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1、第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线第9章 高速串行总线第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线本章内容USB系统原理及组成USB通信协议IEEE 1394系统结构IEEE 1394的通信协议第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.1 高速串行接口简介USBUniversal Serial Bus（通用串行总线）IEEE1394IEEE1394 High Performance Serial Bus Standard 第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线1 1USBUSB接口的特点接口的特点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1
2、2Mb/s，USB2.0的传输速度可以达到480Mb/s。连接灵活独立供电第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线2IEEE1394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（peer to peer）（5）安装方便且容易使用（6）兼容性好（7）廉价第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.2 USB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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.2.1 USB拓扑结
3、构有层次性的星型结构第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线1USB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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线2USB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，U
4、SB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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线3 3USBUSB设备设备通过总线与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;USB 2.0）第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线总线接口总线接口 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。功能单元功能单元 提供不同USB设备各自的特定功
5、能第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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（Device Address）第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.2.2 USB的物理接口1 1USBUSB连线连线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 第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线2 2USBUSB连接器连接器A型和B型两种插头和插座 USB A型插座 USB A型插头 Mini-USB A型插座 Mini-USB A型插
6、头 第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线3 3供电模式供电模式自供电（Self-Powered）总线供电（Bus-Powered）4 4低功耗低功耗正常工作（Normal）状态挂起（Suspend）状态 5 5即插即用即插即用第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.3 USB通信协议9.3.1 通信模型图9.6 USB通信模型第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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
7、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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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）第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.3.2 数据格式1 1包的组成包的组成同步字
8、段同步字段用于数据包位同步用于数据包位同步包标识符（包标识符（PIDPID、Packet IdentifierPacket Identifier）字段）字段令牌包（令牌包（Token PacketToken Packet）数据包（数据包（Data PacketData Packet）握手包（握手包（Handshake PacketHandshake Packet）特殊包（特殊包（Special PacketSpecial Packet，也称为专用包）。，也称为专用包）。数据字段数据字段携带主机与设备之间要传递的信息，携带主机与设备之间要传递的信息，CRCCRC字段字段用来检测包中数据的错误，只
9、存在于令用来检测包中数据的错误，只存在于令牌包和数据包中。牌包和数据包中。包结尾字段包结尾字段作为包的结束标志作为包的结束标志 同步字段 包标识字段 数据 校验字段 包结尾字段（SYNC）（PID）字段 （CRC）（EOP）第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线2包的类型（1）令牌包（Token Packet）起始令牌包（SOF）输入令牌包（IN）输出令牌包（OUT）设置令牌包（SETUP）同步字段（8位）CRC5（5位）PID（8位）EOP（23位）7位设备地址 4位端点11位序列帧号第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线（2）数据包USB 1.X规范支持DATA0、DATA1类数据PI
10、D 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。同步字段（8位）CRC16（16位）PID（8位）EOP（23位）数据（01023字节）第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线（3）握手包ACK（应答Acknowledge）NAK（无应答No Acknowledge）STALL（中止）。同步字段（8位）PID（8位）EOP（23位）第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线（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
11、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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.3.3 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）第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线（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 第
12、第9 9章章 高速串行总线高速串行总线（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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线（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
13、相（令牌包）、数据时相（数据包）和握手时相（握手包）三部分。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线事务处理的特点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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.3.4 数据传输模式1 1传输类型传输类
14、型批量（Bulk）传输中断（Interrupt）传输同步（Isochronous）传输控制（Control）传送第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线2 2传输特点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第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.4 PC机的USB应用及开发 （A）硬件结构 （B）软件结构PC机中的USB应用第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线USB设备开发流程第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.5 USB2.0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
15、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第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.6 IEEE1394体系结构IEEE1394 High Performance Serial Bus Standard，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：98.304 Mbps，196.608 Mbp
16、s，392.216 Mbps。一般称为100 Mbps，200 Mbps，400 Mbps第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.6.1 IEEE1394的拓扑结构1节点和模块体系第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线单元（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 第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线2拓扑结构第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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
17、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第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.6.2 1394的物理接口1 1连接器连接器第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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840V。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.第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线9.7 IEEE1394通信协议IEEE1394协议分层第第9 9
18、章章 高速串行总线高速串行总线三个协议层: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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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 第第9
19、 9章章 高速串行总线高速串行总线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：第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线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理总线上其他的节点 总线管理器总线管理器：在总线上只有一个节点可以充当总线管理器的角色。如果总线上有总线管理器的话，它会提供如下服务：高级的电源管理服务。保存速度图，可以通过速度图分析节点之间互相通信的速度。保存拓扑图，从而知道每个节点的能力。总线优化功能。根据拓扑图中的信息，对总线进行优化，从而提高总线效率。第第9 9章章 高速串行总线高速串行总线等时资源管理器：等时资源管理器：它提供如下服务：等时带宽的分配信道号码的分配循环控制器的选择节点控制器节点控制器：所有没有充当总线管理器的节点也都有自己独立的节点控制器。