FPGA和USB3.0通信-USB3.0協(xié)議簡介

今天開始將會通過4~5篇文章介紹FPGA和USB3.0通信的相關(guān)知識，這其實是《FPGA和外圍接口（繼續(xù)更新）基于FPGA的網(wǎng)口通信設(shè)計》后續(xù)。PCIe也在籌備中。

完成后也是《Xilinx 7系列FPGA入門級圖像處理-完整版V1》初、中級篇的開始，圖像處理部分也會通過攝像頭前端算法（主要ISP）和后端算法組成，最后應(yīng)該會形成一個初級工業(yè)UVC攝像頭和IPC，平臺還沒選定（不知道有沒有贊助，哈哈），算法基本驗證完畢。

USB3.0介紹

總線、接口和協(xié)議

這里首先提幾個概念，大家應(yīng)該常見到：

USB3.0協(xié)議

USB3.0接口

USB3.0總線

是不是很懵逼？

其實理解了這幾個概念，對于USB的具體協(xié)議就可以有得放矢，不需要看整個復雜又冗長的協(xié)議，針對自己的崗位去選擇。

總線是一組傳輸通道，是各種邏輯器件構(gòu)成的傳輸數(shù)據(jù)的通道，一般由由數(shù)據(jù)線、地址線、控制線等構(gòu)成。接口是一種連接標準，又常常被稱之為物理接口。協(xié)議就是傳輸數(shù)據(jù)的規(guī)則。

我們通常說的USB，既可以是USB信號，也可以是USB接口、USB總線，還可以是USB協(xié)議。之所以這么復雜，主要原因就是每個人對概念認知的差異。舉個簡單的例子，USB總線說的是一組傳輸通道，而USB接口是一種連接標準，兩者之間的關(guān)系就是USB接口的設(shè)備都要通過USB總線來進行通信，而USB總線上走的設(shè)備并不全是USB接口的，像集成USB聲卡，走的就是USB總線，但是沒有走USB接口。在這里USB總線提供了一種通道，這個通道上可以有不同的符合這種通道要求的接口設(shè)備或信號（USB信號或Audio信號）。

USB板載聲卡

對于USB聲卡，外置聲卡時走的就是USB接口，板載聲卡時時走的USB總線而不包含USB接口（物理層滿足要求即可）。

所以總結(jié)一下：

協(xié)議即總體框架，定義接口設(shè)備、器件及信號、總線及通道之間需要滿足的關(guān)系，即要實現(xiàn)信號的傳輸，所有這些組成成員必須通力合作，各自滿足協(xié)議要求的各種必要條件。

對于USB，下圖可以說明這三者關(guān)系：

通過上面的分析，后面會在簡單介紹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具有三層結(jié)構(gòu)（事務(wù)層（Transaction Layer），數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）和物理層（Physical Layer）），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、應(yīng)用層），為什么復雜協(xié)議都具有分層結(jié)構(gòu)呢？

這個由來主要來源于OSI五層參考模型（例說七層OSI參考模型）。

即使簡單的RS232也是遵守上面的分層結(jié)構(gòu)，只不過RS232只規(guī)定了物理層，所以現(xiàn)實中很少有人用分層結(jié)構(gòu)進行分析。

USB3.0的分層機制其實和PCIe類似（協(xié)議層（Protocol Layer），鏈路層（Link Layer）和物理層（Physical Layer）），從某種意義上看，可以把USB3.0看做是PCIe變形版本。下圖是分層的通訊結(jié)構(gòu)：

這種分層結(jié)構(gòu)即方便標準化，又方便擴展，所以現(xiàn)今大部分協(xié)議都遵循OSI參考模型，希望大家可以理解一下這個模型（推薦的文章中有很多形象的解釋）。

以上部分解釋包含了個人理解，為了通俗易懂，有些表述不是很準確，希望大家留言交流，下面就很俗套的簡單講解官方的文檔了。

USB3.0 與USB2.0的特性比較

硬件接口

物理層

高亮顯示部分：

本層主要定義了高速組件之間互操作性所需的電氣層參數(shù)。

物理層Tx框圖

物理層Rx框圖

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。

加擾功能使用線性反饋移位寄存器（LFSR）實現(xiàn)。在發(fā)送端，加擾應(yīng)用于8b/10b編碼之前的字符。在接收端，對8b/10b解碼后的字符應(yīng)用解擾。無論何時發(fā)送或接收COM符號，LFSR都會重置。

以上就是物理層大致的規(guī)定，詳情請見《USB3.0協(xié)議規(guī)范(英文完整版)（第六節(jié)）》。

Link Layer鏈路層

高亮顯示部分：

Link Layer鏈路層主要包括：

?數(shù)據(jù)包幀

?鏈路命令

?鏈路管理和流量控制

?鏈路錯誤規(guī)則/恢復

?重置

?鏈路狀態(tài)機描述

具有幀符號、CRC-16和鏈路控制字的分組報頭

鏈接控制字

鏈接命令結(jié)構(gòu)

鏈接命令字結(jié)構(gòu)

鏈路訓練和狀態(tài)機的狀態(tài)圖

協(xié)議層

高亮顯示部分：

協(xié)議層主要包括：

?數(shù)據(jù)包類型

?數(shù)據(jù)包的格式

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

?描述了四種USB 3.0事務(wù)類型

?支持批量傳輸類型的流式傳輸支持

?設(shè)備/主機可能接收/發(fā)送的各種響應(yīng)和數(shù)據(jù)包的定時參數(shù)

整個協(xié)議層非常復雜，數(shù)據(jù)包就差不多十幾種類型，所以這里就不過多介紹了。

編輯：jq