第9章 高速串行总线

第9章高速串行总线 本章内容 USB系统原理及组成USB通信协议IEEE1394系统结构IEEE1394的通信协议 9 1高速串行接口简介 USBUniversalSerialBus 通用串行总线 IEEE1394IEEE1394HighPerformanceSerialBusStandard 1 USB接口的特点 USB接口主要有以下特点 使用方便 即插即用 速度快USB1 X接口的最高传输率目前可达12Mb s USB2 0的传输速度可以达到480Mb s 连接灵活独立供电 2 IEEE1394的特点 1 采用 级联 方式连接各个外部设备 2 能够向被连接的设备提供电源 3 采用基于内存的地址编码 具有高速传输能力 4 采用点对点结构 peertopeer 5 安装方便且容易使用 6 兼容性好 7 廉价 9 2USB体系结构 在物理上 USB系统由三个部分组成 一是具备USB接口的计算机系统 二是支持USB接口的系统软件 三是使用USB接口的设备 9 2 1USB拓扑结构 有层次性的星型结构 USB框架中包含的硬件有 USB主机 USB集线器USB设备USB框架中包含的软件有 USB主机控制器驱动程序USB驱动程序USB设备驱动程序 1 USB主机 USB只有主机才能担当主控端USB主机一般具有以下功能 检测USB设备的插拔动作 通过根集线器来实现 管理USB主机与USB设备之间的控制流 管理USB主机与USB设备之间的数据流 收集USB主机的状态和USB设备的动作信息 2 USB集线器 集线器采用一对多的方式连接外设 7位地址 共128个 USB主机控制器必须保留一个 还有127个地址可以连接USB设备 USB规范中 USB设备与USB集线器的连接点被称作为端口 Port 每个USB集线器将一个连接点转化成多个连接点 3 USB设备 通过总线与USB主机相连的称为USB设备全速设备 12Mb s 低速设备 1 52Mb s高速设备 480Mb s USB2 0 总线接口是最底层的物理实体 是USB发送和接收数据的接口 逻辑设备处于中间层次 基本上就是USB协议的主体 功能单元提供不同USB设备各自的特定功能 USB设备提供了各种属性描述符 Descriptor 类 Class 功能 Function 接口 Interface 端点 Endpoint 管道 Pipe 设备地址 DeviceAddress 9 2 2USB的物理接口 1 USB连线4线电缆D 与D 用来进行差分数据传输VBUS的电压为 5V最长可以5米 2 USB连接器 A型和B型两种插头和插座 USBA型插座USBA型插头 Mini USBA型插座Mini USBA型插头 3 供电模式自供电 Self Powered 总线供电 Bus Powered 4 低功耗正常工作 Normal 状态挂起 Suspend 状态5 即插即用 9 3USB通信协议9 3 1通信模型 图9 6USB通信模型 USB通信逻辑上分三层 信号层实现在USB设备和主机的物理连接之间传输位信息流的信息协议层 逻辑层 实现在USB设备和USB主机端的协议软件之间传输包字节流的信息 数据传输层实现在USB主机端的客户端驱动程序和设备端的功能接口之间传输有一定意义的信息 这些信息在协议层被打包成包格式 信号层传输的位信息流称为包 Packet 协议层传输的包信息流称为事务处理 Transaction 数据传输层传输的信息流称为传输 Transfer 协议层在逻辑上将设备分成了三层实体 总线接口 传送和接收数据信号 识别设备的当前唯一地址端点 设备端用于传输数据的接收点和发送点 它的功能相当于其它总线设备的I O端口 功能接口 由一组端点组成 用来完成特定的功能 9 3 2数据格式 1 包的组成同步字段用于数据包位同步包标识符 PID PacketIdentifier 字段令牌包 TokenPacket 数据包 DataPacket 握手包 HandshakePacket 特殊包 SpecialPacket 也称为专用包 数据字段携带主机与设备之间要传递的信息 CRC字段用来检测包中数据的错误 只存在于令牌包和数据包中 包结尾字段作为包的结束标志 2 包的类型 1 令牌包 TokenPacket 起始令牌包 SOF 输入令牌包 IN 输出令牌包 OUT 设置令牌包 SETUP 2 数据包USB1 X规范支持DATA0 DATA1类数据PID在USB2 0规范中 新添加了DATA2的数据PID其中DATA0表示的数据包是数据传输中的第1 3 5等奇数包 而DATA1所表示的数据包是数据传输中的第2 4 6等偶数包 3 握手包ACK 应答Acknowledge NAK 无应答NoAcknowledge STALL 中止 4 特殊包当包中的PID类型为PRE时 是一种特殊包 PRE称为前同步 目的是为了提醒USB集线器要传输的下一个包是一个低速包 前同步是为了让系统区分全速设备和低速设备 前同步的包结构和握手包类似 但是没有包结尾字段EOP 9 33事务处理 1 输入事务处理 IN 2 输出事务处理 OUT 3 设置事务处理 SETUP 1 输入事务处理 IN 表示USB主机从总线上的某个USB设备接收一个数据包的过程 输入事务的过程一般包括令牌时相 令牌包 数据时相 数据包 和握手时相 握手包 分下列几种情况数据正确的事务过程数据包错误的事务过程设备未准备好 设备出错 实时传输的输入事务处理 2 输出事务处理 OUT 表示USB主机向总线上的某个USB设备发送一个数据包的过程正确情况下 USB主机先发出令牌包 接着发出数据包 对方设备接着会向USB主机返回一个ACK握手包 表示此事务处理过程正确结束 对方设备没有准备好接收数据时 就会在握手时相返回一个NAK握手包 表示设备没有准备好或设备正忙 当发送的数据包出现错误时 指定的设备不返回任何握手包 导致USB主机超时重传 3 设置事务处理 SETUP 设置事务处理仅在控制传输中使用 表示USB主机向某个USB设备发送控制命令 它一般包括令牌时相 令牌包 数据时相 数据包 和握手时相 握手包 三部分 事务处理的特点USB协议规定的数据包中的最大长度为1023字节 一次事务处理中最多只有一个数据包 因此设备和它的客户端驱动程序之间进行数据传输可能包括多次事务处理 数据处理的顺序规则由USB主机总控 它不会将一个事务处理分到不同的帧中 在事务处理中 包是按顺序传输的 如令牌包总是在数据包的前面发送 所有的令牌包都由USB主机发出 设备不发送令牌包 设备端根据令牌决定自己是否发送数据 而不能未经允许发送数据包 9 3 4数据传输模式 1 传输类型批量 Bulk 传输中断 Interrupt 传输同步 Isochronous 传输控制 Control 传送 2 传输特点传输速率数据传输方向性流量控制数据包最大长度数据的健壮性 9 4PC机的USB应用及开发 A 硬件结构 B 软件结构PC机中的USB应用 USB设备开发流程 9 5USB2 0简介 1999年2月 Compaq HP Intel等7家厂商联合制定了USB2 0规范 USB2 0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mb s 保证了向下兼容 USB2 0支持低速传输 1 5Mb s 全速传输 12Mb s 高速传输 480Mb s 支持4种不同类型的数据传输方式 批量传输 中断传输 同步传输控制传输 USB2 0增加了新的令牌数据包 如PING数据包广泛应用于实时图像数据传输 高速存储设备的数据通信方面 9 6IEEE1394体系结构 IEEE1394HighPerformanceSerialBusStandard 1992年提出1995年正式被IEEE作为工业标准具有64位的寻址空间三种速率 98 304Mbps 196 608Mbps 392 216Mbps 一般称为100Mbps 200Mbps 400Mbps 9 6 1IEEE1394的拓扑结构 1 节点和模块体系 单元 unit 节点内部实现具体功能的部分 节点 node 模块内部的一个逻辑实体 拥有唯一的地址 模块 module 连接到总线上的物理设备 每个模块包含一个或多个可以独立初始化和配置的节点 这些节点共享一个物理接口 2 拓扑结构 3 寻址 64位固定寻址方式 高16位为节点标识 而节点标识又分为两部分 总线标识 Bus ID 占10位 物理标识 Physical ID 占6位 余下的48位作为节点内部寻址初始内存空间私有空间初始寄存器空间 9 6 21394的物理接口 1 连接器 2 连线 线缆包括两对双绞线和一对电源线 双绞线中传输的是平衡的差分信号 电源线通过总线为设备供电 额定直流电压为8 40V 线缆分为六芯线缆和四芯线缆两种 在四芯线缆中省去了电源线和地线 其余信号功能类似于六芯线缆 9 7IEEE1394通信协议 IEEE1394协议分层 三个协议层 事务层支持异步传输的读 写和锁定操作 遵循CSR结构的请求 响应协议链路层主要为事务层服务 它实现对等时和异步数据包的寻址 数据校验 分析等功能 物理层实现包括仲裁 同步 编码 解码等的功能 1 事务层 支持异步传输的读 写和锁定操作 遵循CSR结构的请求 响应协议事务的处理是多线程的事务层提供了同事务数据流相关的服务 提供4个原语 请求 请求者用来发起事务 发送请求包 指示 用来通知响应者一个包的到来 响应 响应者用来向请求者返回状态或 和 数据 发送响应包 确认 用来通知请求者请求的响应包已经返回 2 链路层 链路层主要为事务层服务 它实现对等时和异步数据包的寻址 数据校验 分析等功能 异步子事务等时子事务4个服务原语 请求 指示 响应 确认 3 物理层 物理层有如下3个功能 把链路层的逻辑信号转化成在串行总线上传输的电信号 实现仲裁服务 以保证同一时刻总线上只有一个节点在发送数据 为串行总线定义了物理和机械接口 4 总线管理 串行总线管理描述了拥有什么样的协议 服务和操作过程的节点才可以管