第9章 高速串行总线
高速串行总线知多少…
高速串行总线知多少…纵观整个电子行业，制造商和其他公司推出的串行总线标准以满足市场和客户提出的多样化的需求。
这些标准的关键性目标是在某一个体系框架内，由不同制造商生产的设备能够相互通用。
每个标准是由一个管理机构、委员会和工作组，建立设计和测试要求。
表1 列出一些关键串行标准。
表1：重要的串行总线标准每个规范定义了产品必须符合标准的要求，包括电气、光学、机械、互连等等。
管理机构发起标准化测试，来检验产品是否能通过标准要求。
这些测试可能会详细到了指定具体的测试设备。
标准不断发展，因此参数规格不断的修改。
必须保持目前对产品的测试和规范的要求一致。
我参与许多标准组织并在不同的工作组中和其他公司一道，帮助管理机构制定有效的测试过程和符合性测试流程。
在这份文档中，我们会提到以下三个标准。
泰克公司作为工作组的一员，参与到这些标准的制定中。
SATASATA 接口是一个标准的串行存储接口，广泛应用于在今天的台式机和其他计算平台。
最初的速率只用1.5Gbps，但最近更新到 3.0Gbps 的第二代规范，已经进入市场。
下一代标准规定速率是6Gbps，部分规范正在业内制定中。
图1.SATA 总线的机械结构像许多串行标准，S A T A 接口采用低电压差分信号(LVDS)和8b/10b 编码。
数据在发射端和接收端之间采用全双工的数据通道，分别由一条发送通道(Tx)和一条接收通道(Rx)组成。
SATA 接口采用了扩频时钟(SSC)嵌入式时钟方法，不提供单独的参考时钟传送给接收端。
PCI ExpressPCI Express 已经取代PCI 成为大多数芯片到芯片级的应用或电路板传输和电缆连接中系统中使用。
PCIe 是一个高度可扩展的架构，提供从1 到16 条全双工的PCIe 连接。
在多通道应用，数据流根据现有可用通道的情况而拆分，同时在多个通道上传输。
最快的PCIe 应用通常是图像处理应用，通过16 条高速通道，在系统芯片组和图形处理器之间传输高分辨率的图形数据。
串行总线详解
单总线的时序
One-Wire协议定义了复位脉冲、应答 脉冲、写0、读0和读1时序等几种信号类型 。所有的单总线命令序列（初始化，ROM 命令，功能命令）都是由这些基本的信号 类型组成的。在这些信号中，除了应答脉 冲外，其他均由主机发出同步信号，并且 发送的所有命令和数据都是字节的低位在 前。
数字化温度传感器DS18B20
One-Wire总线（单总线）
One-Wire总线是DALLAS公司研制开发的协议。 它由一个总线主节点、一个或多个从节点组成系统， 通过一根信号线对从芯片进行数据的读取。每一个 符合 One-Wire协议的从芯片都有一个唯一的地址， 包括48位的序列号、8位的家族代码和8位的CRC代 码。主芯片对各个从芯片的寻址依据这64位的不同 来进行。One-Wire总线利用一根线实现双向通信。 因此其协议对时序的要求较严格，如应答等时序都 有明确的时间要求。基本的时序包括复位及应答时 序、写一位时序、读一位时序。 在复位及应答时序 中，主器件发出复位信号后，要求从器件在规定的 时间内送回应答信号；在位读和位写时序中，主器 件要在规定的时间内读回或写出数据。
-10.125
-25.0625 -55
1111 1111 0101 1110
1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000
FF5EH
FE6FH FC90H
2 I C-BUS
I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多 主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高 性能串行总线。
基本的数据传输格式
在图 4 和图 5 中，各种符号的意义为
：
S：起始位（START） SA：从机地址（Slave Address） ，7 位从机地址 W：写标志位（Write） ，1 位写标志 R：读标志位（Read） ，1位读标志 A：应答位（Acknowledge） ，1 位应答 /A：非应答位（Not Acknowledge） ，1位非应答 D：数据（Data） ，每个数据都必须是 8 位 P：停止位（STOP） 阴影：主机产生的信号 无阴影：从机产生的信号
串行总线原理
串行总线原理
串行总线是计算机系统中用来传输数据的一种传输方式。
它通过将数据位按照顺序一个接一个地发送，而不是同时发送多个数据位。
这种方式需要较少的电子线路和物理连接，因此可以节省空间和成本。
在串行总线中，发送方将数据位按照一定的顺序发送到接收方。
发送方将每个数据位转换为电信号，并通过物理线路将信号发送给接收方。
接收方将接收到的信号转换为数字信号，并恢复原始的数据位。
串行总线使用起来较为简单，因为数据位是依次发送的，所以在传输过程中不会发生数据冲突。
这意味着可以减少许多数据传输时需要解决的问题。
然而，串行总线的传输速度相对较慢。
由于数据是按顺序一个一个地发送的，所以整个数据包的发送时间较长。
这在需要高速传输大量数据的应用中可能成为一个限制因素。
因此，在实际应用中，通常会采用并行总线来提高传输速度。
并行总线可以同时发送多个数据位，从而加快数据传输的速度。
但是，并行总线需要更多的物理连接和电子线路，因此成本较高。
总的来说，串行总线是一种简单而经济的数据传输方式，适用于对传输速度要求不高的应用场景。
而在需要高速传输大量数据的情况下，则需要采用并行总线。
高速串行总线的常用测试码型
高速串行总线的常用测试码型本文讨论了高速串行链路中常用的测试码型伪随机码流的原理，以及不同的测试码型对物理层测试结果的影响。
高速串行总线的常用测试码型在当今的电信和计算机产品上，相比传统的并行总线，电路中的串行总线越来越多，速率越来越快。
比如通信产品中的10GBase-KR、CPRI2代，计算机中的PCIeGen2、SATA6G，存储产品中的SAS6G、FC8.5G，这些串行总线都陆续的跨过了5Gbps。
由于速率比较高，使得串行总线上的相关的收发器芯片(SERDES)、连接器、单板、背板的设计面临着越来越多的挑战。
对于这些高速串行总线的物理层测试，测试码型的选用至关重要，在很多串行总线的规范中对测试码型有严格的要求。
本文将对此进行探讨。
首先，串行总线的物理层测试通常分为发射机测试和接收机测试，又称为TX测试和RX测试。
发射机测试通常包括眼图、抖动、信号波形、幅度、上升下降时间等测试项目，接收机测试通常包括误码率、抖动容限、接收机灵敏度等测试项目。
对于眼图测试、误码率和抖动容限测试，最常用的测试码是伪随机码(PseudoRandomBinarySequence，简称PRBS)，主要有PRBS7、PRBS15、PRBS23和PRBS31。
除了PRBS以外，K28.5、1010、CJPAT等码型在很多串行总线的物理层测试中都很常用，特别是计算机上的串行标准(比如SATA、USB3.0、SAS)的测试码型有所不同，在本文中主要讨论最常用的测试码型——PRBS。
PRBS的实现方法顾名思义，PRBS是伪随机码流，在其码流中包括了所有可能出现的比特组合，而且其出现的概率是相同的。
PRBS信号是由PRBS码型发生器生成的。
PRBS发生器通常是由线性反馈移位寄存器(LinearFeedbackShiftRegister，简称LFSR)和异或电路组成。
如下图1所示为最简单的PRBS3的码型发生器，其多项式为X3+X2+1，即寄存器的第3位与第2位做异或(XOR)的逻辑运算后返回到寄存器的第1位，寄存器的第3位X3同时也是PRBS3发生器的输出。
串行总线是什么？（优点和作用）
串行总线是什么？（优点和作用）串行总线是什么？（优点和作用）任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。
为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。
采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。
微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。
内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。
图串行通信另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。
并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。
串行通信一般可分为异步模式和同步模式。
-随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，而使计算机总线技术种类繁多，各具特色。
下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。
一、内部总线1．I2C总线I2C（Inter-IC）总线10多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。
2．SPI总线串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同。
自考《计算机系统结构》第9章精讲
第九章并⾏处理技术 本章讲述的重点内容就是阵列处理机和多处理机，对阵列机的基本结构、主要特点、以及阵列机的互连络和并⾏存储器的⽆冲突访问等内容要加强理解。
本章应掌握的概念有：阵列处理机、络拓扑结构、单级⽴⽅体络、多级⽴⽅体等。
⼀、并⾏处理技术（识记）： 并⾏性主要是指同时性或并发性，并⾏处理是指对⼀种相对于串⾏处理的处理⽅式，它着重开发计算过程中存在的并发事件。
并⾏性通常划分为作业级、任务级、例⾏程序或⼦程序级、循环和迭代级以及语句和指令级。
作业级的层次⾼，并⾏处理粒度粗。
粗粒度开并⾏性开发主要采⽤MIMD⽅式，⽽细粒度并⾏性开发则主要采⽤SIMD⽅式。
开发计算机并⾏性的⽅法主要有：资源重复、时间重叠和资源共享三种⽅法。
⼆、SIMD并⾏计算机（阵列处理机） 阵列机也称并⾏处理机。
它将⼤量重复设置的处理单元按⼀定⽅式互连成阵列，在单⼀控制部件CU（Contrul Unit）控制下对各⾃所分配的不同数据并⾏执⾏同⼀指令规定的操作，是操作并⾏的SIMD计算机。
它采⽤资源重复的措施开发并⾏性。
是以SIMD（单指令流多数据流）⽅式⼯作的。
1、阵列机的基本结构（识记） 阵列机通常由⼀个控制器CU、N个处理器单元PE（Processing Element）、M个存储模块以及⼀个互连络部件（IN）组成。
根据其中存储器模块的分布⽅式，阵列机可分为两种基本结构：分布式存储器的阵列机和共享存储器的阵列机（理解⼆者不同之处）。
阵列机的主要特点： 它采⽤资源重复的⽅法引⼊空间因素，这与利⽤时间重叠的流⽔线处理机是不⼀样的。
它是利⽤并⾏性中的同时性⽽不是并发性，所有的处理单元必须同时进⾏相同操作（资源重复同时性）（我们想象⼀下亚运会的开幕式⼤型团体操表演，每个⼈就是⼀个PE，他们听从⼀个总指挥的指令，同时进⾏⾃⼰的操作，很快地就能"计算"出⼀个结果（队形）来。
） 它是以某类算法为背景的专⽤计算机，基本上是专⽤于向量处理的计算机（某类算法专⽤机）。
高速图像串行总线传输
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中职教育-《89C51单片机实用教程》课件：第9章 89C51单片机串行输入输出(1).ppt
2. 异步通信 通信双方无统一的时钟控制,代码或一字节数据。 异步传送数据帧的格式：由四个部分组成：
起始位(0)+数据位5-8位+奇偶校验位( 可省略) +停止位(1)
9.1.3 波特率（Baud rate）
波特率是串行数据的传送速率, 表示每秒传送二进制 代码的位数，单位是bps（位/秒）又称波特。
采用 MAX232的 89C51与PC机的串行通信接口电路 （MAXIM公司的MAX232芯片，是RS-232C和TTL电
平转换电路。它包含两路接收器和驱动器。）
2. RS-449、RS-422A，RS-423A和RS-485串行标准
为提高通信的数据传输率,增加距离,改善电气性能, 美国电子工业协会E IA制定了新的异步串行通信标准.
RS-449标准采用了平衡信号差分电路传输高速的信 号，传输距离和速率得到提高。噪声低，抗干扰能力 强，而且可以多台设备与RS-449通信电缆并联。
RS-422A标准是 “平衡电压数字接口电路的电气特 性”标准,使用一对双绞线传送信号. 每个通道要用二 相信号线, RS-422A传输信号距离长、速度快，数据传 输率最大为 10 Mb/s, 在此速率下,电缆允许长度为 120 m;如采用较低速率,如 90000 b/s时,最大距离达 1200m.RS-422标准中规定电路中只允许有一个发送器， 可有多个接收器。因此，通常采用点对点通信方式.
9.1.2 异步通信与同步通信
1. 同步通信 在同步通信中，将数据组成连续的数据块（帧）。 数据以块 (帧) 为单位。传送开始用同步字符指示,
由时钟实现同步。连续按顺序传送数据, 直到结束。 数据帧格式：
同步字符 (1-2个)、数据字符 、校验字符(1-2个)。 同步通信方式传送速度和效率高, 但硬件电路复杂。
高速串行总线设计基础__概述及解释说明
高速串行总线设计基础概述及解释说明1. 引言1.1 概述在当前信息技术飞速发展的背景下，高速串行总线作为一种重要的数据传输方式，在各个领域都得到了广泛的应用。
它已经取代了传统的并行总线，并带来了更快、更稳定的数据传输速度。
本文将对高速串行总线的设计基础进行详细阐述，包括其概念、优势以及应用领域。
1.2 文章结构为了使读者能够系统地了解高速串行总线的设计基础，本文将分为五个主要部分来讲解相关内容。
首先，在引言部分将介绍本文的概述和结构，然后进入正文部分。
第二部分将详细讨论什么是高速串行总线以及它所具备的优势。
接着，第三部分将深入探讨高速串行总线的工作原理，包括数据传输模式、时钟和同步机制以及数据编码和解码方法等内容。
第四部分将对目前较为常见的几种高速串行总线协议标准进行比较与分析，主要涉及PCI Express（PCIe）协议标准、USB协议标准和Thunderbolt协议标准。
最后，第五部分将讨论高速串行总线设计中的关键要点与挑战，包括时钟和信号完整性管理、噪声抑制与电磁兼容（EMC）设计技术以及延迟和功耗优化方法等。
1.3 目的本文的主要目的是为读者提供高速串行总线设计的基础知识，以便更好地理解其原理和应用。
通过对高速串行总线概念、工作原理和协议标准的讲解，读者可以更加全面地了解这一领域。
同时，本文也旨在帮助读者认识到高速串行总线设计中可能遇到的关键问题和挑战，并为其提供相应的解决方法和技巧。
希望通过阅读本文，读者能够深入研究和探索高速串行总线设计，并能够在实际应用中取得更好的效果。
2. 高速串行总线设计基础：2.1 什么是高速串行总线：高速串行总线是一种数据传输技术，用于在计算机系统中连接各种设备和组件。
与传统的并行总线相比，高速串行总线使用较少的物理引脚，并通过将数据位逐位地传输来提供更高的传输速度。
它可以有效地支持更快的数据传输率，并能同时处理多个信号。
2.2 高速串行总线的优势：高速串行总线具有以下优势：- 传输速度快：由于采用逐位传输方式，高速串行总线能够实现更快的数据传输速度。
高速串行简史（一）：信号、接口、协议及总线
⾼速串⾏简史（⼀）：信号、接⼝、协议及总线在这个系列开篇的时候⼤家提到了希望了解⼀下，其实基本的概念⼤家应该都知道⼀点，但真正要把它写出来，我觉得⼜不是很好下笔，这也是为什么隔了这么久才推出这篇⽂章，我们也是为了对⼤家负责的态度，不能误导了各位忠实的读者，有什么说得不对或者没有说得很清楚的希望⼤家⼀起来探讨。
突然有个问题，我们通常说的PCIE,既可以是PCIE信号，也可以是PCIE接⼝、PCIE总线，还可以是PCIE协议。
之所以难写，其实中间就是涉及到了太多的概念和认知的差异，因为串⾏和并⾏的概念太⼴了。
只要百度⼀下串⾏和并⾏，就会出来很多类似“串⾏通信与并⾏通信”、“串⾏接⼝与并⾏接⼝”、“串⾏总线与并⾏总线”、“串⾏协议与并⾏协议”以及“串⾏传输与并⾏传输”等概念介绍，⽽我们现在要说的串⾏信号应该包括了上⾯所有的这些概念，既有传输（通信）⽅式，⼜有接⼝类型，同时还有数据本⾝的协议特点，信号、协议、总线和接⼝，有时候看起来是⼀样的，但细细思量却还是有差别的，总之不是⼀两句话就能说清楚的（如PCIE信号、PCIE协议、PCIE接⼝以及PCIE总线之间的相互⽠葛就是剪不断理还乱啊）。
举个简单的例⼦，PCI总线说的是⼀组传输通道，⽽PCI接⼝是⼀种连接标准，两者之间的关系就是PCI接⼝的设备都要通过PCI总线来进⾏通信，⽽PCI总线上⾛的设备并不全是PCI接⼝的，像集成声卡，⾛的就是PCI总线。
在这⾥PCI总线提供了⼀种通道，这个通道上可以有不同的符合这种通道要求的接⼝设备或信号（PCI信号或Audio信号）。
打个更进⼀步的⽐⽅：两者关系就像马车（接⼝设备）和马路（总线）⼀样，马车必须在马路上⾛，⽽马路上不⼀定⾛马车（⽜车等）。
如下图所⽰。
车（接⼝、信号）有车（接⼝、信号）的标准（协议），如马车、汽车、⽕车、货车、⾃⾏车等（PCIE、SATA、SAS、USB等信号标准）；路（通道、总线）有路的标准，如马路、⼈⾏道、⾼速公路等（PCIE、SATA、SAS、USB等通道标准），所以协议⾥⾯⼜包含通道（总线）协议和信号（接⼝）协议。
计算机接口与通信第9章 USB 通用串行总线
9．2
USB总线的体系结构 USB总线的体系结构
9.2.1 USB总线的物理接口 USB总线的物理接口 USB总线的物理传输介质由一根４线的电 USB总线的物理传输介质由一根４线的电 缆组成，如图9 所示。其中两条（VBus、 缆组成，如图9-1所示。其中两条（VBus、 GND）用于提供设备工作所需电源。VBus GND）用于提供设备工作所需电源。VBus 在源端的标称电压值为+5V，GND为其对 在源端的标称电压值为+5V，GND为其对 应地线。另两条（V＋、V－）为绞线形式 应地线。另两条（V＋、V 的信号传输线，90 的信号传输线，90 的阻抗。
9.2.3
USB的信号和编码 USB的信号和编码
USB数据收发器包含了发送数据所需的差 USB数据收发器包含了发送数据所需的差 模输出驱动器和接收数据用的差模输入接 收器。 USB输出信号时，差模输出驱动器向USB USB输出信号时，差模输出驱动器向USB 电缆传送USB信号。 电缆传送USB信号。 在信号的低输出状态，驱动器稳态输出值 必须小于0.3V，且要承担1.5K 必须小于0.3V，且要承担1.5K 的负载加到 3.6V电源的灌电流。 3.6V电源的灌电流。 在信号的高输出状态，驱动器稳态输出值 必须大于2.8V，且要承担15K 必须大于2.8V，且要承担15K 的负载到地 的拉电流。
带USB接口的PC（百万） USB接口的PC（百万）
800 700 600 500 400 300 200 100 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004
带USB接口的外设（百万） USB接口的外设（百万）
600 500 400 300 200 100 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004
第9章 高速串行总线
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。
接PC或上一级集线器 1 号 上行端口 7 号 6 号 5 号 2 号 3 号 4 号 7个下行端口
第9章 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9章 高速串行总线
9.3.2 数据格式
• 1．包的组成
扩展RAM C P U USB主机 控制器 USB 接口 应用软件 设备功能 扩展ROM 其他外设 接口 根集线器 扩展模块 客户端驱动 程序 非0端点
USB接口 供电模块
USB连线 USBD 0端点 软件
功能 模块1 USB 设备 功能 模块n USB SIE模块 USB 收发器 USB 接口
HC驱动程序
根层
USB设备1
USB集线器1 1层
USB设备2
USB集线器2 2层
USB集线器3
USB集线器4 3层
USB设备3
USB设备4
USB设备5
4层
复合设备
第9章 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。
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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
9.3 PC机的USB应用及开发
RAM 扩展 ROM 扩展 CPU
USB 主机 控制器
根集线器 扩展模块
应用软件
设备功能
USB 接口
其他外设 接口
客户端驱动 程序
非0端点
USB 接口 供电模块
USB 连线 USBD 0端点 软件
• 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。
9.2.4 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．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） PID （8位）
7位设备地址 4位端点 11位序列帧号
CRC5 （5位）
EOP （2～3位）
（2）数据包 • USB 1.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具有供电功能：标准的USB HUB可以直接 向连接在接口上的USB设备提供5V、 500mA电流电源。USB设备携带方便。 ④可以连接多个设备：一个主USB控制器可以 连接多个USB设备，最高可以通过级联扩展 连接至127个设备) 。 ⑤速度快：USB1.1标准的传输速率为12Mbps， 而USB2.0标准传输速率480Mbps。 完全向 下兼容。 新的USB3.0标准传输速率5Gbps。
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。
9.2.2 数据格式 • 1．包的组成
同步字段 包标识字段 （SYNC） （PID） 数据 字段 校验字段 （CRC） 包结尾字段 （EOP）
9.5 .1 IEEE1394的主要特点如下： ①数字接口。 ②支持热插拔和即插即用。 ③速度快。IEEE1394标准定义了三种传输速 率：98.304 Mbps，196.608 Mbps， 392.216 Mbps。因为这三种速率分别在 100 Mbps，200 Mbps，400 Mbps附近， 所以标准中亦称之为S100，S200，S400。 这个速度完全可以用来传输未经压缩的动 态画面信号。而IEEE 1394.b标准正在研讨 支持800 Mbps和1600 Mbps的传输速率。
• USB只有主机才能担当主控端。USB主机一 般具有以下功能： ①检测USB设备的插拔动作（通过根集线器来 实现）； ②管理USB主机与USB设备之间的控制流； ③管理USB主机与USB设备之间的数据流； ④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。
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。
9.1 高速串行接口USB简介 9.1.1．USB接口的特点 • USB (Universal Serial Bus，通用串行总线) 接口，是1995年11月由Compaq IBM 等大 公司联合推出的。目前已是个人计算机上的 主要接口。它具有以下特点： ①可以热插拔 ：通电的情况下可以直接连接 USB设备或卸载USB设备，做到即插即用。 ②标准统一 ：USB接口采用标准的4针插头座， 它们分别是VBus（电源端）、D+（数据 ＋）、D-(数据-)、GND(地）。插头座分A系 列和B系列。
USB 集线器 3
USB 集线器 4 3层
USB 设备 3
USB 设备 4
USB 设备 5
4层
复合设备
• USB框架中包含的硬件有： ①USB主机、 ②USB集线器 ③USB设备 • USB框架中包含的软件有： ① USB主机控制器驱动程序 ② USB驱动程序 ③ USB设备驱动程序。
1．USB主机
设备测试 USB 主机 USB 设备
USB设备开发流程
9.4 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。
9.5高速串行接口IEEE1394简介 1394卡的全称是IEEE1394 Interface Card （IEEE1394 High Performance Serial Bus Standard），它是IEEE标准化组织 1994年制定的一项具有视频数据传输速度的 串行接口标准。IEEE1394接口最初由苹果 公司开发，据说早期是为了取代并不普及的 SCSI接口而设计的，英文取名为FireWare， 也即后来中文大家称其为火线。
1 号 2 号 3 号
4 号 5 号
上行端口 接pc或上一级集线器
7 6 号 号
7 个下行端口
8口USB集线器
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 ; USB 2.0）
USB设备
•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
同步字段： 用于数据包位同步 包标识符（PID、Packet Identifier）字段： 令牌包（Token Packet） 数据包（Data Packet） 握手包（Handshake Packet） 特殊包（Special Packet，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 。
功能 模块1 USB 设备 功能 模块n
HC驱动程序
USB SID模块
USB 收发器
USB 接口
主机硬件
USB接口 硬件
USB SIE 注： ：USB 串行接口引擎
（A）硬件结构
（B）软件结构
PC机中的USB应用
设备需求分析
驱动程序需求
设备硬件需求
设备软软硬件集成
9.2 USB通信协议 9.2.1 通信模型
主机 物理设备
客户软件
USB应用
USB系统软件
USB逻辑设备
USB主机控制器
USB总线接口
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。信号层传输的位 信息流称为包（Packet） • 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。 协议层传输的包信息流称为事务处理 （Transaction） • 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。数据传输层传输的信息流称为传输 （Transfer）。
④接口设备对等（peer－to－peer）。不分 主从设备，都是主导者和服务者。其中有 足够的智能用于连接，不需附加控制功能。 不通过计算机而在两台摄像机之间可以直 接传输数据，也可以让多台计算机共享一 台摄像机。 USB分主从设备。从设备只能接受主设备的 控制，所以两台从设备是无法通信的。 ⑤物理体积小，制造成本低，易于安装。 ⑥非专利性。使用IEEE 1394串行总线不存 在专利问题。
同步字段
（8位）
PID
（8位）
数据 （0～1023字节）
CRC16
（16位）
EOP （2～3位）
（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 （2～3位）
（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。