FPGA和USB3.0通信-USB3.0協(xié)議簡介

完成后，也是《Xilinx  7系列FPGA入門級圖像處理-完整版V1》初級和中級章節(jié)的開始。圖像處理部分也將由攝像頭前端算法(主ISP)和后端算法組成。最后，應(yīng)形成初級工業(yè)UVC攝像機和IPC。平臺還沒選好(不知道有沒有贊助，哈哈)，算法基本驗證完畢。

USB3.0簡介

總線、接口和協(xié)議

首先，這里有幾個概念，應(yīng)該是大家都通用的：

USB3.0協(xié)議

USB3.0接口

USB3.0總線

是不是很蠢？

其實了解了這些概念，就可以針對USB的具體協(xié)議，不需要看整個復(fù)雜冗長的協(xié)議來選擇自己的立場。

總線是一組傳輸通道，是由各種邏輯器件組成的傳輸數(shù)據(jù)的通道，一般由數(shù)據(jù)線、地址線、控制線等組成。接口是一種連接標(biāo)準(zhǔn)，通常稱為物理接口。協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則。

一般來說，USB可以是USB信號、USB接口、USB總線或USB協(xié)議。它如此復(fù)雜的主要原因是每個人對概念的理解不同。舉個簡單的例子，USB總線指的是一組傳輸通道，而USB接口是一個連接標(biāo)準(zhǔn)。兩者的關(guān)系是所有帶USB接口的設(shè)備都要通過USB總線進行通信，而USB總線上的設(shè)備并不都是USB接口。比如集成的USB聲卡是USB總線，不是USB接口。這里，USB總線提供了一個通道，在這個通道上可以有不同的接口設(shè)備或信號(USB信號或Audio信號)滿足這個通道的要求。

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USB板載聲卡

對于USB聲卡，安裝外置聲卡時使用USB接口，板載聲卡始終使用沒有USB接口的USB總線(物理層可以滿足要求)。

所以總結(jié)一下：

即協(xié)議的整體框架，定義了接口設(shè)備、器件、信號、總線、通道之間要滿足的關(guān)系，即要實現(xiàn)信號的傳輸，所有這些成員必須協(xié)同工作，滿足協(xié)議所要求的各種必要條件。

對于USB，下圖可以說明三者之間的關(guān)系：

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通過以上分析，后面將簡要介紹USB3.0中規(guī)定的幾個重要方面。

USB3.0的分層機制

大家都知道PCIe有三層結(jié)構(gòu)(事務(wù)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層)和TCP/IP五層結(jié)構(gòu)(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層)。為什么復(fù)雜的協(xié)議有層次結(jié)構(gòu)？

這個起源主要來自于OSI五層參考模型(比如七層OSI參考模型)

即使是簡單的RS232也遵循上面的層次結(jié)構(gòu)，但是RS232只指定了物理層，所以現(xiàn)實中很少有人使用層次結(jié)構(gòu)進行分析。

USB3.0的分層機制實際上類似于PCIe(協(xié)議層、鏈路層和物理層)。從某種意義上說，USB3.0可以看作是PCIe的變種。下圖是分層通信結(jié)構(gòu)：

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這種分層結(jié)構(gòu)便于標(biāo)準(zhǔn)化和擴展，因此現(xiàn)在大多數(shù)協(xié)議都遵循OSI參考模型。希望大家能理解這個模型(推薦文章中有很多生動的解釋)。

以上部分解釋包含個人理解。為了通俗易懂，有些表達不太準(zhǔn)確。希望大家留言交流。這是對官方文件的簡單解釋。

USB3.0和USB2.0的功能比較

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硬件接口

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物理層

突出顯示部分：

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該層主要定義高速組件之間互操作所需的電氣層參數(shù)。

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Tx物理層框圖

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物理層Rx框圖

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不帶電纜(頂部)和帶電纜(底部)的通道示意圖

USB3.0使用8b/10b傳輸代碼。該傳輸代碼的定義與ANSI  X3.230-1994(也稱為ANSI  INCITS  230-1994)第11條中規(guī)定的定義相同。

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加擾功能由線性反饋移位寄存器(LFSR)實現(xiàn)。在發(fā)送端，在8b/10b編碼之前對字符進行加擾。在接收端，對8b/10b解碼字符進行解擾。每當(dāng)發(fā)送或接收通信符號時，LFSR都會復(fù)位。

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這些是物理層的一般規(guī)定。詳見《USB3.0協(xié)議規(guī)范(英文完整版)（第六節(jié)）》。

鏈路層鏈路層

突出顯示部分：

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鏈路層鏈路層主要包括：

分組幀

鏈接命令

鏈路管理和流量控制

鏈接錯誤規(guī)則/恢復(fù)

重置

鏈接狀態(tài)機描述

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帶有幀符號、CRC-16和鏈路控制字的數(shù)據(jù)包報頭

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鏈接控制字

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指令結(jié)構(gòu)

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命令字結(jié)構(gòu)

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鏈路訓(xùn)練和狀態(tài)機的狀態(tài)圖

協(xié)議層

突出顯示部分：

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協(xié)議層主要包括：

數(shù)據(jù)包類型

數(shù)據(jù)包格式

對主機和設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包的預(yù)期響應(yīng)

描述了四種USB  3.0事務(wù)類型。

批量傳輸類型的流支持

設(shè)備/主機可以接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)包的各種響應(yīng)和定時參數(shù)。

整個協(xié)議層非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)包的類型幾乎有十幾種，這里就不贅述了。