USB总线信号分析系统的设计与实现

2010-11-25卢宇清

制造业自动化 2010年15期

关键词：驱动程序数据包时钟

卢宇清，张巍

LU Yu-qing1,2, ZHANG Wei2

（1.河南师范大学物理与信息工程学院，新乡 453007；2.河南农业职业学院，郑州 451450）

1 研究背景和意义

Universal Serial Bus（USB）是连接外部设备和主机的一种标准接口。随着微软在操作系统中内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB接口逐步走进了实用阶段。

USB是一种灵活的接口技术，可替代计算机中串行口或并行口，支持许多新型的接口。USB的超强性能意味着要比它所替代的老式串行接口和并行接口都复杂。实现USB接口是一个极大的挑战。不管是USB主机一侧的开发，还是USB设备一侧的开发，从技术角度来讲，都有相当的难度。

2 USB总线信号分析系统的组成及功能分析

USB总线信号分析系统其整体功能的实现是一个软硬件协同工作的过程。USB总线信号分析系统由六部分组成：用户USB总线信号采集电路、CPLD硬件与Verilog程序、FIFO存储器、MCU硬件与固件程序、设备驱动程序和信号分析软件。前四部分装配在一块线路板上，构成系统的硬件；后两部分安装在分析主机上，为系统的高层软件。为使系统正常工作，必须把各种设备正确连接起来，还要安装设备驱动程序和信号分析软件。

2.1 用户USB总线信号获取

USB电缆两端各有一个连接器，中间不允许分叉。连接到用户USB总线上需要使用两个USB连接器，通过板上的布线直接相连。一个通过一条电缆连接到用户USB主机，另一个连接器通过另外一条电缆连接到用户设备。在线路板上放置一个USB收发器，与两个USB连接器相连。在信号传输的时候，就能同时接收USB总线上的信号。

2.2 CPLD编码

CPLD是一种用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。CPLD是整个系统中非常关键的一个部件，它直接决定系统实现的成功与失败。因此，必须认真分析需求，周密设计代码，合理仿真功能，力求最大限度地有效利用CPLD的功能。

2.2.1 CPLD功能

在USB总线信号分析系统中，为了准确地接收USB的数据流，CPLD中设置了去噪声模块，既使接收的数据中混入了噪声，接收器也能正常工作。要正确获得数据，首先要正确恢复时钟。低速USB的发送时钟为1.5MHz，全速USB的发送时钟为12MHz，CPLD也必须生成相应的接收时钟信号，为此，CPLD中设置了一个相位跟踪电路（DPLL）。

2.2.2 相位跟踪电路

DPLL（Digit Phase Lock Loop）是一种使输出信号相位与输入信号相位保持一致的电路，也就是相位跟踪电路。在UPA11中，DPLL根据用户USB总线的速率产生1.5MHz或12MHz数据接收时钟，该电路监视输入信号的变化，一旦发现信号出现了边沿，立即调整接收时钟的相位，确保与发送时钟同步，同时保证了读取数据的准确性。

2.2.3 有限状态机（FSM）

FSM（Finite State Machine）称为有限状态机，是CPLD/FPGA中最常用的部件之一。通常，用FSM实现各种各样的状态转换图。FSM有四个状态，即初始状态、SE0状态、空闲状态和接收状态，用来表示用户USB总线的活动。这四个状态覆盖了所有用户USB总线状态和用户USB总线事件，低速和全速也都支持。

用户USB总线有四种基本状态：SE0状态、空闲状态、J状态和K状态。空闲状态与J状态的差别仅在于驱动器是否驱动，它们对应的DP、DM和RCV都是相同的。为此，把空闲状态与EOP中的J状态合二为一，统称为空闲状态。

用户USB总线传输数据包时，涉及到的状态只有两个，即J状态和K状态。把这两个状态合并为接收状态，为“正在接收用户USB总线上的数据包”之意。接收状态也包括远程唤醒信号，只不过接收到的将是以FE打头，后跟若干个FF的数据包。

用户USB总线的事件有设备插入、设备拔出、设备复位、设备挂起、设备恢复等，对应FSM的一种或几种状态。

综上所述，用户USB总线状态和事件都可以归纳到FSM状态机的一种或几种状态。

根据USB 1.1规范，USB总线的速率是由D+或D-的上拉电阻决定的。识别速率的最准确的位置应该是从SE0状态转换到空闲状态的时刻。如果空闲状态时DP=1，则用户USB总线是全速。否则，如果DM=1，则用户USB总线是低速。

2.2.4 MCU数据包装配

CPLD输入信号是DP，DM和RCV，输出的则是MCU数据包。MCU数据包是对USB数据包的再次封装，其一般格式为：

STX USB数据包 ETX

STX是MCU数据包的开始，其值为0F；ETX是MCU数据包的结束，其值为04。为了避免USB数据包中的STX、ETX被误认为MCU数据包的开始结束，特别增加了“字节插入”。 “字节插入”符为Byte_Stuff，其值为05 。当USB数据包中出现了STX，ETX或Byte_Stuff时，在其前面都要插入一个Byte_Stuff。例如：

USB数据包为：80 C3 03 04 05 06

对应的MCU数据包为：0F 80 C3 03 05 04 05 05 06 04

2.2.5 数据输出

数据输出包括输出队列的管理、输出总线和写入信号管理两部分。输出队列的管理包括取数据和指针移动。

在USB数据包结束处，如果最后一个数据正好是STX、ETX或Byte_Stuff之一，则输出顺序应该是Byte_Stuff、数据、ETX。这三个字节在同一时钟周期出现，但输出一个字节要用两个时钟周期，并且输出时一次只能输出一个字节。这时，把同时出现的数据按照既定的Byte_Stuff、数据、ETX的顺序把标志位存放在输出队列中等待输出。

2.3 MCU固件

MCU（Micro Controller Unit），简称单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机。

MCU主要功能有：MCU初始化；中断服务程序；USB标准请求服务程序；读取FIFO数据；向分析主机转发数据。MCU的主要作用是把CPLD生成的数据转发给分析主机。

MCU固件分中断服务程序和主程序，这两部分程序交叉执行，中断可能在主程序的任何地方发生并开始执行中断服务程序。中断服务程序基本上是线性执行的，主程序除了初始化部分以外则是无穷循环执行。

2.4 分析软件的实现

USB总线信号分析系统必须配合适当的分析软件才能发挥作用。分析软件安装在计算机上，由应用程序、动态连接库、设备驱动程序三部分组成，它们相互协调，完成数据控制、传输、分析等工作。

2.4.1 驱动程序

马戴的思乡情结与隐逸情怀也是联系在一起的，他在诗中每次提到回到家乡就是要去过隐居生活，如其《客行》云：

所有USB设备必须有匹配的设备驱动程序才能正常工作，UPA11的设备驱动程序来自Microchip公司的通用USB驱动程序，当前最新版本是Microchip MCHPFSUSB v2.1，可从该公司网站免费下载。

2.4.2 应用程序对UPA11硬件的访问

应用程序对硬件的访问包括开始捕捉、停止捕捉和读取数据。

控制捕捉是通过向OUT1管道发送一个控制位来实现的，如果向OUT1端点发送的第一个字节的最高位为1，就会打开硬件捕捉功能；否则关闭捕捉。捕捉的数据是通过IN1端点传输到应用软件的。一旦开始捕捉，应用软件必须始终读取UPA11的数据，否则可能丢失数据。

2.4.3 快速读取UPA11的数据

一旦启动捕捉，在短时间内，CPLD可能输出大量数据。为了防止数据丢失，唯一的办法就是使用缓存。当FIFO缓存中存有数据以后，MCU必须尽快取出，并存储到IN1端口的数据区，一旦MCU收到主机发来的IN数据包，可以立即发送出去。为了减少时间延迟，MCU内部设置了14个IN1端口的数据区，作为数据缓冲。

对于从FIFO取来的数据，MCU只是简单地放入某一个IN1数据区，当一个数据区放满，则转到下一数据区，除非所有数据区都存满了数据。

2.4.4 USB数据包分离、检测、过滤

从硬件得到的是连续的数据流，首先必须从这些数据流中分离出一个一个的USB数据包，然后才能对它们进行分析和显示。CPLD在发送USB数据包时采用了编码，在应用程序中，必须对这种编码后的数据进行解码，还原出原来的USB数据包。

当一个USB数据包被分离出来后，首先必须进行错误检测，找出其中可能存在的各种错误，包括同步错、PID错、CRC5错、CRC16错等。分析出错误的类型以后，用户可以查找错误的原因。

过滤是UPA11的重要功能，通过使用过滤器，可以仅显示那些感兴趣的数据包，而那些SOF、NAK之类的数据包可以被屏蔽。

2.4.5 USB数据包分析

USB包（Packet）是最小的传输单位，其中的数据不容易被人们理解，但显示这些数据却是必需的。如果把一个USB事务的所有包集中为独立的一项，并根据令牌包恰当命名，便很容易让人们在更高的层次上理解其作用。一个USB传输或USB请求可能有1～n个USB事务组成。如果能在USB传输或USB请求的级别上进行归纳分析，并以树状层次显示出来，将有很大的价值。

为实现这些功能，必须跟踪USB主机和USB设备的所有数据包，确定每一个数据包所处的位置，并根据上下文总结出符合逻辑的功能描述。当收到一个USB数据包以后，应用程序需要做以下处理：根据状态机的当前状态和输入的包，决定下一状态；根据当前状态和下一状态，在显示树的不同层次上建立相应的显示节点；如果条件满足，为更高的层归纳出一个概括性的功能。为此，应用软件内部设置了一个USB数据包状态机，该状态机始终描述USB主机与设备之间数据传输的状态，它支持USB的四种传输类型。