（模式识别与智能系统专业论文）usb收发器宏单元数字部分的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 u s b 作为一种新的p c 机互连协议，使外设到计算机的连接更加高效、便利。 这种接口适合于多种设备。不仅具有快速、朗插即用、支持“热插拔”的特点，还 能同时连接多达1 2 7 个设备，解决了资源冲突、中断请求( i r q s ) 和直接数据通道 ( d m a s ) 等问题。可以说u s b 的使用已经带来了计算机应用领域的一场革命。 在接口方面，u s b 标准接口由于其独特的优点和广泛的支持将会成为p c 机的关键部件。： 本文旨在研究u s b 物理层接口的体系结构，以及物理层收发器宏单元接口 ( u t m ) 在全速模式下的数据流模式和功能模块的逻辑行为。f 这个接口模块包括按照 逻辑功能可以分成发送和接收两个部分：t r a n s m i t t e r ( d ( ) 和r e c e i v e r ( i ) 。t x 模块 包括一个实现并行数据一串行数据转换的移位保持寄存器，比特填充逻辑，n r z i 编码，输出寄存器，以及发送状态机逻辑。而r x 模块则包括时钟同步机制( d p l l 状态机1 ，同步域接收机制，n r z i 译码器，比特解填充逻辑和串行数据斗并行数据 的转换逻辑，和接收状态机。还有一个顶层的物理层控制模块，协调物理层同收发 器的数据发送和接收。，本文在研究和借鉴己公布了的u s b 物理层收发器接口芯片的 部件功能的基础上，根据u t m i 接口规范的要求确定了模块中各部件的功能和结构， 研究了系统在全速模式下的逻辑设计，并采用硬件描述语言对各部分逻辑进行r t l 级( 即寄存器传输级) 描述，最后使用a l d e c 的a c t i v e - - h d l 仿真器完成了功 能仿真。 ，整个u t m i 模块的设计中采用了同步设计技术( 由模块内部的d p l l 状态机实 现) ，系统时序全部是上升沿触发，具有较强的可观测性和可控制性。论文在研究 u t m i 规范和模块逻辑功能的基础上，在模块结构、r t l 级设计实现和设计方法学 上做了有益的尝试和实践。j 。 关键词：通用串行总线? 面议j 物理层规范；u s b 牧发每垂萼裹疆石两 收发器jr t l 设计，, 躜萁f i 华中科技大学硕士学位论文 = = i = i 目口= i _ = = j _ i l - _ _ - - - _ - - - - - _ - _ l - _ a b s t r a c t a san e wp r o t o c o jo fp ci n t e r c o n n e c t s ，u n i v e r s a ls e r i a l b u s ( u s b ) m a k e st h e c o m p u t e rc o n n e c t i o n m o r ee f f e c t i v ea n dm o r ec o n v e n i e n t t h i si n t e r f a c e a p p l i e s t o m u l t i p l i c a t ed e v i c e s ，p r o v i d i n gf a s t , p l u ga n dp l a ya n dh o tp l u g - i ni m p l e m e n t a t i o n , w i t h t h e a b i l i t yo fc o n n e c t i n gu pt o 1 2 7d e v i c e sa tt h es a m et i m e ，f i g u r i n go u tr e s o u r c e c o l l i s i o n ，i n t e r r u p t i o nr e q u e s tq u e s t i o n ( i r q s ) ，d i r e c tm e m o r ya c c e s s ( d m a s ) ，a n de t c i ti ss a i dt h a tt h ee m p l o y m e n to fu s bh a sb r i n gag r e a tr e v o l u t i o nt ot h ef i e l do fp c a p p l i c a t i o n o n t h eo t h e rh a n d , u s bs t a n d a r di n t e r f a c ew i l lb et h ek e yc o m p o n e n to fp c d u et oi t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c sa n db r o a d s u p p o r t n l i sp a p e rc o n c e n t r a t e do nt h es t u d yo fa r c h i t e c t u r eo fu s b p h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c e ， a n dt h el o g i c a lb e h a v i o ro fd a t as t r e a mm o d ea n df u n c t i o n a lb l o c k su n d e rt h ei 咖 f u l ls p e e do p e r a t i o n t h i si n t e r f a c em o d u l ei sl o g i c a l l yc o m p o s e dw i t ht w os u b - b l o c k s ： t r a n s m i t t e r ( t x 3a n dr e c e i v e rf r x ) t h e r ea r ep a r a l l e lt o s e r i a lc o n v e r t e r , b i ts t u f f l o g i c n r z ie n c o d e r o u t p u tr e g i s t e ra n dt r a n s m i tf s m i nt h et x w h i l et h er x i n c l u d e sac l o c ks y n c h r o n i z a t i o nl o g i c ，s y n c h r o n i z a t i o ni n p u t s ，n r z id e c o d e r , b i t u n s t u f fl o g i c s e r i a lt op a r a l l e lc o n v e r t e ra n dr e c e i v ef s m t h e r ei sa l s oat o pb l o c k w h i c h n e g o t i a t e sa b o u t t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et r a n s c e i v e ra n d p h y s i c a ll a y e r b yu s i n gd i g i t a l c i r c u i t d e s i g nm e t h o d o l o g i e s t h er t l d e s i g n ，s i m u l a t i o n o f c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s 、e r ef i n i s h e d t h r o u g h a l s oc o n s u l t i n g s o m ec o m m e r c i a l p r o d u c t so f u s b t r a n s c e i v e r c h i p s c i r c u i t sw e r ed e s i g n e db ys y n c h r o n o u sd e s i g nt e c h n o l o g y ( i m p l e m e n t e db yi n t e r n a l s y n c h r o n i z a t i o nf s m ) a n d a l lt r i g g e da tt h er i s i n ge d g eo f c l o c l c , w h i c hh a ds t r o n gc o n t r o l a n do b s e r v a t i o na b i l i t y b yt h es t u d yo f u t m is p e c i f i c a t i o na n dl o g i cf u n c t i o no f m o d u l e ， s o m ee x p l o r a t i o n sa n dp r a c t i c e so nd e s i g nm e t h o d o l o g yo nt h em o d u l ea r c h i t e c t u r ea n d r t l d e s i g nw e r ee m p l o y e db y t h et h e s i s k e y w o r d ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) p r o t o c o l p h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o n u s bt r a n s c e i v e rm a c r o c e l li n t e r f a c eg y r m i ) t r a n s c e i v e r r t l d e s i g n s i m u l a t i o n n 华中科技大学硕士学位论文 ； ；。= ；2 = = 自_ _ ；_ 2 = = = = = = = 一= j = 1 1 论文的研究背景 1 绪言 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) 是由c o m p a q ，d i g i t a l ，e q u i p m e n t , i b m i n t e l ，m i c r o s o 屯n e c 以及n o r t h e mt e l e c o m 七家公司共同开发的一种新的外设连接 技术。如今u s b 组织又增加了h e w l e t t p a c k a r d ，p h i l i p s 和l u c e n t 三个重要的成员。 u s b 技术解决了日益增加的p c 外设与有限的p c 插槽和端口之间的矛盾。1 9 9 5 年， 通用串行总线u s b ，由通用串行总线应用论坛( u s b ) 进行了标准化。该组织的目 标就是发展一种兼容低速和高速的技术，从而可以为广大用户提供一种可共享的、 可扩充的、使用方便的串行总线。为了实现上述的目标，u s b i f 发布了一种称为通 用串行总线的串行技术规范u s b t ”。总的说来，开发u s b 的原动力来自以下三点： 1 实现p c 机和电话的互联。 众所周知，计算和通信将是下一代产品应用的重心。u s b 为p c - - 电话互联提供 了广阔和实用的连接方式。 2 增强易用性。 p c 机配置的复杂性一直是阻滞其向更深远目标发展的巨大障碍。由对用户有好 的图形界面及其软，硬件组成的新的总线结构，还是使得计算机易于配置和管理。然 而。对用户而言，p c 的输入输出接口，如串行和并行端口，键盘，鼠标膳戏操纵杆， 都不具有热插拔的特性。u s b 则允许带电操作。 3 端口扩展。 由于端口数目有限，能接入的外围设备个数也将收到限制。双向、低耗和低速 到高速外围总线的缺乏。影响了外围设备的接入，例如电话传真机，调制解调器的适 配器，应答设备，扫描仪，p d a ，键盘和鼠标等等。正是由于更多的功能设备加载 到p c 机上，一种新型的适合需要的接i 卜u s b 就应运而生了。1 2 1 1 2u s b 总线的特点 u s b 总线具有一些固有的特点，使得它易于使用，管理和设计，容易满足中低 速外设的需要。这些特点有： 华中科技大学硕士学位论文 对用户而言隐藏了技术细节。 u s b 端口和电缆都有确定的规格，因而不会在连线时出现混淆。而且，u s b 技 术还支持即插即用功能( 指计算机可以自动发现和配置u s b 设备，而无须用户进行端 口地址和中断使用的配置工作) ，并且可以进行“热插拔”( 指系统上电后可以自由地 插拔u s b 设备，而不会对系统产生任何的影响) 。 具有广泛的应用领域。 u s b 总线技术利用的是单一的总线技术来满足多种领域的需要。在u s b 总线 上，可以同时支持低速和高速的数据传输；而且可以支持异步传输和同步传输两种 传输方式；它还可以同时支持多达1 2 7 个外设。 带宽足以支持多媒体应用的需要。 对于音频、视频这些对带宽要求很高的信号而言，u s b 可以为其提供足够的带 宽来保证其传输，即同步传输。而对于其他一些突发性较强的信号，u s b 可以利用 当前可用的带宽进行传输，称为异步传输。两者比较起来，异步传输没有固定的带 宽保证，u s b 仅采用力所能及的方式来传送信息。如果没有足够的带宽，有些信息 就会被丢弃或阻塞。 可靠性强。 u s b 总线使用起来非常可靠，因为它在协议层提供了很强的差错控制和恢复功 能。 u s b 设备与u s b 系统相互独立。 只要有软件的支持，同一个u s b 设备就可以在任何一种计算机体系中使用。这 种良好的兼容性也使得u s b 技术可以迅速地发展壮大。 根据u s b 总线规范的定义，u s b 总线的优点可以总结为以下8 点： 1 方便终端用户的使用： 2 工作负荷和应用范围广： 3 实现费用低廉； 4 同步带宽： 5 同p c 工业协同作用； 6 很强的灵活性： 7 彳艮强的稳定性： 8 支持体系结构的升级。 1 1 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = l 目l _ a l _ _ _ _ - l - _ - - - - _ _ _ - - _ _ l ；a - 一_ 1 3u s b 技术的应用 最新的u s b 2 0 允许三种数据传输速度：低速传送为1 5 m b s ，全速为1 2 m b s ， 高速为3 6 0 m b s 。全速传送的速率是标准串行端1 ：3 的1 0 0 倍，标准并行端口的1 0 倍。 u s b 还能支持高速接口，例如( i s d n 、p r i 、t 1 ) ，使用户拥有足够的带宽供新的数字 设备使用。表1 1 给出了三种不同应用领域的比较： 2 1 1 4u s b 技术的目标 图i 1 三种传输速率应用的比较 u s b 作为一种工业标准，拓展了p c 的结构，其关注的是计算机一电话( c t t 3 、 华中科技大学硕士学位论文 开销和产品的应用领域。对于u s b 的结构有如下的原则性规定： 对p c 的外设的扩展而言，使用起来很简便；传送速率达1 2 m b s ( 全速) 时，成本 是低廉的；完全支持实时的数据传送，如语音、声音和压缩的视像信号传送；对固 定方式的等时性数据发送和异步消息处理等的协议十分灵活：是一商品性器件的工 艺集成；p c 配置的多样性和结构多样性成为可能：是一标准接口，使之能很快的应 用到各种产品种；有可能开发出新的器件，使p c 的功能进一步得到增强。 1 5 论文的进程安排 随着计算机硬件技术日新月异的发展，u s b 技术逐渐凸现出其自身强大的应用 优势。我们在现有的理论基础上，深入研究u s b 总线的物理结构和逻辑特性，期望 能发展出以u s b1 1 规范为基础的接口电路芯片。而本文在研究u s b 总线结构体系 的基础上，着重研究了物理层模块的结构和功能，以及它与主g l q o s t ) 进行数据交换 的接口模块u t m i 数字部分的逻辑设计的功能仿真结果。 第一章介绍通用串行总线的起源、发展和广泛应用，并总结了u s b 未来的发展 方向。 第二章详细阐述了u s b 硬件和软件的构成，以最新的u s b 2 0 规范为标准。 第三章则简单介绍了u s b 的重要操作模式，为下面对物理层的逻辑行为的阐述 做了概念上的铺垫。 第四章就u s b 物理层的u t m 模块数字部分的设计进行了介绍。重点阐述了物 理层的内部模块的互连结构关系及其工作原理。并对整个u t m 模块的进行r t l 编 码设计和逻辑分析。 第五章根据u t m 接口模块的设计，编写出测试代码，并最终给出了u t m i 模 块的仿真结果。 第六章总结了全文的设计思想。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 u s b 的体系结构、协议和工作原理 u s b 发展到现在，已经成为计算机和外设之间的标准互联。所有外部设备，从 鼠标到摄像机都可以通过u s b 与主机相连。随着新的u s b2 , 0 规范的诞生，u s b 的 数据传输速率已可达到4 8 0m b s 。u s b 可以看作是端点到端点的连接集合，多个外 设则是通过集线器( h 【见) 连接到主机上的。u s b 规范认定u s b 的口核是运行在全速 条件下的，并且能够扩展到其他全速设备。 2 1u s b i p 核的体系结构 一个完整的u s b 系统应该由互连( i n t e r c o n n e c t s ) 、设备( d e v i c e s ) 和主机( h o s t ) - - - 部分组成。互连指的是一个u s b 设备与u s b 主机相连及其通信的方式：i l l ( 1 ) 总线拓扑结构：u s b 主机和u s b 设备的连接模型。 ( 2 ) 层间关系：u s b 在系统中的每层都要完成一定的任务。 ( 3 ) 数据流模型：u s b 系统中信源和信息之间的数据传送方式。 ( 4 ) 任务规划：u s b 提供可以共享的互连机制。通过规划对互连机制的访问，可以支 持同步数据传输。 u s b 设备可以分为集线器、文本设备等几类。它必须携带用于自我识别和通常 的配置操作的有关信息，而且在任何时候都要表现出与定义的u s b 设备状态相符的 操作。所有的u s b 设备都要通过一个唯一的u s b 地址对其进行访问。每一个u s b 设备还要支持一个或多个端点，用以实现和主机之间的通信。而且所有的u s b 设备 都必须支持一个特殊的端点端点0 ，该端点是u s b 控制管道在u s b 设备一侧的 接入点。 ( 1 ) 集线器：是u s b 即插即用体系结构中的关键元件。它使u s b 具有多个连接的特 性。每一个集线器都可以将一个接入点变成多个接入点。上行端口用以连接集线器 和主机，另外的下行端口都可以用来连接集线器或功能设备。 ( 2 ) 功能设备：是指一个可以从u s b 总线上接收或发送数据或控制信息的u s b 设备。 每一个功能设备都包含了用来描述其能力和所需资源的配置信息。在使用一个功能 设备之前，必须由主机来对其进行配置，包括分配u s b 带宽和为该功能设备选择特 定的配置选项。常用的功能设备有，定位设备( 如鼠标、图形输入板或光笔) ，人工输 华中科技大学硕士学位论文 入设备( 如键盘) ，输出设备( 如打印机) ，电话适配器( 如i s d n ) ，软盘驱动器( 如u s b z m ) ，视频输入设备( 如u s b 数字相机) 等。 主机通过主控制器与u s b 设备交互，它主要负责以下操作： ( 1 ) 检测u s b 设备的插入和拔出。 ( 2 ) 在主机和u s b 设备之间管理数据流。 ( 3 ) 搜集状态信息和活动统计信息。 ( 4 ) 为接入的u s b 设备提供数额受限的功率。 位于主机中的u s b 系统软件用来管理u s b 设备和基于主机的设备软件之间的 交互。u s b 系统软件和设备软件之间的交互有： ( 1 ) 设备列举和配置。 ( 2 ) 同步数据传输。 ( 3 ) 异步数据传输。 ( 4 ) 电源管理。 ( 5 ) 设备和总线管理信息。 图2 1 是完整的核体系结构图：主机像一座桥梁一样，将内部数据存储器 和主控制器的控制寄存器连接起来；数据存储器和控制寄存器在协议层( p r o t o c o l l a y e r ) 相连；协议层和u t m i 接口电路块相连：而u t m i 又和p h y 相连。 一百一? 一一 曩一蛐t 量 图2 - 1 i p 核结构图 该u s b 核采用了不同的时钟频率。u t m i 接口部分与物理层时钟一致，并且物 理层的最大输出频率为6 0 m h z 。但实际的频率却依赖于系统的工作模式( 高速，全速 璺堡蕉2 ：! 坚塑至鱼堑工型墨星基叁塑坌笪旦垄望量：基丝塑塑坌型墨旦工塑圭垫堡 6 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = = = = = = ；= ；= = = ；t = ；= 三= 一= 口相同的时钟a 考虑到u s b 的潜在需要，主机接口的频率不得低于6 0 m h z 。这样 u s b 核的主机接口最低频率不得低于1 0 0 m h z 。 2 1 2 主机接口( h o s ti n t e r f a c e ) 主机接口部分为内部功能块和功能规范主机( 或微控制器) 提供了兼容的接口。 主机接口称为w i s h b o n es o c 总线规范。 2 1 2 1 带宽要求 理论上说来，u s b 的最大输入输出量为4 8 0 m b s ，即6 0m b y t e s s 。在一个3 2 位总 线上，每个时钟周期可以传输4 个字节( 一个字) ，因此，主机所需的最小带宽是1 5 兆 字s 。 2 1 3 存储器接口( m e m o r yi n t e r f a c e ) 幕f l 仲裁单元( a r b i t e r ) 存储器接口和a _ r b i t e r 在u s b 核和主机接口间竞争对存储器的访问。这部分还 允许标准单端同步s r a m 的使用。除仲裁之外，它还进行数据控制和流向控制。 i 嗣旺l 帆 接口 图2 - 2m e m o r yi n t e r f a c e 和a r b i t e r 协议层 2 1 4s s r a m s s r a m 是对输入输出数据进行缓冲的单端同步s r a m 缓冲区。 2 1 5 协议层o p l ) 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = ；= = = ；= = ；s = = ；i j l t ；e = i ；= = = = = 一 协议层是对u s b 所有的输入输出数据和控制通信进行管理的部分。 口 一 矬 t 善 l _控一，冀考膏存 - 】 i 。一一一一一一： 1 一一 图2 - 3 协议层 2 1 5 1d m a 和存储器的接口 该接口部分与数据存储器相连。它提供了一种随机的存储器访问和d m a 块传 输方式。当误操作的数据必须写入时，它还能提前获取数据。 2 1 5 2 协议引擎 这个部分能对所有的标准u s b 握手协议和控制通信进行处理，包括s o f 标记 数据传送的确认信息( a c kn a c k , n y e a 3 ，对p i n g 标记的响应。 2 1 5 3 打包 将数据打包，并将其放入输出的排列队中，按照先入先出f f m o ) 的方法进行排 列。首先是将信头打包，并插入p i d 和确认码，然后应需要继续为其他数据打包。 2 1 5 4 解包 这部分负责对接收到的数据包进行解码，并将它们传送到合适的地方。译码过 程包括解压p i d 及其后面的数字，并对头信息进行校验。 2 1 61 1 1 n i f 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 2 2 ；= = = = = ；= = = 音= ；i e _ t j = 。_ = = = = = = = 这个部分是u s b 收发器宏单元接口o n 回和物理层( p h 的接口。 图2 - 4 u t m i 接口部分 2 1 6 1 接口状态引擎 这个部分能追踪接口状态的变化，还能对挂起续传模式和全速高速转换进行控 制。一个内部装置对状态的变化和运行模式的转换进行记录。 2 1 6 2 速度协调引擎 这个部分可以协调u s b 工作的速度，并处理挂起和创建的检测工作。 2 1 6 3 接收( r x ) 和传输( t x ) f i f o f i f o 只是起到临时接收和传输数据的作用。接收f i f o 的责任是在d m s 将接 收到的数据写入s s r a m 缓冲器之前暂时保留他们。而传输f i f o 则是临时性的传送 数据。 2 1 6 4 接收( r x ) 和传输( t x ) 总线接口 这些部分的作用在于，保证与f h y 层的接收和传输接口的握手协议。 2 2 u s b 协议 u s b 作为一种新的p c 机互连协议，使外设到计算机的连接更加高效、便利。 u s b 规范描述了总线特性、协议定义、编程接口以及其他在设计和构建系统时所要 求的特性。总线上的所有处理最多包括三个包( p a c k e t ) 的传输。每一次处理操作开始 9 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = ；= ；= ；= ； = t = # = = j 1 4 t ；j 二 = = j = = = = 一 时，都是由u s b 主控制器根据个有计划的步骤，发送一个用于描述处理类型和方 向、u s b 设备地址、端点号的u s b 包，这一个包被称为令牌包( t o k e np a c k e t s ) 。被 寻址的u s b 设备通过对恰当的地址域进行解码就可以知道这是发给自己的包。对一 个特定的处理操作而言，数据总是由主机传向u s b 设备或者由u s b 设备传向主机。 这种数据传送方向在令牌包中加以规定。然后处理的信源就可以发送数据包( d a t a p a c k e t s ) 或指出它自己没有数据需要发送。通常情况下，信宿通过“握手包” ( h a n d s h a k ep a c k e t s ) 来指明这次传送是否成功。 只要某一u s b 设备完成了配置之后，就会存在管道0 。当一个u s b 设备上电 后，控制管道0 这一消息管道就总是存在。因为这一管道要提供对设备配置、状态 和控制信息的访问1 4 1 。 2 2 iu s b 数据包结构 u s b 主机每隔i m s 发送一个帧起始( s o d 包。使总线一直出于活动状态。可利用 的总线带宽将i m s 的间隔内在同时接入的设备间共享。通常，u s b 交换包含3 种类 型的包：令牌包、数据包和握手包。图2 5 即为他们的包结构。 “0 l 3b y c n i g b i t l p 1 d d u t t &c i l c i l ( d a t a ) 8 b i t l l b i t l 轴 臣丑三三三国 图2 5 包的结构幽 每个包都有一个包d ( p ”用来指示包的种类。当主机控制器发出一个个包含外 设地址、最终应用数、数据传送方向和支持的管道类型的令牌包后，交换开始。相 应地址的外设通过从令牌包中解码出自己的地址而被选中。如果令牌包中的数据传 送方向内容显示为主机接收数据，外设发出数据包，否则主机发出数据包。通常， 数据接收到以后，目的方( 主机或者外设) 发出一个握手包。握手单元有3 种类型： a c k 、n a k 和s t a l l 2 2 2u s b 数据交换类型 u s b 数据交换发生在主机软件和一个独特的外设的最终应用之阃。信息可以单 向或者双向传输。主机启动数据传送劳垦塾童堕塑堡全墨堡堕旦塑墼塑： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 u s b 支持四种类型的传输类型：控制传输、中断传输、同步传输和批量传输。 ( 1 1 控制传输。这些传送主要用作在连接时查询和配置外设，它肥也可以由司户驱动 程葶实观卡用法。控制传输至少有两个处理阶段：s e t u p ( r j 建) ，d a t a ( 数据可选) 阳、弋态( s t a t u s ) 。刨建处理操作用于向一个功能设备的控制端点传送信息二 圈2 _ 6 控制传送的s e t u p 阶段 如果有数据阶段的话，它就包含了一个或多个烈或o u t 处理，并且遵循和批 量专瑜一洋的协议原则。且数据阶段所有的处理操作都同向，全为f n 或全为o u t 。 图2 ? 控制传送的d a t a 阶段 状态阶最岛相对于前一个阶段数据流方向的变化来描述，总羽d a t a lp 【d ， 圈2 - 8 控制传送的s t a t u s 瑜段 l 二 中断传输，这种类型的传输主要是由诸如鼠标、键盘和游戏轩之类的外设使用， 主亍在所有的u s b 系统中u s b 主机都是主设备它不会破中新，这说明外设产生 筻审断实际上是被截去了。换句话说，外设并没有真王地中 瞢主机。这虽然对最终司户是透明的，但是设计者必须考虑此问题。 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = ；- = = ；= # 一 生u s b 狮议层，中断传送以一个由主机发起的i n 令幛开始。如果外受没育衙 的中断信息返回发送一个n a k 握手电。如果育新的中断，则返回一个故掘包， 如果接收无误，主饥返回a c k 否则不返回任回信息。如果发生中断则返回一m s t 虬l 指示需要主饥软牛于涉， 图2 - 9 甲断传送i n 和o u t 的格式 【3 、司步传输，流的方向可以从外设到主机或者认主机到外设。这表示若要双同传输 必须司两个最终直用或者用一个最终直用。但是必须有两个管道和它关联。 图2 1 0 等时传送r n 手f l o u t 的格式 在u s b 协议层，等时传输以一个由主机发起的i n 或者o u t 令牌开始，具体根 据数据通信的方向以及相应的最终应用来决定。例如，在i n 令牌时，功能设备返回 数据。在o 乙1 、令牌时，主机接收数据。对同步，没有握手包或重试信息。这表示错 误的数据将被丢失。这种方法只是在外设为耳机或者扬声器时才有意义。 f 4 ) 批量传输。流的方向可以从外设到主机或者从主机到外设。这表示如果想双向传 输，必须用两个最终应用或者用一个最终应用。但是必须有两个营道和他关联。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= ；= ；= ；= ；= ；= ；4 = = = = = = = = = = _ = = = = 一= 一= 蛰2 一1 1 批量传送i n 和o u t 的格式 正u s b _ 办议层批量传送包言3 个阶段：令博、数据和握手，在s t a l l 时 没育数据阶段， 涂控制传送，数疆一般通过一个介于u s b 主机上用户软件的缓存和外设上的 最终_ 立月之间的管道来传递。每，卜最终虚用都有一个由设计者决定的功能。选择适 当的特性将和最终应用建立管道。钼同的最终应用可由两个管道使用。 2 3u s b 的工作原理 u s b 系统的通讯方式采用有要次陛的树型结构，主机内部包括一个根集线器。 其看可以直接连接到各个u s b 设备，也可通过一级一级的集线器再连接到设备。当 主机通过集线器发现有某个设备连入系统，就会通过向集线器发布命令来迫使该设 备迷人复血状态。此刻设备将自己的地址设成一个编号为0 的特殊地址( 缺省状态) ， 并通过这个缺省地址接收主机的请求命令。这个阶段称为“列举( e n u m e r a t i o n ) ”，列 举阶段的主要任务是主机通过发布请求命令从设备读取一系列的有关设备信息的描 述符，在主机通过读取设备描述符中有关数据长度的信息后，就会通过请求命令为 设备分配一个正式的地址，其后主机对该设备的通讯均将以次设各地址为基础，并 在得到设备的能力和特性的信息之后，选择该设备的配置方式a 对设备的“列举” 过程是一个设备一个设备分别完成的，主机将得到的信息保存在一个数据库中，以 备以看应用程序使用。 u s b 中数据传输的结构要比一股串口通讯复杂得多，实际规范将一个完整的传 输过程( t r a n s f e r ) 分解成若干个数据传输事务( t r a n s a c t i o n ) ，而每个传输事务通常是由 一个标志包( t o k e np a c k e t ) 、一个数据包( d a t ap a c k e t ) 和一个握手包( h a n d s h a k e ) 组成。 这里，u s b 包的结构是一个基本概念，所有的包都以同步域开始，跟着标识玛( p i d ) 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = ；= ；= = = ；= ；= = = 自= = _ l i p ；j = _ ；= = = ；= ；= ；= = = = = = ；= = = = = 来分别包种a 然后再根据不同的种类分别跟着相关的参数信息和校验信息。帧起始 包中的参数信息时一个用l l b i t 位表示的帧编号( 0 - 2 0 4 7 ) ；标识包位于每个传输事务 的首部，在8 位p i d 中给出i n ( 输入) 、o u t ( 输出) 或s e t u p ( 设置) 的具体包种，用来 说明传输事务的性质和目的，并在其后给出的7 b i t 的设备地址和4 b i t 的端点编号， 它们是实现总线式数据传输所必需的基本信息。 设备端点实际上是一个具有多字节的数据缓冲区，通常是建立在设备接口芯片 上的一个先进先出( f i f o ) 队列存储器或数据寄存器组，u s b 的数据通讯总是在主机 到端点之间进行的。数据包有一个在d a t a 0 和d a t a l 之间转换的p i e ) ，后面紧跟着要 传输的数据，长度在0 到1 0 2 3 之间，这个包用1 6 位字节的c r c 域做循环冗余校验。 握手包用p i d ( a c k 、n a k 和s t a l l ) 来向数据发送者表达数据包在接收方的握手信 息( 确认、否认和功能禁用) 。最后，特殊的前导包用来说明总线为低速通讯方式。注 意，数据传输通过多种方式进行数据检验，包括p i d 中前后4 位之间的反码检查、 c r c 校验字、d a t a 0 和d a l a i 之间序号的排序校验、握手包的挂钩功能以及后面介绍 的控制传输中的状态阶段。 在u s b 的数据传输事务中，总是由主机发送标识包开始。因此可以认为：是主 机来管理和安排所有的u s b 通讯事务的。事实上主机首先把时间分成l 毫秒间隔的 帧，并在每一帧的开始时刻将一个称为帧起始的标志包( s o fp a c k e t ) 广播发出。同时， 主机把每个帧分成事务逐一传输。p l 2 4 本章小结 u s b 技术是为实现计算机和通信的集成( c t i ) 而提出的一种用于扩充p c 体系结 构的工业标准。u s b 总线是由主机控制的，一条总线只能由一个主机控制，u s b 规 范本身也并不支持多主机系统。u s b 主机负责所有的事务管理和带宽安排，所有的 数据都可以利用握手协议，通过不同的事务方式来传输。 u s b 规范描述了总线特性、协议定义、编程接口以及其他在设计和构建系统时 所要求的特性。u s b 是一种主从总线，工作时u s b 主机处于主模式，设备处于从模 式。u s b 系统所需要的唯一的系统资源是u s b 系统软件所使用的内存空间，及u s b 主控制器所使用的内存地址空间( v o 地址空间) 和中断请求线。u s b 设备可以是 功能性的，如显示器、鼠标或者集线器之类。它们可以作低速或者高速设备实现。 低速设备的最大速率限制在1 5 m b s ，每一个设备有一些专有寄存器，也就是终端 ( e n d p o t n t s ) 。在进行数据交换时，可以通过设备驱动间接访问它。每一个终端支持几 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；# = = = ；= = = ；= j = ；a e _ _ - _ ；= ；j t = = 2 种特殊的传输类型，并且有一个惟一的地址和传输方向。所不同的是终端0 仅用作 控制传输，并且其传输可以是双向的。 u s b 协议层描述了u s b 主机与u s b 设备交互时的语法和协议，从中定义了字 段、包、事务和传送的结构，以及由字段到包、由包到事务、由事务到传送所组成 的组织层次关系。协议同时还规范了数据链路的建立，正常或异常传送处理的动态 过程。字段中分同步、包标识符、地址、帧号、数据和c r c 校验等字段。包中分标 记、帧起始、数据、握手4 类包。事务中有批处理、控制、中断和同步四类事务。 传送可分为控制、批处理、中断和同步4 类传送。字段、包、事务和传送的命名和 定义，实质上是为了满足不同需求的传送内容，在链路建立、数据传送及链路拆除 的可靠执行中所采用的一系列保障措施。 本章通过解释u s b 标准里的事务原理和实现方法，并结合u s bi p 核的体系结 构分析了各组成模块的功能和特性，为后文的物理层行为建模做好理论上的铺垫。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = ；= ；= ；= ；= 自；l 目l 目_ = ；j 目= = # ：；= = ： 3 u s b 操作 u s b 操作主要指的是u s b 功能控制器的所实现的各种功能，包括与主机控制 器的逻辑接口和u s b 逻辑的接口。u s b 核使用了一个本地的缓冲存储器，作为临时 的数据存储器。所有的端点都有自己指定的输x 输出缓冲器。各个不同端点之间的 互访并不需要软件控制。因为可以引入双缓冲器，以减少使用软件过程中所需的延 时，并且可以提高u s b 的吞吐量。图3 一l 就是u s b 的逻辑图。 薯 州敬卜 一 璺 捌一 q 叠 图3 - 1u s b 的逻辑结构图c e n 代表第n 个端点e n d p o i n t ) 这里谈到了几个u s b 的重要概念，例如主机和端点等。在u s b 的具体应用中， 是主机和另外的u s b 设备组成了整个u s b 世界，主机负责发现总线上新插入的u s b 设备，并在拨下某一u s b 设备后释放先前为它分配的系统资源等操作。可以说主机 是u s b 世界的核心，这里的“主机”( u s bh o s t ) 是指安装了u s b 主控器的计算机系 统，它不仅包括u s b 总线等硬件，还包括当前正在使用的操作系统。其中u s b 主 控器是指u s b 总线的主接口。f 6 l 所有的通信都是在u s b 主机和其他u s b 设备之间进行的( 这与以太网是不一样 的) ，这时就要涉及到端点和管道这两个基本概念。端点( e n d p o i n 0 仅是主机和设备之 间一个逻辑的通道。每一个u s b 都支持几个确定的端点。而每个端点仅与以一个方 面的数据传输相对应，所以在u s b 主机和其他u s b 设备之间的双向传输就要有两 个端点相对应。总之，端点是所有u s b 设备中唯一可以视为其相同的部分，它与主 机和设备之间某一方向的数据传输相对应。 在u s b 主机上的一个软件功能和一个u s b 设备之间建立的一个虚连接称为 “管道”。在u s b 技术中有两种类型的管道流管道和消息管道。“流管道”是指 没有确定的总线帧结构而已数据流的方式进行数据传输的“管道”。“消息管道”中 的数据具有一定的帧结构。因而其数据传输就可以与所需的带宽、传送类型和端点 1 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = 2 = ；= ；i _ ；自e - _ j = a = = = ；= 特征( 传送方向和缓冲区大小) 相适应。管道是在一个设备插入系统后，由位于u s b 主机上的软件建立的。所有的u s b 设备都必须支撑“管道0 ”从而使u s b 主机可以 利用该管道对u s b 设备进行配置。 3 1 接入操作 主机控制器可以从电缆线上的电压变化感知出外设的接入。主机认为这是端口 状态的变化。这时，外设出于接入状态。如主机出现休眠状态，外设的接入会唤醒 主机。当主机检测到外设接入后，紧接着查看是接入了具体哪个端口并使能它。随 后，主机发出一个至少是1 0 m s 长的复位信号给外设。复位信号结束后，端口使能。 复位结束后，主机可以通过v b u s g n d 线提供给外设、集线器或者功能单元 1 0 0 m a 的功率。这时，外设出于上电状态。应该注意的是，自己供电的外设不需要 从总线上得到这1 0 0 m a 地功率。外设逐步地改变状态，从断开到接入。到完全复位， 到上电状态。这时，就可以接收从主机来的命令了。主机用默认得地址( 地址0 ) 来和 外设通信，并开始总线列举过程。 3 2 总线列举 总线列举过程包含一个系列的查询操作。主机会从连入的外设获得信息，给它 一个唯一的地址，再给它分配一个配置值。这个过程分为4 步： 步骤l ：主机通过控制管道向默认得地址发出一个g e t _ d e s c r i p t o r 命令给外设。外设则 提供出关于自身的信息，如设备等级、开发商识别号、零最终应用的最大包大小等。 步骤2 ：主机用s e ta d d r e s s 命令发出一个包含唯一地址的数据包，外设在8 x 9 0 3 框架 的控制下，通过最终应用0 获得地址并且将它存在一个专门的功能寄存器内。 步骤3 ：主机用g e t 命令来要求并且读取外设配置描述单元的信息a外configuration 设返回接口和最终应用数、最终应用传送类型、包的大小和方向、最大功耗和电源 来源等信息。 步骤4 ：用s 就 命令来给外设分配一