi p 的研发才起步，所以在市场上可以看 到的产品只有少数的几款，包括上海华杰芯片的u s b l 1 和u s b2 0t r a n s c e i v e r ， 2 1 绪论 上海众华电子的u s b1 1 2 0 和四川登巅微电子的一款u s b2 0t r a n s c e i v e r t 引。 在口市场中，i p 公司大部分都是以提供软i p 或硬i p 授权为主。实际上这两 种i p 各有各的优点，至于如何选取，全视设计要求而定：如果设计中要有比较大 的灵活性，则选择软i p ：若设计中需要节省更多的研发验证时间和花费，就会选 择硬口。而在市场上，各个公司所提供的u s bi p 核主要以软i p 核方式授权，这 种软口核分为内黄m c u 内核与仅提供u s b 接口引擎两种。提供u s b 接口引擎 的软口核仅对u s b 标准协议包的通信进行处理，需要外接m c u 来构成完整的 u s b 设备。 综上所述，由于国内的u s bi p 相对较少，再加上国外公司提供的u s bi p 价 格相对比较昂贵。因此，本文所设计的u s b 设备接口d 核还是具有很大的市场。 1 3 课题的意义 目前有消息指出，支持u s b 3 0 标准的产品，预计将于2 0 1 0 年面市。由于目 前刻播放影像的便携式产品数量大幅度增加，以及记录容量的持续扩大，因此对 于设备之间的传输的带宽与速度的要求也随之提升。以目前市场上的传输接口技 术来看，速度最快的应该是使用i e e e1 3 9 4 火线连接的闪存卡，数据传输速度最高 可达8 0 0 m b p s ，但仍然显得不敷使用，这就给u s b 3 0 的出现提供了契机。在规划 中，u s b3 0 可以通过利用光纤作为连接媒介，最高传输速度将会达到4 8 g b p s ， 几乎是u s b2 0 最高数据传输率4 8 0 m b p s 的1 0 倍。虽然许多设备还不需要这么 快的传输速率，但是对于硬盘、闪存卡、光驱等存储设备来说，为了满足影音播 放与快速备份的需求，多快的传输速度都永远不会嫌快。新规划的u s b3 0 可与 旧版兼容，因此，u s b 2 0 设备能够在u s b 3 0 接口上使用，而且具有更省电的效 果，除此之外，u s b3 0 还具备可以提供光纤和铜线连接的能力。u s b 3 0 的出现， 将激发u s b 新一轮的发展狂潮【9 】。 现在从市场上看，u s b 接口已经成为了电子产品的主要接口，然而在电子产 品中使用u s b 接口并不十分方便，同时价格也相对较贵。但随着e d a 技术的飞 速发展，s o p c 技术已经被广泛的应用到了电子产品的设计中，从而大大提高了电 子产品的性价咄1 0 】，也使u s b 接口的应用变得方便。 然而目前在s o p c 系统设计中使用的u s bi p 大部分都是由国外提供的，国内 相对较少，因此研究u s b 协议，并设计一个具有自主知识产权且能够应用到s o p c 系统设计中的u s b 设备接口i p 核，不但给s o p c 系统设计带来了极大的便利，使 得在电子产品中使用u s b 接口更加方便，同时，也会产生重大的经济效益【1 1 1 。根 据前面对m 核的分析，本文的设计从实验室的实验设备、研究经费和时间要求出 发，采用软p 的设计方法进行u s b 设备接口口核的设计。 重庆人学硕士学位论文 1 4 论文的主要内容及章节安排 设计一个u s b 的设备接口可以被单独的应用到s o p c 系统设计中去，使得 s o p c 系统具有u s b 接口，同时u s b 接口也将成为s o p c 系统的主要接口，这样 将大大地提高s o p c 系统的功能，并且使得使用s o p c 设计的电子产品在市场上 具有非常大的竞争力。因此，本论文的目的是设计一款u s b 设备接口p 核，使 之能作为一个单独的模块嵌入到s o p c 系统中。 论文主要讨论了u s b 设备接口p 核的研究与设计。论文中首先分析了u s b 系统的构成和u s b 协议的具体内容；其次，根据根据功能要求，确定整个u s b 设备i pc o r e 的实现方案，将u s b 设备i pc o r e 分为物理层模块、协议层模块、 存储器接口模块、控制器模块、f i f o 模块和u t m i 模块，并根据u s b 协议对u s b 设备i pc o r e 的各个模块进行设计以及代码实现；最后，在m o d e l s i ms e 中实现 整个系统的仿真，并进行f p g a 验证。 论文章节安排如下： 第一章绪论。本章介绍了u s b 的出现和发展，分析了u s bi p 核的国内外研 究现状和本课题的意义。 第二章u s b 协议分析。本章介绍了u s b 的体系结构、物理特性等，同时分析 了u s b 数据传输方式以及u s b 通信协议标准等。 第三章u s b 设备接口的设计。首先介绍了u s b 设备接口p 核的总体设计思 想和各个功能模块的划分，然后重点就各个功能模块分别进行设计和介绍。 第四章u s b 设备接1 ：3i p 核的仿真与验证。首先通过q u a r t u si i 对设计进行系 统综合，然后在m o d e l s i ms e 下面对口核进行系统后仿真，最后对整个设计进行 f p g a 的硬件验证。 第五章总结与展望。本章对论文进行了总结，并提出了以后还需要迸一步进 行的工作。 4 2 u s b 协议分析 2u s b 协议分析 u s b 协议自1 9 9 4 年公布以来，u s b 技术经历了长足的发展。如今已经发展到 了u s b 3 0 。由于本论文的核心是设计设备接口m 核，因此这里重点研究u s b 协 议的相关部分。本章首先对u s b 系统结构进行总体的分析，然后再对u s b 的物理 特性、u s b 数据传输方式和u s b 通信协议标准分别进行研究。 2 1u s b 体系结构 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数 据传输。由主机预定的标准的协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和主机 在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 2 1 1u s b 拓扑结构 一个u s b 系统主要由三个部分所组成，分别是u s b 的互连、u s b 的设备和 u s b 的主机。如图2 1 所示，为一个简单的u s b 系统。 图2 1u s b 系统 f i g 2 1s y s t e mo fu s b u s b 主机是一个起协调作用的实体，负责监督u s b 的拓扑结构，在任何一个 u s b 系统中，只能有一个主机。主机系统整合了一个根集线器，以便提供更多的 连接点。u s b 主机主要负责：检测设备；管理数据流；错误检测；提供电源等【12 。 u s b 的设备主要分为集线器和功能器件。主机在对u s b 设备进行使用前，需 要对它进行配置。u s b 设备提供了u s b 标准接口的主要依据：对u s b 协议的运 用；对标准u s b 操作的反馈，如设置和复位；标准性能的描述性信息l l 引。 u s b 的互连是指u s b 设备与u s b 主机之间进行连接和通信的操作。u s b 总 线连接了u s b 设备和u s b 主机，u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。每个 网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部 件，或从集线器到集线器或其功能部件，从图2 2 中可看出u s b 的拓扑结构。 5 重庆大学硕士学位论文 图2 2 u s b 总线拓扑结构 f i g 2 2b u st o p o l o g yo fu s b 3 i e r 4 2 1 2 端点和通道 端点是一个可唯一识别的u s b 设备的部分，它是主机与设备间通信流的一个 结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了u s b 设备。每个设备有一个唯一的 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都有 唯一的端点号。这个端点号是在设备设计时被给定的。每个端点都是一个简单的 连接点，支持数据流进设备或者流出设备，两者不可得兼( 控制端点除外) 。 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，同时也将端点0 作为输出端点。u s b 系统用这个缺省方法初始化u s b 设备。 一旦设备接上，并加电，且又收到一个总线复位命令，端点0 就可访问了。 在进行u s b 数据传输之前，主机和设备之间必须先建立一个通道。它是设备 上的一个端点和主机上软件之间的联系，体现了主机上缓存和端点间传送数据的 能力。在这里有两个不同且互斥的通道，它们是：流和消息两种格式。流是指通 信的数据内容不具有u s b 定义格式；消息则是通信的数据内容必须是u s b 定义的 格式。根据传输方式的不同，通道有双向和单向两种。消息通道是双向的，控制 传输是唯一使用消息通道的传输；流管道是单向的，其它传输均使用流通道。 2 1 3u s b 系统层次结构 在u s b 系统中，一个u s b 主机可以通过u s b 总线和多个u s b 设备相连，这 些u s b 设备都使用同样一条物理链路。在u s b 协议中，采用了分层的概念来说明 u s b 的数据通信，将u s b 系统分为了三层，在这三层中，每一层上所传输的数据 结构对其他层来说是透明的。图2 3 显示了u s b 设备和u s b 主机通信的分层结构。 6 2 u s b 协议分析 客户软件目叫功能结构 功能层 $ i f u s b 系统软件k 蚓 u s b 逻辑设备u s b 设备 tt ， t f c - + m * d jk tt a n 禺址蚀nl ： u s b 总线 i s b 王机瑶剃露 1 ，： u s b b 致坟u | 接口层 i 诒物畸 ! ；- n - - - 一- 一1 物理通信数据滚 逻辑置信数据滚 集中执行区域 图2 3u s b 系统层次结构图 f i g 2 3u s bi m p l e m e n t a t i o na r e a s 如上图所示，一个u s b 主机与设备间的连接是由许多层上的连接组成。u s b 总线接口层提供了在主机和设备之间的物理连接、发送连接、数据包连接。u s b 设备层对u s b 系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层来完成对设备的 一般的u s b 操作。功能层描述了所有直接作用于u s b 设备的软件接口，当设备被 系统检查到的时候，这些客户软件直接作用于外围硬件。u s b 设备层和功能层的 通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信是由u s b 总线接口层来完 成。 u s b 系统软件主要由u s b 驱动程序和主控制器驱动程序构成，为u s b 主机 上的客户软件和与其相对应的u s b 功能模块之间提供通信服务。它用在特定的操 作系统中支持u s b ，由操作系统提供，与具体的u s b 设备无关。对于客户软件与 功能模块的不同的类型的交互，功能模块会有不同通信流需求。每一个通信流都 会占用一定的总线访问，而这些通信流都会终止于u s b 设备上的端点。 2 2u s b 的物理特性 2 2 1 物理接口 在u s b 系统中，u s b 的物理接口位于u s b 总线接口层，它主要包括电气和 机械两个方面的特性。 在电气特性方面，u s b 传送信号和电源是通过种四线的电缆，如图2 4 所 示。其中v b u s 、g n d 两条线，向设备提供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源。u s b 对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。为了保证足够的输入电压和终端阻抗， 重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离， 并区分出全速，或低速设备。另外两条线用于数据的传输。信号的传输采用的是 7 重庆大学硕士学位论文 差模方式，通过d + 和d - 两根线来传输。u s b 采用n r z i ( t 朗零) 编码方案。u s b l 1 协议中支持两种信号速率，分别为1 2 m s ( 全速) 和1 5 m b s ( 低速) 。 v b u s 莎 d g n d 图2 4 u s b 物理接口 f i g 2 4p h y s i c a li n t e r f a c eo fu s b v 取j s d d g n d 在机械特性方面，所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器是 不可简单的互换，这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接，电缆中有四 根导线：一对互相缠绕的标准规格线，一对符合标准的电源线。连接器有四个方 向，具有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 2 2 2n r z i 编解码和位填充 u s b 总线在传输数据的时候采用的是串行非归零反相编码( n r z i ) 的编码方 案。使用n r z i 编码传输数据，不仅可以减少噪声保证数据传输的完整性，而且不 要求独立的时钟信号。在n r z i 编码方案中，”1 ”代表电平不变，”o ”代表电平改变。 图2 5 给出了一个数据流及其它的n r z i 编码。 。a t a 可：h ： ： ： ：h ： n 勉1 面1厂 r 厂 厂 图2 5 非归零反相编码( m 泫d f i g 2 5n r z i d a t ae n c o d i n g 从上图中可以看出，在u s b 设备刚刚上电的时候，n r z i 为上电初始态，是 一个高电平状态( 总线空闲时的状态) ，在u s b 主机和设备进行数据通信，出现数 据流的过后，则为该数据流的n r z i 编码。在u s b 数据总线上，一连串的”0 ”会使 得n r z i 编码后的数据每个周期都出现跳变。而一连串的”1 ”则使得数据长时间的 不出现变化。图2 6 为n r z i 编码的流程图。 2 u s b 协议分析 图2 6 n r z i 流程图 f i g 2 6f l o wd i a g r a mf o rn r z i u s b 数据在进行n r z i 编码之前，发送方要对其进行位填充，数据流中每六 个连续的”1 ”后插入一个0 ，从而使得连续六个时钟以上的高电平在n r z i 编码时 有一个跳变，这样保证了数据通信的同步。图2 7 给出了一个位填充的例子。 原始数据厂 厂 卜一同步字段_ 十- 一数据包一 位填充 位填充后厂 ! 厂 r 的数据卜- 一同步字段+ + 卜_ 一据争一 k 一个l ，一 篙臻争吲厂 厂 厂 厂广 后的数据l _ juul - 一l j 卜一同步字段_ - 十| _ 叫据包一 图2 7 位填充 f i g 2 7b i ts t u f f i n g 接收方从u s b 总线上接收到的数据后需要进行n r z i 解码，识别填充位，并 除去它们。位填充从同步字段开始，贯穿于整个u s b 数据传送过程。虽然，这样 的计数给u s b 数据传输增加了一些花费，但是它可以使收发器不需要每一个字节 发送一个独立的时钟信号来保证收发器的同步【1 3 】，因此对u s b 数据进行位填充的 花费其实是最小的，尤其表现在对较大的u s b 数据包来说。位填充的流程图如图 2 8 所示。 9 重庆大学硕士学位论文 图2 8 位填充流程图 f i g 2 8f l o wd i a g r a mf o rb i ts t u f f i n g 2 3u s b 数据的传输 u s b 协议规定，在u s b 主机与设备之间通过通道来进行数据的传输，在通道 中传递的数据必须具有u s b 定义的格式。u s b 协议提供了四种传输方式：控制传 输、同步传输、中断传输和批传输，来满足不同外设和用户的要求。表2 1 给出了 四种传输方式的主要特征比较。 在u s b 的数据传输中，事务是组成传输的基本单元。每一次传输可能只传送 几个字节的数据，也可能会传输一个非常长的文件，因此一次传输就可能由个 或多个事务来构成，而每个事务都会负责传输一部分数据。 1 0 2 u s b 协议分析 表21 四种传输方式的主要特征比较 ! ! ! ! 里：! 塑婴! 呈竺坐些竺竺塑竺苎垡些! 竺堡型竺! ! ! 唑 传输类型 控制传输批量传输中断传输同步传输 23l 控制传输 控制传输包括两个阶段：建立和状态。同时，还允许有一个可选的数据阶段， 位于前面两个阶段之间。在建立阶段，建立事务用于向功能设备的控制端口传输 信息。建立事务在格式上类似于输出，但是使用的是建立而不是输出的p 1 d 。图 29 说明了建立事务格式。建立事务在数据阶段总是使用d a t a 0p i d 。收到建立的 功能设备簧接收数据并应菩a c k 。如果数据被损坏，则丢弃数据并不返回握手o 】。 t * 匾品忍 + ! 目 图t “ 二t 。 图2 9 控制传输格式 f i 9 29 c o n t r o ls e t u p t r a n s a c t i o n 控制传送的数据阶段如果有的话，由一个以上的输入或输出事务构成，遵 重庆大学硕士学位论文 守和批处理传送相同的协议规则。控制传送的状态阶段是序列中的最后一个操作。 状态阶段是以相对前面的阶段的数据流方向的变化来划分的，并且总是使用 d a t a ip i d 。图21 0 说明了事务顺序，数据时序位的值和控制读写序列的数据p i d 类型。 r _ 兰! 一r j 生，凳一、 * - ；* * i ! ! ! ! i i 妇 ：! ! i j ! 习 ：! ! ! i ! 田一 ! ! i j j i i ：! i i j ! 队d _ * 一一囤圃回叵围 s 一 蜒一，厂_ 里l ， 鼍i 怍s e t i w ( 0 ) w i 图2 1 0 控制传输的读写时序 f i 9 21 0 c o n t r o lr i n d s a n d w r i t e ss e q u e a e e s 2 32 同步传输 同步传输包括令牌和数据两个事务阶段，而没有握手阶段。同时，同步传输 需要确保固定的延迟和充足的访问带宽，不保证数据的正确性，同步传输也不支 持数据的重传机制。主机发出输入或者输出标记。后跟着端口( 输入) 或主机( 输出) 传输数据的数据时相。设备或主机控制器都应该能接受d a t a 0 和d a t a l 。设备或 主机控制器应该只发送d a t a 0 。图21 1 为同步传输格式。 “叵i 一目 m 图2 1 1 同步传输格式 译_ 萄l 丽隧 2 u 蚰协议分析 2 33 中断传输 中断事务可由输入或输出构成。依据收到的i n 令牌包，功能设备可能返回数 据n a k 或s t a l l 。如果端口没有新的中断信息( 印没有等待事务的中断) 可供 返回，功能部件在数据时相里返回n a y 握手。如果中断端口的停止特征被设置了， 功能部件将返回s t a l l 握手。如果中断是等待事务的，功能部件像数据包那样返 回中断信息。作为对数据包接收的反应，主机如果数据无错地被接受则发出a c k 握手，或者如果数据包损坏则不返回握手。图2 1 2 说明了中断事务格式。 圈n * 图2 1 2 中断传辅格式 f i 9 21 2 i n t e r i m p t t r a n s a c t i o n 如n 册i 当端口为实际的中断数据使用中断传送机制的时候，必须遵循数据切换协议 ”j 。这使功能部件得知主机收到了数据，并且事件条件被清除。这种“确保的”事件 传送允许功能部件只发送中断信息直到它被主机接收而不是在u s b 系统软件清 除中断条件之前，每次数据功能部件被选中时就必须要发送中断数据。 2 ，3 4 批量传输 批量传输的特征是有能力对u s b 主机和设备之间发生的数据错误进行检测。 它包括了令牌、数据和握手三个事务阶段，如图21 3 所示。当主机准备好接收批 量数据后，它会发送给功能设备i n 令牌包，当功能设备的端点接收到令牌包 后，就会返回数据包、n a k 包或者s t a l l 握手包。