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远程USB光纤传输系统的研究与设计.pdf

远程USB光纤传输系统的研究与设计.pdf

上传者: 用户1997007114 2013-12-07 评分1 评论0 下载0 收藏10 阅读量675 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《远程USB光纤传输系统的研究与设计pdf》,可适用于硬件技术领域,主题内容包含远程USB光纤传输系统的研究与设计摘要通用串行总线(USB)是一种新兴的计算机外围通信接口标准随着计算机技术和数字技术的迅猛发展以及USB、USBO符等。

远程 USB 光纤传输系统的研究与设计 摘 要 通用串行总线(USB)是一种新兴的计算机外围通信接口标准,随 着计算机技术和数字技术的迅猛发展,以及 USB 2.0、USB OTG 的推出, USB 技术的应用日益广泛。USB 具有灵活、方便、应用范围广、通信稳 定、成本低廉等优点,已成为当前计算机必备的接口。但是其单段电缆 几米、多级串联几十米的传输距离,始终是限制其应用范围进一步拓展 的巨大障碍。因此,远程 USB 传输系统的开发具有重要意义。 本文提出了一种利用光纤实现 USB 信号远距离透明传输的方案。它 支持 USB 全速传输,在本地的主机一侧和远端的设备一侧分别添加一个 光收发端机,中间通过一对单模光纤进行连接。本文对系统的硬件电路 和 FPGA 内核编程作了详细介绍,给出了各部分的电路原理图、Verilog 核心代码和调试结果,对系统调试和运行中出现的问题进行了分析,给 出了解决问题和排除故障的方案。文末还对高速远程 USB 传输系统的设 计提出了建议,并提出了后续工作的目标。 关键词:通用串行总线(USB),光纤传输,远程传输,现场可编程门阵 列(FPGA),Verilog 硬件描述语言(Verilog HDL),光收发端机 图片目录 图 1 USB 总线拓扑 5 图 2 USB 电缆 5 图 3 典型的高速/全速 USB 电缆结构 6 图 4 插锁型连接器协议 7 图 5 低速设备的电缆和电阻连接 8 图 6 全速和高速设备的电缆和电阻连接 8 图 7 NRZI 数据编码 10 图 8 USB 分层体系结构 13 图 9 USB 包的结构 14 图 10 SYNC 字段的结构 15 图 11 PID 字段的格式 15 图 12 令牌包的结构 18 图 13 SOF 包实例 19 图 14 SETUP 包实例 19 图 15 IN 包实例 20 图 16 OUT 包实例 20 图 17 DATA 包的结构 21 图 18 DATA0、DATA1 包实例 22 图 19 握手包的结构 22 图 20 ACK 包实例 22 图 21 NAK 包实例 23 图 22 STALL 包实例 23 图 23 远程 USB 光纤传输系统总体结构 28 图 24 光收发端机的结构 29 图 25 MAX3453E 功能框图 31 图 26 MAX3453E 周边电路 33 图 27 MAX3453E 周边电路设计原理图 33 图 28 PT7311-21-1 外观实图及引脚示意图 34 图 29 PT7311-21-1 驱动电路 35 图 30 PT7311-21-1 驱动电路设计原理图 35 图 31 串行配置器件周边电路 38 图 32 供电电路设计原理图 38 图 33 顶层 PCB 视图 39 图 34 系统外观实图 40 图 35 光端机对不同包的处理 42 图 36 SETUP 进程数据流图 43 图 37 IN 进程数据流图 44 图 38 OUT 进程数据流图 45 图 39 FPGA 内核结构框图 46 图 40 系统运行波形图(1) 54 图 41 系统运行波形图(2) 55 图 42 系统运行波形图(3) 55 Fig. 1 USB Bus Topology ....................................................................................................5 Fig. 2 USB Cable.................................................................................................................5 Fig. 3 Typical High-/full-speed Cable Construction ...........................................................6 Fig. 4 Keyed Connector Protocol.........................................................................................7 Fig. 5 Low-speed Device Cable and Resistor Connections .................................................8 Fig. 6 High-/full-speed Device Cable and Resistor Connections ........................................8 Fig. 7 NRZI Data Encoding...............................................................................................10 Fig. 8 USB Implementation Areas and Host/Device Detailed View..................................13 Fig. 9 USB Packet Structure..............................................................................................14 Fig. 10 SYNC Pattern..........................................................................................................15 Fig. 11 PID Format..............................................................................................................15 Fig. 12 Token Format ..........................................................................................................18 Fig. 13 SOF Patterns ...........................................................................................................19 Fig. 14 Setup Token Pattern................................................................................................19 Fig. 15 In Token Pattern .....................................................................................................20 Fig. 16 Out Token Pattern ...................................................................................................20 Fig. 17 Data Packet Format.................................................................................................21 Fig. 18 A Sample with Data0 and Data1 Packets................................................................22 Fig. 19 Handshake Packet Format ......................................................................................22 Fig. 20 ACK Handshake Pattern.........................................................................................22 Fig. 21 NAK Handshake Pattern.........................................................................................23 Fig. 22 STALL Handshake Pattern .....................................................................................23 Fig. 23 System Structural Overview ....................................................................................28 Fig. 24 Functional Diagram of the Optical Transceiver ......................................................29 Fig. 25 Functional Diagram of MAX3453E ........................................................................31 Fig. 26 Typical Operating Circuits for MAX3453E ............................................................33 Fig. 27 Circuit Scheme for MAX3453E ..............................................................................33 Fig. 28 Form and Pins of PT7311-21-1.............................................................................34 Fig. 29 Typical Operating Circuits for PT7311-21-1 ........................................................35 Fig. 30 Circuit Scheme for PT7311-21-1 ..........................................................................35 Fig. 31 Operating Circuits for Serial Configuration Device.................................................38 Fig. 32 Circuit Scheme for Power Supply Module...............................................................38 Fig. 33 PCB Top-Layer Overview........................................................................................39 Fig. 34 System Operating Overview ....................................................................................40 Fig. 35 Dispositions of Different Types of Packets..............................................................42 Fig. 36 Packet Flow Chart for Setup Procedure ..................................................................43 Fig. 37 Packet Flow Chart for In Procedure ........................................................................44 Fig. 38 Packet Flow Chart for Out Procedure......................................................................45 Fig. 39 FPGA Kernel Block Diagram..................................................................................46 Fig. 40 Waveform Captured During System Running (1) ....................................................54 Fig. 41 Waveform Captured During System Running (2) ....................................................55 Fig. 42 Waveform Captured During System Running (3) ....................................................55 表格目录 表 1 全速数据传输中的总线状态(部分) 9 表 2 PID 类型(部分) 16 表 3 向 USB 发送数据时的真值表 32 表 4 从 USB 接收数据时的真值表 32 术语缩写 ACK 表示肯定应答的握手包 AWG 由美国线规标准定义的电线截面积测量方法 b/s 比特/秒,表示传输速率 B/s 字节/秒,表示传输速率 CRC 循环冗余校验 EOF 帧结尾 EOP 包结尾 LSb 最低位 LSB 最低字节 Mb/s 兆位/秒,表示传输速率 MB/s 兆字节/秒,表示传输速率 MSb 最高位 MSB 最高字节 NAK 表示否定应答的握手包 NRZI 非归零反转编码 OTG On-The-Go PID 包标识符,USB 包中的一个字段,用于指出包的类型 PLL 锁相环 SIE 串行接口引擎 SOF 帧起始 SOP 包起始 USB 通用串行总线 UTMI USB 收发模块接口 – 1 – 1 绪论 1.1 问题的提出 USB 是一种新兴的计算机外围通信接口标准,近十年来,伴随着计算机和数字 技术的迅猛发展,得到了越来越广泛的应用。USB 具有热插拔、即插即用、数据传 输可靠、高带宽、扩展方便、成本低廉等优点,已成为当前计算机必备的接口,并 广泛地应用于各种数码产品、计算机外设等,大有取代传统串口、并口的趋势。 USB 2.0 的推出使 USB 总线的传输速率达到 480 Mb/s,使 USB 技术得以应用到 高保真图像视频传输、大容量数据采集等场合,使 PC 机与这些日益尖端的外设之 间有了高性能的连接方式。USB OTG(On-The-Go)使设备与设备之间也可以进行 USB 通信,利用这一技术,我们可以将打印机和数码相机直接连接,省去了在 PC 机上交换数据的过程,进一步扩展了 USB 的使用范围。 但是,USB 也存在不可逾越的限制——传输距离。USB 将单段 USB 电缆的长度 限制在几米,对通过集线器多级串联的层数限制在 7 层,于是 USB 最远的传输距离 也不过几十米。协议中对传输延时作出了严格规定,排除了进一步延长传输距离的 可能。 实际上,进一步延长传输距离的要求是存在的。如果有了长距离的 USB 传输系 统,就可以方便、经济地建立起远程控制系统、远程探测系统等实用平台。例如, 利用 USB 摄像头、USB 麦克风建设小区楼宇电子门禁系统,就是一种非常经济实用 的方案。在上海交大光纤技术研究所与水下工程研究所联合设计开发的“海洋拖体 光纤波分复用传输通信系统”项目中,远程 USB 光纤传输系统的运用,大大降低了 整个系统的开发成本和设计难度。但国内目前并没有实现 USB 远程传输的现成产 品,因此,USB 光纤传输系统的自主研发是十分迫切的。 – 2 – 1.2 设计目标与作者的主要工作 光纤传输是一种成熟、高效的远程传输技术。将光纤技术与 USB 技术相结合, 使 USB 的传输距离达到 10 km 以上,就是本设计的目标。 作者在详细阅读、分析、理解 USB 协议的基础上,提出了实现远距离 USB 全 速传输的原理方案,完成了 FPGA 软件编程及仿真,设计了系统的硬件电路,完成 了电路调试工作,并对高速传输的设计方案进行了初步的讨论。 1.3 论文内容结构 第 1 章,介绍本论文的背景; 第 2 章,介绍 USB 结构体系、电气规范、信号特性,并介绍 4 种传输类型; 第 3 章,分析与本设计直接相关的 USB 协议,介绍包及事务处理的相关概念; 第 4 章,介绍本设计的系统结构及硬件电路设计方案; 第 5 章,介绍 FPGA 内核模块的设计方案; 第 6 章,介绍系统调试结果及调试、运行过程中所遇到的问题; 第 7 章,简要讨论高速 USB 远程传输系统的设计; 第 8 章,小结并对下一步工作作出展望。 – 3 – 2 USB结构体系和电气规范 2.1 主机和设备 USB 是一种电缆总线,它支持主计算机与许多可同时访问的设备之间进行数据 交换。连接在主机上的多个设备之间共享 USB 带宽,主机通过基于令牌的 USB 协 议进行调度。总线允许主机对某个设备进行连接、配置、使用,允许设备拔出,与 此同时,并不影响连接在主机上的其他设备的正常工作。一个完整的 USB 系统必须 包括一个惟一的主机和至少一个设备。 2.1.1 USB主机 任何 USB 系统都只有一个主机。主计算机系统上提供 USB 接口,称为主机控 制器(Host Controller)。主机控制器可以是硬件、固件或软件的组合。在主机系统上, 集成有一个根集线器,可提供一个或多个连接点。 USB 主机和 USB 设备通过主机控制器相互作用。主机担负如下职责: (1)检测 USB 设备的插入和拔出; (2)管理主机与 USB 设备之间的控制流; (3)管理主机与 USB 设备之间的数据流; (4)收集状态和行为的统计信息; (5)为连接至主机的 USB 设备供电。 主机上的 USB 系统软件负责管理其与 USB 设备及基于主机的设备软件之间的 相互作用。这一相互作用包括五个方面: (1)设备枚举和配置; (2)同步数据传输; (3)异步数据传输; 本文第 2、3 章的大部分内容都引用自参考文献[1]、[2],并根据叙述需要重新进行组织编排。 – 4 – (4)电源管理; (5)设备和总线管理信息。 2.1.2 USB设备 USB 设备包括两种: (1)集线器,用于为 USB 提供额外的连接点。 每个集线器将单个连接点转换成多个连接点。连接点又称为端口。在主计算机 系统上,集成有一个根集线器。多个集线器可逐级串联。集线器的每个下行口可以 连接到另一个集线器或功能设备。集线器可以检测下行口的连接和拔出,而且能向 下行设备分配电源。 (2)功能设备,用于增加系统的功能。 我们常用的闪存盘、USB 鼠标、摄像头就属于功能设备。并且它们都是一个独 立的外设,通过电缆插入集线器的某个端口。实际上,可以将多个设备和一个嵌入 的集线器封装在一起,通过一条 USB 电缆与上级集线器相连接。这被称为复合设备。 每个功能设备都包含描述其性能和所要求资源的配置信息。在使用功能设备之 前,必须通过主机对它进行配置。配置的过程包括分配 USB 带宽和选择专用的功能 设备配置选项。 作为标准的 USB 接口,USB 设备应符合以下要求: (1)符合 USB 协议; (2)响应标准 USB 操作,如配置和复位; (3)具有标准的功能描述信息。 2.2 总线拓扑 USB 物理互连是一个分层的星形拓扑结构。集线器在每个星形的中心。每段线 路或者是主机(根集线器)与集线器或功能设备之间,或者是集线器与另一集线器 或功能设备之间的点对点连接。USB 总线拓扑示意图见图 1。 USB 协议严格规定了集线器和电缆的传播时间,从主机(根集线器)到最后一 级功能设备,最多支持 7 层的级联。从主机到任何设备之间的通信通路,最多支持 5 个非根集线器。一个复合设备将占用 2 层,因此不能将它连接在第 7 层。第 7 层 只能连接功能设备。 – 5 – 图 1 USB 总线拓扑 Fig. 1 USB Bus Topology 2.3 USB电缆 USB 利用一条 4 线的电缆传输信号和电源,如图 2 所示。 图 2 USB 电缆 Fig. 2 USB Cable – 6 – 4 条芯线包括一对双绞 的信号线: D+(绿色),D-(白色)。一对信号线 上传输差分信号,具体参数可参见 2.6 节。 另外一对芯线是电源线,非双绞:VBUS(红色),GND(电源地,黑色)。电源 线可向设备供电。VBUS 在源极的标称值是+5V。 标准的 USB 电缆应包括如下封装结构:上述电源线对及数据线对,并用铝聚酯 膜进行内部屏蔽;一条镀锡铜排扰线;用镀锡铜导线编织的外部屏蔽网;PVC 外 套。如图 3 所示。 图 3 典型的高速/全速 USB 电缆结构 Fig. 3 Typical High-/full-speed Cable Construction 单段 USB 电缆上,允许的最大延时是 26 ns,因此单段电缆的最大长度不得超 过 7.8 m。考虑到信号衰减的因素,一般单段 USB 电缆的长度不得超过 5 m。 用于低速传输的电缆数据线可以不双绞。关于传输速度的介绍,可参见 2.5 节。 用于低速传输的电缆可以不施加外部屏蔽。 – 7 – 2.4 插锁型连接器协议 为了减少使用中的问题,USB 对连接器做出了规定,即“插锁型连接器”协议。 这一协议将 USB 连接器分为插头和插座,并分为 A 系列和 B 系列,通过物理外观 上的差异保证了 USB 的正确连接。B 系列连接器还允许厂商提供的可拆卸电缆,方 便用户根据需要进行电缆的替换。 A 系列连接器 B 系列连接器 A 系列插头通常面向连接主机系统的上行端口 A 插头(来自 USB 设备) A 插座(来自 USB 主机 或集线器的下行输出) B 系列插头通常面向连接 USB 设备的下行端口 B 插头(来自主 机系统) B 插座(上行输入到 USB 设备或集线器) 图 4 插锁型连接器协议 Fig. 4 Keyed Connector Protocol 各种连接器在使用时遵从如下规则: (1)A 系列插头只能与 A 系列插座互相配对; (2)B 系列插头只能与 B 系列插座互相配对; (3)A 系列插座作为主机系统或集线器的输出; (4)A 系列插头来自 USB 设备,连接到主机系统或集线器的下行端口; (5)B 系列插座作为集线器或设备的输入; (6)B 系列插头连接到集线器或者设备。 – 8 – 2.5 传输速率 USB 总线提供了 3 种不同的数据传输速率: (1)低速数据传输:1.5 Mb/s; (2)全速数据传输:12Mb/s; (3)高速数据传输:480Mb/s。 USB 1.1 协议仅支持低速和高速数据传输,而 USB 2.0 协议同时支持上述三种数 据传输速率。需要注意的是,USB 协议仅支持上述三种数据传输速率,没有其他的 “中间速率”。 三种数据传输速率对信号电平,包的同步(SYNC)字段、包结尾(EOP)字段 的规定互有不同。 图 5 低速设备的电缆和电阻连接 Fig. 5 Low-speed Device Cable and Resistor Connections 图 6 全速和高速设备的电缆和电阻连接 Fig. 6 High-/full-speed Device Cable and Resistor Connections 关于 USB 包,以及同步字段、包结尾字段等 USB 包结构的详细介绍,可参见 3.1 节。 – 9 – USB 设备在其上游端口处的不同位置装有一个 1.5 kΩ的上拉电阻,用于区分不 同的数据传输速率。低速设备的上拉电阻在 D-线上,而全速和高速设备的上拉电 阻在 D+线上,如图 5、图 6 所示。 高速设备和低速设备通过端口状态寄存器的速度指示位进行区别。高速设备最 初是作为全速设备进行连接的。 本文主要对全速数据传输的情况进行研究,与低速和高速数据传输相关内容的 将略去介绍。读者可参考有关资料。 2.6 信号特性 2.6.1 信号线状态 表 1 列出了全速数据传输中主要的总线状态,其他状态可参考有关资料。 表 1 全速数据传输中的总线状态(部分) 信号电平 总线状态 发送端的信源连接器处 最终接收端连接器处 空闲状态 / D+>2.7 V 且 D-<0.8 V 数据 J 状态 D+>2.8 V 且 D-<0.3 V (D+)-(D-)>200 mV 数据 K 状态 D->2.8 V 且 D+<0.3 V (D-)-(D+)>200 mV 单端 0(SE0)状态 D+和 D-<0.3 V D+和 D-<0.8 V J 和 K 数据状态是两个逻辑电平,用于在系统中传输差分数据。实际上,接收 器的空闲状态在逻辑上相当于 J 状态。 2.6.2 数据信号编码 USB 在发送包时使用 NRZI(None-Return to Zero Inverted,反向不归零)数据编 码方式。在 NRZI 编码中,数据 1 表示为电平不变,而数据 0 表示为电平改变,即 “逢 1 保持,逢 0 反转”。图 7 是一个 USB 包的波形图,其中“SYNC”和“数据信 息”域即为 NRZI 数据编码。由图可见,连续的一串 0 反映为电平在每个位时间都 发生跳变,连续的一串 1 反映为电平在长时间内没有发生变化。 – 10 – 图 7 NRZI 数据编码 Fig. 7 NRZI Data Encoding 2.6.3 位填充 在信号线上的电平长时间保持不变的情况下,接受端的同步和判决容易出现错 误。为了防止这种情况的发生,发送设备在 USB 上发送包时,采用了位填充技术。 在数据进行 NRZI 编码前,数据流内每 6 个连续的 1 之后,都会插入一个 0,迫使在 NRZI 编码后出现一个跳变。这样,接收器逻辑在每 7 个位时间内至少有一个数据跳 变,保证数据与时钟锁定。位填充在包的整个数据流中强迫进行,不管发生在包的 哪个位置。 接收器在译码 NRZI 数据时,必须识别填充位,并将其丢弃。 2.6.4 信号传输顺序 USB 数据传输的顺序如下:一个字节中的各个位,最先发送到总线上的是最低 位(LSb),接着是次低位,最后发送最高位(MSb)。对于多个字节的数据字段,也 是按照由最低字节(LSB)到最高字节(MSB)的顺序发送。 2.7 传输类型 为了实现 USB 的通用性,满足多种不同类型的设备的数据通信要求,USB 协议 高速 EOP(包结尾)是通过故意产生位填充错误的方法来标示出的。在高速信号传输中,接收器 将任何位填充错误都看作是 EOP。 – 11 – 提供了 4 种数据传输方式,即批量传输(Bulk Transfer)、控制传输(Control Transfer)、 中断传输(Interrupt Transfer)和同步传输(Isochronous Transfer)。 2.7.1 批量传输 批量传输用于传输大块数据,并且数据的传输不要求有周期性,也不要求保证 一定的数据传输速率。实际上,在 USB 数据传输中,有的传输方式要求在一定的周 期内保证数据的传输速率,如音频数据传输等,USB 协议称之为周期性传输方式 (Periodic Transfer);而有的传输方式不需要一定的周期传输速率,如文件传输等, 称为非周期性传输方式(Non-Periodic Transfer)。批量传输就是一种非周期性传输方 式。批量传输可以占用总线的任何空闲带宽来传输数据,但如果总线带宽被某个或 某几个周期性传输方式占据时,批量传输可以等待。另外,它采用数据检错和数据 重传等方法保证数据正确到达目的地,是一种可靠的数据传输方式。USB 低速信号 传输不支持批量传输方式。以批量传输方式进行数据传输的功能设备有打印机、扫 描仪、硬盘、光驱等。 2.7.2 控制传输 控制传输是 USB 协议中惟一传输 USB 命令函数的传输类型,命令函数是由 USB 主机发起的,旨在完成对系统中的 USB 设备进行系统配置、状态查询和管理等操作。 命令的整个完成过程都是以控制传输的方式实现的,因此所有的 USB 设备都必须支 持控制传输,而且控制传输也必须是一种可靠的数据传输。同批量传输方式一样, 控制传输也是一种非周期性的数据传输方式,不要求一定的总线传输速率,但根据 它的作用特点,控制传输比批量传输要求更优先占用总线带宽。另外,为了更方便 地完成命令,USB 设备的控制传输的管道是双向的,其他的传输方式的管道则是单 向的。 2.7.3 中断传输 在传统的 PC 机中,键盘的鼠标等方式将它们的变化传递给主机,这些设备称 为中断驱动的设备,每一种中断驱动的设备占用一个中断向量,一般来说,操作系 统为一些常用的设备设定默认的中断向量,而且有可能会在系统运行过程中出现一 些设备没有中断向量可用的情况。在 USB 系统中,USB 主机端的系统软件不必为每 一个设备分配中断向量,而是通过中断传输的方式接收 USB 功能设备的事件信息。 USB 主机给用于中断传输的设备分配一定的总线带宽,周期性地通过中断传输接收 – 12 – 此设备的信息,达到了与中断方式同样的目的。由于中断传输方式传递的数据量不 大,低速设备和全速设备都支持中断传输,这也是低速设备传输数据的惟一方式。 中断传输也是一种可靠的数据传输方式。 2.7.4 同步传输 为了满足音频、以太网卡等设备对实时数据传输的要求,并能接受一定范围内 的数据出错率,USB 协议提供了同步传输方式。同步传输主要用于与时间紧密相关 的信息传输,时间的信息存在于同步传输的包结构中。它能够保证设备与 USB 主机 之间恒定的数据传输速率,确保发送方与接收方的速率能够匹配,是一种周期性数 据传输方式。为了节省总线带宽,提高数据的传输速率,保持收发两端的同步,同 步传输方式省去了数据重传、出错检验等方法,是一种不可靠的数据传输方式。 2.7.5 关于 USB数据传输类型的说明 实际上,2.7 节关于 USB 数据传输类型的介绍并不属于本章标题“USB 结构体 系和电气规范”所涵盖的内容。但由于本节所涉及的概念在本文所介绍的系统的设 计中得到具体的应用,因此在第 2 章末尾进行简要介绍。 为了说明本节内容和第 2、3 章其他部分的关系,在这里简要介绍一下 USB 的 分层体系结构。USB 分层体系结构如图 8 所示,整个体系共分三层,自底向上依次 是:USB 总线接口层,USB 设备层和功能层。USB 有 4 个重要的应用领域——USB 物理设备、客户软件、USB 系统软件和 USB 主机控制器,其中 USB 物理设备又分 为 USB 总线接口、USB 逻辑设备和功能设备三层。USB 主机控制器与物理设备上的 USB 总线接口通过 USB 电缆进行通信,它们位于 USB 总线接口层。USB 系统软件 和 USB 逻辑设备上的端点通过管道进行逻辑通信,它们位于 USB 设备层。客户软 件和功能设备上的接口通过管道束进行通信,它们位于功能层。 四种 USB 传输类型的概念应用于 USB 分层体系的中间一层——USB 设备层。 而第 2、3 章其他部分,包括对物理接口、信号特性、USB 包、事务处理等相关概 念的介绍,都是 USB 协议针对底层——USB 总线接口层的规定。 传输类型是端点的一种属性。它并不能从对 USB 波形电平的分析上直接看出, 而是在设备连入 USB 系统不久的配置阶段,由主机向设备发出获取端点描述符的请 求后,在设备在其对主机的响应中包含的。 – 13 – 图 8 USB 分层体系结构 Fig. 8 USB Implementation Areas and Host/Device Detailed View – 14 – 3 USB协议分析 3.1 USB传输的基本单元——包 包(Packet)是 USB 总线上信息传输的基本单元,所有数据都是经过打包后进 行传输的。 3.1.1 包的组成——字段 每个 USB 包都由不同的字段(Field)按一定次序连接组成。 一个完整的 USB 包包括 5 个字段:同步(SYNC)字段,包标识符(PID)字段, 数据字段,循环冗余校验(CRC)字段,包结尾(EOP)。如图 9 所示。一个最简 单的包必须包括 SYNC、PID、EOP 三个字段;数据字段和 CRC 字段只存在于一部 分令牌包和 DATA 包中,而在握手包 中不出现。 8 bit 8 bit 0 ~ 1023 byte 5 bit / 16 bit 2 ~ 3 位时间 同步字段 SYNC 包标识符字段 PID 数据字段 循环冗余校验字段 CRC 包结尾 EOP 图 9 USB 包的结构 Fig. 9 USB Packet Structure 1. 同步(SYNC)字段 任何类型的 USB 包都必须以同步字段作为起始。同步字段用于数据包的位同 步,由 8 个数据位组成,其信息状态为 KJKJKJKK,编码为 00000001,以产生最大 边缘转换密度的编码序列,如图 10 所示。字段里的最后两个位是同步字段结束的记 高速数据传输中,各字段长度与图中所示有所不同,本文不再详述,请读者参阅有关资料。

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