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1、第第8章章-音频音频-视频总线视频总线-朱嘉炜朱嘉炜信息与控制工程研究所 朱嘉炜朱嘉炜第第8章章 音频音频-视频总线视频总线1.38.1 音音频频/视频总线视频总线概述概述8.1.1 I2C总线总线 I2C是一种由串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）组成的同步、多主总线，其传输速率已经从最初的100kbit/s逐渐增加到3.4Mbit/s。1.主要特征主要特征 每个与总线连接的元件都被分配了唯一的地址。符合 I2C 总线标准的多个元件可利用同一条 I2C 总线相互通信，而不需要额外的地址译码器。支持广播通信。支持多种传输速率模式：100Kbit/s（标准模式）、400Kbit/s（快速模
2、式）和3.4Mbit/s（高速模式）。I2C总线系统有主机（Master）和从机（Slave）之分。主机是为总线提供时钟、产生起始/停止信号的元件；从机是由主机寻址的元件。2.数据传输规范数据传输规范 开始/停止条件。开始条件开始条件：当 SCL 线处于高电平、SDA 线从高电平变到低电时，产生开始信号。此后，总线一直处于忙状态，直到出现停止信号。停止条件停止条件：当 SCL 线处于高电平、SDA 线从低电平变到高电时，产生停止信号。此后，总线一直处于空闲状态，直到出现开始信号。48.1 音音频频/视频总线视频总线概述概述 数据有效性。I2C 总线中 SDA 线的电平在 SCL 线处于高电平时
3、不变，SCL 线处于低电平时 SDA 的电平状态才可以改变。数据传送。I2C 总线以字节（8位）为单位传送数据，先传高位。传输以出现开始信号作为起点，传送的字节数没有限制，直到出现停止信号结束。应答信号。在每字节传完后，都要有一个应答状态位。地址。I2C 总线元件都有唯一的编址，不需要片选和地址译码等。I2C 总线读/写数据的基本格式如图 8-1 所示。8.1.2 D2B总线总线 D2B是用于系统与系统之间通信一种多主总线，主要针对家庭中使用的音频/视频设备。1.D2B协议协议D2B是在差分线对（带接地回路）上以异步模式运行的，其帧格式有最大持续时间。D2B帧与CAN帧的不同体现在以下几个方面
4、：位的结构完全不同；地址场（主机或从机）更加重要；主机声明其身份；仲裁仅在帧开始时进行；存在连续性位（无位填充）。58.1 音音频频/视频总线视频总线概述概述D2B帧的组成如图8-2所示 D2B是用于系统与系统之间通信一种多主总线，主要针对家庭中使用的音频/视频设备。2.D2B网络网络位速率。D2B标准描述了三种操作模式，分别为模式0、模式1和模式2，与之对应的时钟频率依次为750 kHz、3MHz和6MHz。网络长度。D2B的最大运行距离为150m。网络拓扑结构。为满足长度、位速率和安装成本等方面的指标，D2B选用了菊花链型拓扑结构3.D2B线路线路1.阻抗,任何线路都有电气特性，尤其是固有
5、阻抗。若不采取措施将会导致严重后果2.在光学媒体上的D2B。汽车等行业长期使用一种物理层媒体为光纤的“改进型D2B”，其主要作用是将数字数据从车辆的后部传输到车辆的前部。优点是可以更好地防止寄生信号，降低成本，减小光纤链路和连接器的脆弱性，以及增加创建菊花链总线拓扑时的灵活性。68.2 MOST总线总线的形成及主要特征的形成及主要特征8.2.1 MOST总线体系结构总线体系结构 MOST总线的体系结构与ISO/OSI参考模型之间的对应关系如图8-4所示，MOST包含了OSI模型的全部7层的内容。实际上，网络服务是由基础层和应用接口层两部分组成的。基础层主要提供管理网络状态、信息接收/发送驱动和
6、流（Stream）通道分配等底层服务；应用接口层提供与功能块的接口（包括命令解释）等。78.2 MOST总线总线的形成及主要特征的形成及主要特征8.2.2 MOST的主要特点的主要特点 MOST网络的优势主要体现在以下几个方面：1.高带宽。MOST的传输速率高达150Mbit/s，远高于CAN、LIN、FlexRay、I2C和D2B。2.低电磁干扰。与双绞线相比，光纤在传输时不会造成电磁辐射，对外界的电磁干扰也不敏感，采用光纤作为传输媒体，能够在复杂的环境中保证音频/视频数据的传输质量。3.支持即插即用（PNP）。MOST网络采用了环型拓扑结构，在网络连通时，移除任意设备都不会影响网络的运行。
7、当新设备接入MOST网络时，不必重启MOST网络，主控节点能够自动的检测网络状态变化，并重新分配每个设备的网络地址。4.主控节点设置灵活。MOST网络最多可连接64个节点，其中一个为主控节点（可以出现在应用系统中的任何位置），其它都为功能性节点（从节点）。5.采用中央主节点时间同步法。系统时钟由主控节点（也称为时间主节点）发出，其它所有节点（也称为时间从节点）都通过PLL与这个系统时钟同步。6.各类数据同时传输且互不干扰。MOST网络支持同步数据、异步数据、控制数据的传输。88.3 报报文格式和媒体文格式和媒体访问访问控制方法控制方法MOST通信是以“块块”的方式组织的，每个块由16帧组成，帧
8、的长度为512位，即64个字节，如图8-5给出了MOST25标准的帧格式。帧起始是MOST帧的起始标识。它在时间主节点和时间从节点中的作用是不同的，时间主节点以外部时间源（如晶振频率）为基础生成起始符，而时间从节点使用它以锁相环方式与整个网络的位流同步。8.3.1帧起始帧起始 8.3.2边界描述符边界描述符 同步通道与异步通道占用一帧中的60个字节，用于传输流数据和分组（包）数据。边界描述符的值由时间主节点中的网络接口控制器定义，取值范围615。如果时间主节点改变了边界描述符的值，那么所有的同步连接必须重新建立。98.3 报报文格式和媒体文格式和媒体访问访问控制方法控制方法8.3.3同步通道同
9、步通道 帧的这一部分用来实时传输音频/视频数据流。重要之处在于，此通道可被动态地划分为多个信道，使得多个节点能够彼此同时发送和接收数据。图8-6给出了使用网络接口控制器NIC时该通道的基本操作。步通道采用分时多路访问分时多路访问（TDMA）法半静态地建立连接，同步通道中的数据既没有发送端地址也没有接收端地址，数据之间的通信完全由控制命令完成。在指定的时间模式下，MOST帧的相同位置可以周期性地传输数据。发生传输错误时不重发；下一个传输周期继续传输有效数据。108.3 报报文格式和媒体文格式和媒体访问访问控制方法控制方法边界描述符定义了同步通道的带宽，可由以下公式计算带宽：式中，BW表示带宽；S
10、BC表示边界描述符的值，通常是由NIC控制寄存器设置的，取值范围为615 quadlets；FS表示帧频，也称为采样频率，其典型值为模拟音频信号拾音频率44.1kHz。8.3.4异步通道异步通道 异步通道用于节点之间非周期性地传送事件数据和基于分组的数据，如导航数据。步通道的传输通过数据链路层协议进行管理。数据链路层的协议帧(由MOST高层协议负责处理)可使用两种数据区长度，分别为48和1014字节，如8-7所示。在网络中，异步通道的访问采用了令牌方式。异步通道的传输速率取决于协议帧的长度与带宽，可用下式计算：式中，Ras为异步通道网络数据传输速率，单位是bit/s；Pd为一个协议帧中的数据字
11、节数量；Tt为一个协议帧的传输时间，单位是s，其值取决于帧频FS与延迟时间。118.3 报报文格式和媒体文格式和媒体访问访问控制方法控制方法其中，Ta为两个协议帧的传输间隔，以帧为单位计量；Tp为协议帧分段个数，单位是帧计算公式如下8.3.5 控制通道控制通道 式中，Af为异步通道的带宽设定值（公式中已被换算为每秒字节数）；Ph为一个协议帧中的控制字节数量例如，在FS=44.1kHz，SBC=12 quadlets，Pd=48 bytes，Ta=4 frames时，相应的异步通道网络数据传输速率Ras为1.917101 Mbit/s。控制通道能够传输命令、状态与诊断信息，可以用来管理网络以及网
12、络中的节点。1.控制通道中的协议数据结构控制通道中的协议数据结构仲裁（仲裁（4字节）：字节）：仲裁机制采用了载波监听多路访问（CSMA）法，由块的最初两个帧来实现。地址（地址（4字节）：字节）：前两个字节为目的地址，后两个字节为源地址。报文类型（报文类型（1字节）：字节）：0 x00表示常规报文，0 x010 x05表示系统报文。128.3 报报文格式和媒体文格式和媒体访问访问控制方法控制方法2.控制通道数据传输速率控制通道数据传输速率于发送1个控制报文需要16个帧，而每个帧的64个字节中有2个用于网络内部管理（如通道资源分配），其余62个用于传输数据，因此，每秒发送的控制报文个数为数据区（数
13、据区（17字节）字节）：数据区用于实现功能块之间的交互，也用于异步信道的传输连接，它由功能块标识符、功能块实例、函数标识符、操作类型、报文标识符、报文长度、以及相关参数组成。循环冗余校验码循环冗余校验码CRC（2字节）字节）：接收方利用CRC检查传输错误。应答标志（应答标志（2字节）字节）：接收方通过应答标志将接收状态告知发送方。接收状态分为以下三种：接收成功、缓冲区阻塞或CRC错误。预留位（预留位（2字节）字节）：用于将来的协议扩展。式中，CM表示每秒发送的控制报文个数，单位为msg/s。已知每个报文的长度为17个字节，由CM很容易计算总体数据传输速率（DRgross）8.3.6帧状态和校验
14、位帧状态和校验位帧状态描述MOST帧的状态信息，主要用于网络层面的管理；校验位用于检查帧中的位错误。138.3 报报文格式和媒体文格式和媒体访问访问控制方法控制方法8.3.7关于媒体访问控制技术的说明关于媒体访问控制技术的说明1.系统时钟同步系统时钟同步如前所述，MOST媒体访问控制建立在时钟同步基础上，网络设备共享的系统时钟脉冲是从数据流中衍生出来的。它们据此彼此协调，实现同步数据的传输。2.MOST系统驱动软件系统驱动软件MOST系统驱动软件（即网络服务）覆盖了 OSI模型的第37层，在外部主处理器上实现。3.功能块功能块具有指定功能的应用程序接口称为功能块。功能块集成了所有实现MOST设
15、备控制所必需的属性和方法，通过应用层协议可与功能块进行通信，是MOST系统简化通信网络设计的基础 148.4 MOST物理物理层层8.4.1传输媒体传输媒体目前使用的大多数MOST网络是在塑料光纤（POF）电缆上运行的，既避免了EMC问题，又带来了电气隔离。MOST的数据传输速率由帧频(FS)和帧长(BPF)决定。MOST使用双相标记编码每一位的传输时间用单位区间UI表示:MOST传统上仅使用环型拓扑结构环型拓扑结构，由单一主节点控制时钟，从而实现同步通信。如右图所示：8.4.2数据传输速率和编码数据传输速率和编码8.4.3MOST拓扑结构拓扑结构 158.5 MOST的网的网络错误络错误与与
16、错误处错误处理理8.5.4光学事件光学事件1.断光（断光（Light-Off）如果设备的接收端突然接收不到光信号，那么它将自动停止从输出端发送光信号，随后准如果设备的接收端突然接收不到光信号，那么它将自动停止从输出端发送光信号，随后准备进入休眠模式。备进入休眠模式。1.解锁（解锁（Unlock）时钟主节点的系统时钟与从节点的时钟丧失同步。导致解锁产生的原因很多，例如，光纤时钟主节点的系统时钟与从节点的时钟丧失同步。导致解锁产生的原因很多，例如，光纤收发器组件发生故障，或光强不满足系统时钟检测要求。收发器组件发生故障，或光强不满足系统时钟检测要求。当设备暴露在高于其工作极限的温度条件下时，可能会
17、出现故障或永久性损坏。8.5.2过热过热8.5.3欠电压欠电压1.临界电压不能确保所有应用都能安全运行，但仍然可以进行通信的电压。在临界电压情况下，网络服务仍然维持正常操作模式，但不能传输同步通道上的数据。2.低电压导致网络接口不再可靠地工作，甚至无法维持通信的电压。168.5 MOST的网的网络错误络错误与与错误处错误处理理8.5.4网络变更事件网络变更事件在网络上循环传输的最大位置信息发生变化定义为网络变更事件（在网络上循环传输的最大位置信息发生变化定义为网络变更事件（NCE）。）。如果设备开启或关闭其旁路，即进入或离开网络，那么最大位置信息会发生变化，这种变化可能产生干扰，如前文提到的解
18、锁。NCE 由每个设备中的网络服务负责识别。178.6 MOST的的组组件、开件、开发发工具和工具和应应用用8.6.1 MOST组件组件MOST节点通常由光纤收发器、MOST网络接口控制器、外部主控制器组成，如图8-10所示。光纤收发器包括两个单元：光纤接收单元和光纤发送单元。MOST网络接口控制器具有“旁路”功能，当微处理器出现异常时，它能保持数据通路的连通，把输入的数据流直接转发下去。8.6.2 MOST系统开发工具系统开发工具目前可用的系统设计和网络分析工具有多个，如Vector公司提供的CANoe.MOST，SMSC公司提供的OptoLyzer，等。188.6 MOST的的组组件、开件
19、、开发发工具和工具和应应用用8.6.3 MOST在汽车在汽车DVD播放系统中的应用播放系统中的应用下面用图8-11所示的例子描述了使用MOST将数据从DVD传输到显示屏的常规操作。注：在以下描述中，用TM表示Tri-Media媒体处理芯片。TM充当控制器，从DVD播放器接收数据。TM的软件模块分离来自DVD数字流，提取用户选择的节目。TM解码杜比数码音频并通过MOST将其分发到各个扬声器。TM通过MPEG2填充将VBR MPEG2数据转换为CBR MPEG2数据。TM使用I2S音频接口，通过MOST发送CBR MPEG2数据流。TM通过对MPEG2流进行转码，将位速率降低到5Mbit/s 以下
20、，从而使多个视频通道可以通过MOST进行传输。显示屏中的TM对MPEG2流进行解压缩，并将图像分辨率调整到与显示屏分辨率相匹配。198.6 MOST的的组组件、开件、开发发工具和工具和应应用用8.6.4 MOST总线与总线与FireWire的比较的比较FireWire总线只包含了ISO/OSI参考模型的第1、2两层,而MOST总线包含了ISO/OSI参考模型的所有层。FireWire总线采用总线型拓扑结构，而MOST使用环型拓扑结构FireWire总线相较于MOST总线，能够实现更高的传输速率FireWire总线可以实现与MOST相同的应用，并且可以在单一有线媒体中传输不同音频/视频源的数据，例如(1)来自音频和视频CD家族的数据，以及用于导航支持路线图的CD ROM。(2)用于在某些时刻进行屏幕显示的各类视频数据，其中包括用于视频显示、通信和办公技术、视频游戏、DVD、GPS定位和导航设备的数据。但是，目前FireWire的应用存在多方面的障碍。首先，许多先进设计仍停留在实验室阶段；其次，成本和组件可用性问题仍然较大；第三，工作温度范围问题，目前能够承受汽车等产品的温度范围的组件很少。第第8 8章结束，谢谢！章结束，谢谢！