摘要：高速度、高可靠性、低功耗的串行系統(tǒng)總線是航天通信領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。簡要地介紹了USB 2.0通信協(xié)議的基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸，并以此為基礎(chǔ)給出具有高可靠性的USB通信系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。并在此基礎(chǔ)上提出具體的方案，經(jīng)試驗(yàn)此USB設(shè)備接口可滿足通信的性能要求。

關(guān)鍵詞：USB2.0；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；PID；通信接口

中圖分類號：TP334

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)02—000—03

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及大容量數(shù)據(jù)交換和通信的需求，如RS 232等計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)外圍接口逐漸成為計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備通信的瓶頸。與此同時(shí)外圍接口配置繁雜、不易擴(kuò)展等缺點(diǎn)更是阻礙了計(jì)算機(jī)的普及和外圍設(shè)備的發(fā)展，而通用串行總線技術(shù)(Universal Serial Bus，USB)的特點(diǎn)卻在很大程度上彌補(bǔ)了以上這一缺憾。

USB是一種快速、簡便的總線接口。其最大特點(diǎn)是易于使用，其主要表現(xiàn)在USB接口支持即插即用，無需重啟計(jì)算機(jī)，并且當(dāng)USB設(shè)備連接到主機(jī)上時(shí)，其所有的配置過程初始化都是由系統(tǒng)自動完成，也就是說USB的初始化過程對用戶是透明的。作為一種快速的總線接口，幾乎所有的外設(shè)從鼠標(biāo)到MP3，MP4播放機(jī)以及數(shù)碼相機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備等都可以通過USB連接到主機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和通信。

此外USB接口的高數(shù)據(jù)傳輸速率、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)容錯(cuò)技術(shù)和低廉的價(jià)格都大大的推動了USB設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)用。

1 USB協(xié)議規(guī)范

1.1 USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

USB系統(tǒng)在硬件上主要分為USB主控制器和USB設(shè)備。USB主控制器就是主機(jī)的USB接口，他在USB系統(tǒng)中只允許擁有一個(gè)。USB設(shè)備包括了集線器(HUB)和USB功能設(shè)備，當(dāng)他們被接人USB系統(tǒng)后都會被分配惟一的地址，設(shè)備的USB接口被稱為USB設(shè)備控制器。USB的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

由圖1可以看出USB是一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集線器HUB位于星形結(jié)構(gòu)的中央，通過HUB的級聯(lián)可以使USB系統(tǒng)最多連接127個(gè)設(shè)備。雖然從物理結(jié)構(gòu)上可知功能設(shè)備通過HUB連接到主機(jī)上，并且各個(gè)功能設(shè)備到主機(jī)所通過的HUB數(shù)也不盡相同，但是從邏輯上講，各個(gè)功能設(shè)備卻是直接和主機(jī)進(jìn)行通信，跟他們直接與主機(jī)相連一樣。

1.2 USB的傳輸速率和傳輸類型

USB使用4種數(shù)據(jù)傳輸方式和3種傳輸速率類型。USB的4種數(shù)據(jù)傳輸方式分別是：控制傳輸(contro1)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)和同步傳輸(synchro— nous)。

控制傳輸對數(shù)據(jù)的傳輸精確度有很高的要求但對數(shù)據(jù)的傳輸速率和傳輸時(shí)間要求卻不大且數(shù)據(jù)傳輸量較少?？刂苽鬏斒请p向傳輸，主要應(yīng)用于主機(jī)和外設(shè)之間的斷點(diǎn)0上以及用于查詢、配置和發(fā)送通用的命令給USB設(shè)備。

中斷傳輸用于小批量、非連續(xù)、不可預(yù)測的數(shù)據(jù)傳輸場合，中斷傳輸是單向的并且對主機(jī)而言只有輸入的方式，主要應(yīng)用于鍵盤、鼠標(biāo)、游戲桿這種類型。

批量傳輸對數(shù)據(jù)傳輸量要求高但對數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間卻要求不高，批量傳輸主要應(yīng)用于沒有時(shí)間要求的批量數(shù)據(jù)傳送和接收的打印機(jī)、掃描儀等類型。

同步傳輸要求數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)并且連續(xù)，他對數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間要求很高但對數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)能力相對較弱的一種數(shù)據(jù)傳輸類型，主要應(yīng)用于對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求很高的語言業(yè)務(wù)傳輸?shù)阮愋汀?/p>

USB所使用的這3種數(shù)據(jù)傳輸速率分別是低速的1.5 Mb／s、全速的12 Mb／s和高速的480 Mb／s。即使USB工作在低速的1.5 Mb／s下也比一般的串口數(shù)據(jù)傳輸率快得多，而USB如果工作在高速的480 Mb／s的情況下則在性能上可以和1394相當(dāng)?shù)珒r(jià)格上卻比1394廉價(jià)得多。正是由于USB的高傳輸率和高性價(jià)比使得USB在計(jì)算機(jī)接口中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1.3 USB的傳輸事務(wù)和數(shù)據(jù)包

一次USB傳輸是由一個(gè)或多個(gè)事務(wù)組成的，USB主機(jī)和設(shè)備之間通過這些事務(wù)的離散交互來進(jìn)行通信。一個(gè)事務(wù)大多由主機(jī)開始，主機(jī)發(fā)送標(biāo)記包(token)后再發(fā)送數(shù)據(jù)包(data)給設(shè)備，設(shè)備接到數(shù)據(jù)包后根據(jù)自身的情況發(fā)送不同的握手信號(handshake)給主機(jī)。一個(gè)事務(wù)是由多個(gè)包組成的，包是總線上傳輸?shù)淖钚〉臄?shù)據(jù)塊，包有4種類型：標(biāo)記包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包。每種包都有自己特定的格式，每種類型的包又具有很多種包，他們用不同的PID來進(jìn)行區(qū)分。表1所示為PID類型表：

1.4 USB的數(shù)據(jù)編碼／解碼

USB在數(shù)據(jù)傳送時(shí)使用非歸零反向碼(None ReturnZero Invert，NRZI)。在此編碼規(guī)范中規(guī)定，“1”表示傳輸?shù)碾娖讲蛔?，?”表示傳輸?shù)碾娖礁淖?。即說明數(shù)據(jù)中出現(xiàn)連續(xù)的“1”表明數(shù)據(jù)電平長時(shí)間保持不變，數(shù)據(jù)出現(xiàn)連續(xù)的“0”表示數(shù)據(jù)電平在每比特周期都發(fā)生跳變。為確保數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)確無誤，在USB發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)傳送設(shè)備要對數(shù)據(jù)進(jìn)行比特位填充，而設(shè)備的接收端也必須能夠識別出比特位填充并能夠?qū)Ψ菤w零反向碼進(jìn)行正確解碼。

2 USB設(shè)備控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)USB設(shè)備控制系統(tǒng)可分為4大部分：USB收發(fā)器、串行接口引擎(Serial Interface Engine，SIE)、控制和狀態(tài)寄存器及RAM、存儲器管理單元(MMU)等。其系統(tǒng)模塊層次結(jié)構(gòu)如圖2所示：

USB收發(fā)器由輸入緩沖器和輸出緩沖器組成，他通過終端電阻可以直接和外部的USB電纜線連接，USB收發(fā)器可以接收從USB電纜中傳來的數(shù)據(jù)同時(shí)也可以通過其內(nèi)部的差模輸出驅(qū)動器向USB電纜傳送數(shù)據(jù)。差模輸出驅(qū)動器可以通過其輸出信號的變化幅度不同來區(qū)別USB工作在高速、全速還是低速模式下。

串行接口引擎是整個(gè)USB設(shè)備控制系統(tǒng)的核心部分，其模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

位填充模塊主要完成對輸出數(shù)據(jù)的比特位填充以及對輸入數(shù)據(jù)解除比特位填充。

事件檢測模塊主要完成對數(shù)據(jù)狀態(tài)和端口命令的檢測，如數(shù)據(jù)發(fā)送／接收是否成功、總線掛起／復(fù)位／喚醒、地址偵測等。

包組裝器主要是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)組裝成USB格式并將其通過總線檢測和收發(fā)器傳送出去。

包拆裝器是將接收數(shù)據(jù)傳遞模塊傳遞過來的USB包數(shù)據(jù)中提取其數(shù)據(jù)域并將其進(jìn)行校驗(yàn)，如果正確就將數(shù)據(jù)存到存儲器或仲裁模塊中，否則報(bào)錯(cuò)。如果是標(biāo)記包或是握手包則轉(zhuǎn)向協(xié)議引擎模塊處理。協(xié)議引擎模塊根據(jù)USB協(xié)議的規(guī)定進(jìn)行對事務(wù)的處理并適時(shí)通知包組裝器和包拆裝器進(jìn)行工作。

控制和狀態(tài)寄存器及RAM是用于存放控制器的這種控制信息和事件狀態(tài)，他是控制器內(nèi)部不可或缺的重要組成部分。功能接口主要負(fù)責(zé)微控制器對內(nèi)部寄存器和存儲器的訪問。存儲器管理單元負(fù)責(zé)仲裁微控制器和協(xié)議層模塊對RAM緩沖區(qū)的訪問，兩者均通過采用內(nèi)部DMA方式訪問RAM，在VHDL程序中通過設(shè)置一個(gè)信號來選擇何時(shí)由微控制器或協(xié)議層模塊對RAM的訪問。

系統(tǒng)的基本操作流程為：當(dāng)數(shù)據(jù)由主機(jī)通過USB電纜進(jìn)入U(xiǎn)SB收發(fā)器后，USB收發(fā)器中的輸入緩沖器完成對信號進(jìn)行整形；然后將數(shù)據(jù)送到串行接口引擎，串行接口引擎一方面對總線和數(shù)據(jù)狀態(tài)的檢測另一方面通過接收數(shù)據(jù)傳遞模塊將USB包的數(shù)據(jù)送到協(xié)議層的包拆裝器中并對USB包進(jìn)行包拆裝；將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)送到存儲器或仲裁模塊中，通過功能接口和微控制器進(jìn)行交互，如果是標(biāo)記包或是握手包則送到協(xié)議引擎中進(jìn)行處理。當(dāng)設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)從存儲器送到協(xié)議層的包組裝器中進(jìn)行數(shù)據(jù)組裝，組裝后的數(shù)據(jù)以USB包的形式通過發(fā)送數(shù)據(jù)傳遞到達(dá)USB收發(fā)器中，USB收發(fā)器的輸出緩沖器通過對電壓、差分信號以及端點(diǎn)0的控制將USB包傳送到USB電纜上進(jìn)而傳到主機(jī)中。

3 結(jié)語

本文以USB 2.0為基礎(chǔ)，介紹了USB總線通信協(xié)議的基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸。并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了設(shè)備控制接口的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)試驗(yàn)印證，此USB設(shè)備接口可以滿足USB 2.0通信的性能要求。