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无线电电子与电气工程百科全书 USB 和 FireWire 总线。 无线电电子电气工程百科全书
USB（Universal Serial Bus - 通用串行总线）是 PC 架构的行业标准扩展，专注于与电话和消费电子设备的集成。 1.0 版于 1996 年 XNUMX 月发布。 USB 架构由以下标准定义：
从最终用户的角度来看，USB 的以下功能很有吸引力：
自 1996 年中期以来，PC 已配备由芯片组实现的内置 USB 控制器。 预计将出现调制解调器、键盘、扫描仪、扬声器和其他支持USB的输入/输出设备，以及带有USB适配器的显示器；它们将扮演连接其他设备的集线器的角色。 1.1。 USB结构 USB 允许同时进行数据交换 主机 和许多 外围设备（PU）。 PU之间总线带宽的分配由主机规划并通过发送令牌来实现。 总线允许您在主机和设备本身运行时连接、配置、使用和断开设备。 以下是作者对 Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC 和 Northern Telecom 出版的“通用串行总线规范。修订版 IO15 年 1996 月 XNUMX 日”中的术语的翻译。 更详细和最新的信息可以在 usb.org 上找到。 设备 USB 可以是集线器、功能或两者的组合。 中心 （集线器）为总线上的设备提供额外的连接点。 功能 USB 为系统提供附加功能，如 ISDN 连接、数字操纵杆、数字接口扬声器等。USB 设备必须具有完全支持 USB 协议、执行标准操作（配置和重置）并提供描述信息的 USB 接口。设备。 许多连接到 USB 的设备都具有集线器和功能。 整个USB系统的操作由 主机控制器（Host Controller）， 是主机的软件和硬件子系统。 物理连接 设备是根据多层的拓扑结构进行的 星星。 每颗星的中心是 中心， 每个电缆段将两个集线器点连接到另一个集线器或功能。 系统有一个（而且只有一个） 主机控制器， 位于设备和集线器金字塔的顶部。 主机控制器集成 根集线器（Root Hub）， 提供一个或多个连接点 端口。 芯片组中包含的 USB 控制器通常具有内置的两端口集线器。 从逻辑上讲，连接到任何 USB 集线器并进行配置（见下文）的设备可以被视为直接连接到主机控制器。 功能 是能够通过总线发送或接收数据或控制信息的设备。 通常，这些功能是单独的 PU，并通过电缆连接到集线器端口。 从物理上讲，在一种情况下，可以有多个功能通过内置集线器提供到一个端口的连接。 这些组合主机设备是具有永久连接的功能设备的集线器。 每个功能提供描述PU的能力和资源需求的配置信息。 该功能必须由主机配置后才能使用，必须为其分配通道带宽并选择配置选项。 函数的例子有： 指针鼠标、平板电脑、光笔。 输入设备键盘或扫描仪。 输出设备打印机、扬声器（数字）。 ISDN 电话适配器 中心 USB 架构中 RnP 系统的关键元素。 集线器是电缆集线器。 连接点称为 港口 中心。 每个集线器将一个连接点转变为多个连接点。 该架构允许连接多个集线器。 每个集线器都有一个 上游端口}, 设计用于连接到顶级主机或集线器。 其余端口是 下游（下游端口）， 设计用于连接较低级别的功能或集线器。 集线器可以识别设备与端口的连接或断开，并管理其网段的电源。 每个端口都可以启用或禁用，并配置为完整或有限的波特率。 集线器将低速段与高速段隔离。 集线器可以控制下游端口的供电； 用于设置每个端口消耗的电流限制。
USB系统 分为三个层次，并具有一定的交互规则。 USB设备包含接口部分、设备部分和功能部分。 主机也分为接口、系统和设备软件三部分。 每个部分只负责一定范围的任务，它们之间逻辑和真实的交互如图7.1所示。 XNUMX. 正在考虑的结构包括以下要素： USB物理设备 总线上执行最终用户感兴趣的功能的设备。 客户端软件 在主机上运行的设备特定软件。 可能是操作系统的组成部分或特殊产品。 USB 系统软件 USB 系统支持独立于特定设备和客户端软件。 USB主机控制器 用于将 USB 设备连接到主机的硬件和软件。 物理接口 USB 标准定义了总线的电气和机械规范。 信息信号和 5 V 电源电压通过四线电缆传输。 采用差分方法通过两条线传输 D+ 和 D 信号。 静态发射器信号电平应低于 0,3V（低）或高于 2,8V（高）。 接收器可承受 0,5...+3,8 V 范围内的输入电压。发送器必须能够切换到高阻抗状态，以便通过单对电线进行双向半双工传输。 USB中的两线传输并不限于差分信号。 除了差分接收器之外，每个设备还有D+和D-线接收器，并且这些线的发送器是单独控制的。 这使得区分用于组织硬件接口的两个以上线路状态成为可能。 状态 差速器 и 差异1 由 D + 和 D 线上超过 200 mV 的电位差决定，前提是其中一根电位高于 VSE 阈值。 输入 D+ 和 D 均为低电平的情况称为 线性零（SEO 单端零）。 该接口定义了以下状态： 数据状态 и 数据状态 传输位的状态（或者简单地 J и 至）， 通过状态定义 差速器 и 差异 1。 空闲状态 巴士暂停。 摘要状态 唤醒信号将设备从睡眠模式唤醒。 数据包开始 (SOP) 数据包的开始（从 K 中的空闲状态。 数据包结束 (EOP) 包的末尾。 Disconnect 设备与端口断开连接。 分享链接 设备已连接到端口。 重设 设备复位。 状态由差分信号和线性信号的组合确定； 适用于全速和低速条件 差速器 и 差异1 有相反的目的。 状态解码 断开连接，连接 и 重设 考虑了某些状态下线路所花费的时间（超过 2,5 毫秒）。 总线有两种传输模式。 全速 USB 信号传输率为 12 Mbps， 低 1,5 兆比特/秒。 对于全速，使用阻抗为 90 欧姆、段长最长为 5 m 的屏蔽双绞线，对于低速-非屏蔽非屏蔽电缆，最长为 3 m。低速电缆和设备比高速电缆和设备便宜。 同一系统可以同时使用两种模式； 设备的切换是透明进行的。 低速适用于处理少量不需要高速的 PU。 连接到特定端口的设备使用的速度由集线器通过 D+ 和 D- 线上的信号电平确定，并由收发器的终端电阻器 R2 偏置（见图 7.2 和 7.3）。 使用该方法将同步信号与数据一起编码 NRZI（不归零反转）， 他的作品如图所示。 7.4. 每个数据包前面都有一个同步字段 同步， 允许接收器调谐到发射器频率。 该电缆还具有 VBus 和 GND 线，为设备提供 5V 电源。 根据线段的长度选择导体的横截面，以确保保证信号电平和电源电压。
该标准定义 两种类型的连接器 （见表7.1和图7.5）。
“A”型连接器 用于连接集线器 （上游连接器）。 插头安装在未与设备（例如键盘、鼠标等）断开连接的电缆上。 Nest安装在下游端口 （下游端口） 集线器。 “B”型连接器（下游连接器） 安装在可拆卸连接电缆的设备（打印机和扫描仪）上。 配合部分（插头）安装在连接电缆上，其另一端有一个“A”型插头。 “A”型和“B”型连接器在机械上有所不同（图 7.5），这消除了集线器端口的无效环路连接。 四针连接器采用键控设计，可防止误连接。 与电源电路相比，连接器的设计提供了信号电路的晚期连接和早期断开。 为了识别 USB 连接器，在设备外壳上放置了标准符号名称。
设备电源 可以使用USB 来自电缆（总线供电设备） 或从您自己的电源 （自供电设备）。 主机为与其直接相连的PU提供电源。 每个集线器依次为连接到其下游端口的设备提供电力。 由于某些拓扑限制，允许使用总线供电的集线器。 上图。 图 7.6 显示了 USB 设备连接图的示例。 这里，键盘、笔和鼠标可以由总线供电。
数据传输模型 每个USB设备都是独立的集合 端点（Endpoint），s 主机控制器与之交换信息。 端点由以下参数描述： 所需的公交车通行频率和允许的服务延误； 所需的信道带宽； 点数； 错误处理要求； 发送和接收数据包的最大大小； 交换类型； 交换方向（用于连续和等时交换）。 每个设备都必须有一个编号为 0 的端点，用于初始化、一般控制和轮询其状态。 当设备上电并连接到总线时，始终配置该点。 它支持“控制”传输（见下文）。 除了零点之外，功能设备还可以具有实现有用数据交换的附加点。 低速设备最多可有两个附加点，全速设备最多可有 16 个输入点和 16 个输出点（协议限制）。 点在配置之前无法使用（已建立与其匹配的通道）。 通道{管道) USB是指主机控制器和端点之间的数据传输模型 （终点） 设备。 有两种类型的通道：流 （溪流） 和消息 （信息）。 流动 将数据从通道的一端传送到另一端，它始终是单向的。 相同的端点号可用于两个输入和输出流通道。 线程可以实现以下交换类型：连续、等时和中断。 交付始终按照先进先出 (FIFO) 顺序； 从USB的角度来看，流数据是非结构化的。 我的消息 具有 USB 规范定义的格式。 主机向端点发送请求，然后发送（接收）消息数据包，然后发送包含端点状态信息的数据包。 在处理前一条消息之前，通常无法发送下一条消息，但在处理错误时，可以重置未处理的消息。 双向消息传递发送至同一端点。 仅使用控制类型交换来传递消息。 通道具有与端点相关的特征（带宽、服务类型、缓冲区大小等）。 通道是在配置 USB 设备时建立的。 每个启用的设备都有一个消息通道 （控制管 0）， 通过它传输配置、控制和状态信息。 数据传输类型 USB支持单向和双向通信模式。 数据传输发生在主机软件和设备端点之间。 一个设备可以有多个端点，并且与每个端点（通道）的通信是独立建立的。 USB 架构允许四种基本类型的数据传输： 控制转移， 用于连接期间和控制设备操作期间的配置。 该协议提供有保证的数据传输。 控制消息的数据字段长度全速不超过64字节，低速不超过8字节。 批量数据传输 相对较大的包裹，没有严格的交货时间要求。 传输占用总线的整个可用带宽。 数据包的数据字段为 8、16、32 或 64 字节。 这些传输具有最低优先级，如果总线负载过重，可能会被挂起。 仅允许在全波特率下使用。 中断 短传输（全速时最多 64 字节，低速时最多 8 字节）传输，例如输入字符或坐标。 中断本质上是自发的，并且处理速度不得慢于设备所需的速度。 服务时限设置范围为全速1-255ms，低速10-255ms。 同步传输 连续实时传输占用总线带宽的预先协商部分并具有给定的传输延迟。 如果检测到错误，则传输同步数据而无需重试，无效数据包将被忽略。 一个例子是数字语音传输。 带宽由传输质量的要求决定，而传输延迟可能很关键，例如在实施电话会议时。 总线带宽在所有已安装的通道之间分配。 分配的带宽被分配给一个信道，如果新信道的建立需要的带宽不适合现有的分配，则信道分配的请求被拒绝。 USB 架构为所有设备提供内部缓冲，设备需要的带宽越大，其缓冲区就应该越大。 USB 提供的数据传输速度必须保证设备中因缓冲而导致的数据延迟不超过几毫秒。 等时传输根据数据源或接收者的端点与系统同步的方式进行分类：设备分为异步、同步和自适应类别，每种类别都有自己的 USB 通道类型。 协议 所有通过 USB 进行的交换（交易）都包含三个包。 每个 交易 由控制器调度和发起，发送 令牌包（Token Packet）。 它描述了传输类型和方向、USB 设备地址和端点号。 在每个事务中，只能在寻址设备（其端点）和主机之间进行交换。 令牌寻址的设备识别其地址并准备交换。 数据源（由令牌标识）传输数据包（或通知没有数据可传输）。 数据接收方成功接收到数据包后，发送 确认包（握手包）。 事务调度提供流通道管理。 在硬件层面，使用交易放弃 （纳克） 如果传输强度不可接受，它可以防止顶部和底部的缓冲区溢出。 当总线空闲时，被拒绝的交易的令牌将被重新传输。 流管理允许您灵活地安排同时异构数据流的服务。 容错 提供以下 USB 属性： 通过差分接收器/发送器和屏蔽电缆实现高信号质量。 使用 CRC 代码保护控制字段和数据。 系统级的设备连接和断开检测以及资源配置。 具有丢包超时功能的自我修复协议。 用于等时性和硬件缓冲区管理的流量控制。 功能独立于与其他功能不成功的交换。 为了检测传输错误，每个数据包都有 CRC 校验字段来检测所有单比特和双比特错误。 硬件检测到传输错误，控制器自动尝试传输 XNUMX 次。 如果重试不成功，则会向客户端软件传递一条错误消息。 封装格式 字节按顺序通过总线传输，最低有效位在前。 所有地块都被组织成包裹。 每个数据包都以同步字段开始，该字段由状态序列表示 KJKJKJKK （NRZI 编码）跟随状态 空闲。 最后两位 (质量控制) 是 SOP 数据包开始标记，用于标识数据包标识符的第一位 PID。 数据包 ID 是一个 4 位字段 PID[3:0], 识别数据包的类型（表 7.2），后面跟着与控制位相同的 4 位，但相反。
在标记袋中 输入，设置 и 输出 以下是 地址字段： 7位函数地址和4位端点地址。 它们允许寻址多达 127 个 USB 功能（地址零用于配置），每个功能有 16 个端点。 SOF数据包有一个11位 帧号字段（Frame Number Field）， 顺序（循环）增加下一帧。 数据字段 可以是 0 到 1023 整数字节。 该字段的大小取决于传输类型，并在建立信道时协商。 现场sks-cola 存在于所有令牌和数据包中，它保护数据包中的所有字段，除了 PID。 令牌（5 位）和数据（11 位）的 CRC 使用不同的公式计算。 每个事务均由主机控制器通过发送令牌来启动，并以握手数据包结束。 事务中的数据包顺序如图 7.7 所示。 XNUMX. 主机控制器根据其资源分配计划组织与设备的交换。 控制器周期性地（周期为1 ms）生成 帧（帧）， 其中包括所有预定的交易。 每个帧都以 SOF 令牌开始。 （帧开始） 这是所有设备（包括集线器）的时钟信号。 在每一帧的末尾，分配一个时间间隔 EOF（帧结束） 在此期间，集线器禁止向控制器传输。 每个帧都有自己的编号。 主机控制器在 32 位计数器上运行，但仅传输 SOF 令牌中的低 11 位。 帧编号在 EOF 期间递增（循环）。 主机安排帧的加载，以便它们始终有控制和中断事务的空间。 空闲帧时间可以用固体传输来填充 （批量转移）。
为 同步传输 设备和控制器的同步很重要。 有以下三种选择： 设备内部发生器与 SOF 标记的同步； 将帧速率调整为设备频率； 使设备的传输（接收）速率与帧速率相匹配。 当然，在只有一台设备的内部同步频率下，可以调整控制器的帧速率。 通过反馈机制进行调整，允许您在 ±1 位间隔内更改帧周期。 1.2. 系统配置 USB支持设备的动态连接和断开。 总线设备编号是一个持续的过程，用于跟踪物理拓扑的变化。 所有设备均通过集线器端口连接。 集线器检测设备与其端口的连接和断开，并根据控制器的请求报告端口的状态。 主机启用端口并通过控制通道对设备进行寻址 零 USB 默认地址。 在初始连接期间或复位后，所有设备都以这种方式寻址。 主机判断新连接的设备是集线器还是功能并分配 唯一地址 USB。 主机创建控制通道 （控制管）与 该设备使用分配的地址和目的地编号零。 如果新设备是集线器，则主机确定与其连接的设备，为它们分配地址，并设置 倾倒通道。 如果新设备是一个功能，则连接通知由 USB 管理器发送到感兴趣的软件。 当设备断开连接时，集线器会自动禁用相应的端口并向控制器报告断开连接，从而从所有数据结构中删除有关该设备的信息。 如果集线器脱机，则会对与其连接的所有设备执行删除过程。 如果某个功能被禁用，则会向相关软件发送通知。 设备编号， 连接到总线 （总线枚举）， 连接（或通电）时动态执行，无需任何用户或客户端软件干预。 编号程序如下： 1. 设备所连接的集线器通过响应状态轮询来通知主机其端口状态的变化。 此时设备进入状态 附 （已连接），以及它连接到状态的端口 禁用。 2. 主机检查端口状态。 3. 识别出新设备所连接的端口后，主机发出命令来重置并启用该端口。 4. 集线器为此端口生成一个 Reset 信号（10 ms），并将其置于状态 启用。 连接的设备可以从总线汲取高达 100 mA 的电流。 设备进入状态 技术支持 （上电），其所有寄存器均复位，并响应地址零。 5. 在设备收到唯一地址之前，该地址在看门狗通道上可用，主机控制器通过该通道确定数据包数据字段的最大允许大小。 6. 主机告诉设备它的唯一地址，并将其置于状态 解决 （地址）。 7. 主机读取设备配置，包括声明的总线电流消耗。 读取可能需要几帧。 8. 根据收到的信息，主机配置该设备的所有可用端点，并转入状态 配置 （已配置）。 现在，集线器允许设备消耗来自总线的配置中声明的全部电流。 设备已准备就绪。 当设备与总线断开连接时，集线器通知主机，并且端口被禁用，并且主机更新其当前的拓扑信息。 1.3. USB 设备功能和集线器 USB 总线功能允许您使用它连接各种设备。 在不触及 PU 的“有用”属性的情况下，让我们重点关注与 USB 总线相关的接口部分。 所有设备都必须支持下面列出的一组常见操作。 动态连接和断开。 这些事件由集线器监控，集线器将它们报告给主机控制器并重置连接的设备。 复位信号后的器件必须响应零地址，同时未配置且未挂起。 一旦分配了主机控制器负责的地址，设备就应该只响应其唯一的地址。 配置 主机执行的设备对于其使用是必需的。 对于配置，通常使用从设备本身读取的信息。 一个设备可以有多个接口，每个接口都有自己的端点，代表设备对主机的功能。 配置中的接口可能具有替代的特性集； 协议支持更改集。 为了支持自适应驱动程序，设备和接口描述符具有类、子类和协议字段。 数据传输 可以通过四种类型的传输之一（见上文）。 对于允许不同类型传输的端点，配置后只能使用其中一种。 能源管理 是 USB 高度发达的功能。 对于总线供电的设备，功率是有限的。 任何连接的设备从总线汲取的电流不得超过 100 mA。 配置中声明了工作电流（不超过 500 mA），如果集线器无法向设备提供声明的电流，则未配置，因此无法使用。 USB 设备必须支持 暂停（暂停模式）， 其中其电流消耗不超过500μA。 当总线活动停止时，设备应自动挂起。 机会 远程唤醒 允许挂起的设备向也可能处于挂起状态的主机发出信号。 设备配置中描述了远程唤醒功能。 该功能可能在配置期间被禁用。 中心 在USB中，它执行信号切换和供电，还监视与其连接的设备的状态，通知主机发生变化。 集线器由控制器两部分组成 （集线器控制器） 和中继器 （集线器中继器）。 中继器 是将输出端口连接到输入端口的托管密钥。 它具有支持重置和暂停信令的方法。 控制者 包含用于与主机交互的寄存器。 对寄存器的访问是通过访问集线器的特定命令来执行的。 这些命令允许您配置集线器、管理下游端口并监控其状态。 下游端口 集线器可以处于以下状态： 技术支持 (^(电源关闭) 端口未供电（仅适用于切换的集线器） 营养）。 输出缓冲器置于高阻抗状态，并且输入信号被忽略。 断线 （断开连接）端口不在任一方向发送信号，但能够检测到已连接的设备（无状态） SEO 2,5 µs 内）。 然后端口进入状态 残障人士 以及输入信号的电平 {差异 или 差异1 能够 闲置的） 它决定了所连接设备的速度。 s残疾人 （禁用）端口仅传输复位信号（根据控制器的命令），不接受来自端口的信号（断线检测除外）。 检测到跳闸后（2,5 µs 状态 搜索引擎优化） 端口进入状态 断开， 如果“睡眠”集线器检测到关闭，则会向控制器发送信号 恢复。 w 已启用 （启用）端口在两个方向传输信号。 根据控制器的命令或检测到帧错误，端口进入状态 残障人士 并在检测到该州旅行时 断开。 暂停 （挂起）端口发送信号进入停止状态（“睡眠”模式）。 如果集线器处于活动状态，则通过端口的信号不会向任何方向传递。 然而，“睡眠”集线器感知非禁止端口的状态变化信号，甚至通过“睡眠”集线器链从激活的设备发出“唤醒”信号。 每个端口的状态由集线器控制器使用单独的寄存器来识别。 有一个公共寄存器，其位反映了每个端口状态变化的事实（在 EOF）。 这使得主机控制器能够快速找出集线器的状态，如果特殊事务检测到变化，则更新状态。 1.4. 主机控制器 主机通过控制器与设备进行通信。 主持人有以下职责： 检测USB设备的连接和断开； 操纵设备和主机之间的控制流； 数据流管理； 收集统计数据； 通过连接的控制单元确保节能。 控制器系统软件管理设备与其在主机上运行的软件之间的交互，以协调： 设备编号和配置； 同步数据传输； 异步数据传输； 能源管理; 设备和总线管理信息。 在可能的情况下，USB 软件使用主机现有的系统软件（例如高级电源管理）进行电源管理。 2. IEEE 1394-火线 高性能串行总线标准于 1394 年采用，正式名称为 IEEE 1995。 目标是创建一种不逊色于当今标准并行总线的总线，同时显着降低成本并提高连接的便利性（由于过渡到串行接口）。 基于总线的标准 火线， Apple Computer 将其用作 Macintosh 和 PowerMac 计算机中 SCSI 的低成本替代品。 FireWire 这个名称现在适用于 IEEE 1394 实现，并与缩写共存 1394. 火线的好处 在其他串行总线之前： 是？ 多功能性：总线为多达 63 个设备提供数字通信，无需使用额外的设备（集线器）。 数码摄像机、扫描仪、打印机、视频会议相机、磁盘驱动器等设备不仅可以与 PC 交换数据，还可以相互交换数据。 由VESA发起的FireWire同样定位于“家庭网络”。 高交换率和同步传输甚至允许在入门级（100 Mbit/s）同时传输广播质量的两个视频通道（每秒 30 帧）和 CD 质量的立体声音频信号。 s§ 元件和电缆成本低。 si 易于安装和使用。 FireWire 扩展了 pnp 系统。 开机/关机时会自动识别和配置设备。 总线供电（电流高达 1,5 A）允许遥控器即使在电源关闭时也能与系统通信。 不仅PC可以控制总线和其他设备，还可以控制其他“智能”设备，例如VCR。 2.1. 总线设备的结构和交互 1394标准定义了两类母线：电缆母线和交叉母线。 （背板）。 下面 十字轮胎 通常指的是连接到 1394 电缆的设备内部子系统的并行接口。 与由单个主机控制器控制的 USB 不同，1394 标准允许点对点设备在网络上连接。 网络可能由通过桥连接的多条总线组成。 在同一总线内，设备之间通过连接电缆进行连接，无需使用额外的设备。 桥梁 是特殊的智能设备。 PC 的 FireWire 总线接口卡是 PCI 1394 桥接器。 每条总线上最多可寻址 63 个设备，通过 6 位节点 ID 字段进行寻址。 10位总线标识符字段允许系统中最多使用1023个桥，连接不同类型的总线。 电缆总线 是一个由节点和电缆桥组成的网络。 灵活的拓扑允许您构建结合树形和链式架构的网络（图7.9）。 每个节点通常具有三个相等的连接器。 允许多个设备连接选项，但有以下限制： 任意一对节点之间的 ssi 不能超过 16 个电缆段； 标准电缆段长度不应超过4,5m； 第二电缆的总长度不应超过2 m（使用更好的电缆可以削弱此限制）。 某些设备可能只有一个连接器，从而限制了它们的位置选择。 该标准允许单个设备上最多有 27 个连接器。
该标准规定使用封装在公共屏蔽层中的 6 线电缆来连接节点。 两根双绞线用于信号传输（接收器和发射器分开），两根线用于为设备供电（8-40 V，高达 1,5 A）。 对于接口的电流隔离，使用变压器（隔离电压高达 500 V）或电容器（在廉价设备中，相对于公共线的隔离电压高达 60 V）。 图 7.10 给出了连接器的概念。 700。 某些设备（Sony DCRVX1000 和 DCR-VX1000 摄录一体机以及 DHR-4 DVCR）只有一个较小的 XNUMX 针连接器，仅带有信号电路。 这些设备仅作为终端设备通过特殊的适配器电缆连接到总线（尽管可以使用特殊的分路器适配器）。 1394 标准定义了通过电缆发送信号的三种可能频率：98,304、196,608 和 393,216 Mbps，四舍五入为 100、200 和 400 Mbps。 标准中的频率指定为 S100，S200 и （S400） 分别。 消费设备通常支持 S100， 大多数适配器允许 S200。 设计用于不同速度的设备可以连接到同一总线。 所有活动节点的交换将以最低速度进行。 但是，如果主机控制器实现拓扑和速度图 （拓扑_Mar и 速度_地图), 根据交换中涉及的特定对的能力，可以在一条总线中使用多个频率。 该系统允许设备的动态（热）插拔。 可连接标识符 设备自动分配，无需用户干预。 总线自动跟踪拓扑变化（连接设备的组成）并将其传输到控制软件。 IEEE 1394 协议 协议 1394 在三个级别上实施（图 7.11）。 交易层 将数据包转换为提供给应用程序的数据，反之亦然。 它实现了符合 ISO/IEC 13213:1994（ANSI/IEEE 1212，1994 版）的请求-响应协议、微计算机总线的 CSR（控制和状态寄存器）架构（读、写、锁定）。 这使得将 1394 总线链接到标准并行总线变得更加容易。 链路层 从物理层数据形成数据包并执行逆变换。 它提供节点与带有确认的数据报的交换。 该层负责传输数据包并管理同步传输。 物理层 生成和接收总线信号。 它提供初始化和仲裁，假设在任何给定时间只有一个发送器处于活动状态。 该层将串行总线的数据流和信号电平传递到更高层。 在这些层之间，可以实现电流隔离，其中物理层微电路由总线供电。 电流隔离对于防止通过电源保护接地线出现的寄生公共线环是必要的。 FireWire硬件通常由两个专用物理层收发器芯片组成。 PHY收发器 和总线连接桥 链接芯片。 例如，它们之间可以通过 IBM-Apple LINK-PHY 接口进行通信。 通信层微电路执行其层的所有功能以及该层的部分功能 交易，交易层的其余部分是在软件中完成的。
连接器 图。 7.11。 FireWire的三层结构 巴士管理 1394协议具有灵活的机制来管理不同设备之间的通信。 这不需要总线上存在 PC 或其他总线控制器。 管理包括三项服务： 循环大师， 发送周期开始广播（同步交换所需）。 同步资源管理器， 是否有任何节点支持同步交换（用于数字视频和音频）。 可选总线控制器（总线主控） 它可以是 PC 或编辑 DVCR。 复位时，总线结构被确定，物理地址被分配给每个节点，并且循环主控器、同步资源管理器和总线控制器被仲裁。 重置后一秒，所有资源都可供以后使用。 总线的主要优点是不需要控制器。 任何传输设备都可以接收同步流量带并开始在自主或远程控制信号上传输，接收器将“听到”此信息。 在有控制器（PC）的情况下，相应的软件可以控制设备的操作，实现例如数字非线性视频编辑工作室。 同步数据传输 同步总线传输1394为多个通道上的高速传输提供有保证的吞吐量和有限的延迟。 同步资源管理器包含一个寄存器 带宽^可用， 它决定了同步传输节点的剩余带宽的可用性。 复位后，新出现的具有同步传输的节点请求通道分配。 例如，数字视频需要 30 Mbps 的带宽（视频数据需要 25 Mbps，音频、同步和数据包标头需要 3-4 Mbps）。 带宽以特殊的分配单元来衡量，125毫秒周期有6144个，一个单元大约需要20纳秒，相当于传输一个单元所需的时间 四联体 （四联体）为 1600 Mbps。 四联体 （32位字）是总线上数据传输的单位。 周期中的 25 ms 预留给异步流量，因此复位后寄存器的初始值为 4915 个单位。 在 （S100） 数字视频设备需要约 1800 台， （S200） 大约900。如果相应的频段不可用，请求设备将定期重复请求。 等时资源管理器为每个等时节点分配可用通道号（0-63）（寄存器 CHANNELS_AVAILABLE）。 它是同步包的标识符。 当节点不再需要同步交换时，它必须释放其带宽和通道号。 控制信息通过异步通道交换。 2.2. IEEE 1394 标准的同义词和扩展 IEEE 1394 总线有许多别名： IEEE 1394-1995 Standard for a High Performance Serial Bus 是描述当前有效标准的文档的全称。 FireWire 是 Apple Computer, Inc. 实施 IEEE-1394 的商标。 P1394 是 IEEE-1394 初步版本的名称（1995 年 XNUMX 月采用之前）。 DigitalLink 是 Sony Corporation 的商标，用于参考数码相机中 IEEE-1394 的实施。 多媒体连接是 1394 高性能串行总线贸易协会 (1394TA) 徽标中使用的名称。 由于 Apple 自 1986 年以来一直在开发 FireWire 的概念，因此 FireWire 这个名称是 IEEE 1394 最常见的同义词。 除了主要的 IEEE 1394-1995 标准外，还有一些修改： 1394a 被认为是一个干净的文档，填补了原始标准中的一些空白，并进行了微小的更改（例如总线上更快的重置操作）。 1394a 产品向后兼容主要标准采用之前发布的设备。 引入该版本的目的是将速度提高到 800 Mbps 及更高，1394b 中还包含高速版本。 1394.1 定义了 4 线连接器并设定了总线桥的标准。 1394.2 旨在作为连接交换速率为 1 Gb/s 及更高的站群的标准， 不兼容 1394. 该标准源于超级计算机的 IEEE 1596 SCI（可扩展一致性接口），有时被称为 串行快递 или SCILite。 1394.2 信令接口类似于 FCAL，允许 环形拓扑， 1394 标准禁止。 2.3. FireWire 和 USB 的比较 串行接口 FireWire 和 USB 虽然具有共同的功能，但它们是截然不同的技术。 两条总线都可以轻松连接大量控制单元（127 个用于 USB，63 个用于 FireWire），允许在系统运行时切换和打开/关闭设备。 两种总线的拓扑非常接近。 USB 集线器是 CC 的一部分； 用户看不到它们的存在。 两种总线都有设备电源线，但 FireWire 的电源容量要高得多。 两种总线都支持PnP系统（自动配置开/关）并消除地址、DMA通道和中断短缺的问题。 带宽和总线管理存在差异。 USB 专注于连接到 PC 的 PU。 其同步传输仅允许传输数字音频信号。 所有的传输都是集中控制的，PC是总线树结构根部的必要控制节点。 无意通过该总线连接多台 PC。 火线 专注于与其连接的任何设备之间的密集交换。 同步流量允许您传输“实时”视频。 总线不需要PC的集中控制。 可以使用总线将多台 PC 和控制单元连接到本地网络中。 新型数字视频和音频设备内置1394适配器。传统模拟和数字设备（播放器、摄像机、 监视器）可以通过接口和信号的适配器转换器来实现。 标准化 FireWire 电缆和连接器取代了消费电子设备和 PC 之间的许多不同连接。 不同类型的数字信号被复用到一根总线上。 与以太网不同，FireWire 上的实时高速数据流不需要额外的协议。 此外，还有仲裁设施可以保证在给定时间内访问总线。 在 FireWire 网络中使用网桥可以让您将节点组的流量相互隔离。 7.3. ACCESS.总线和PC接口 串行总线 访问总线 （Accessory Bus）是DEC公司开发的一种用于计算机与其附件交互的总线，例如显示器（VESA DDC通道）、智能电源（智能电池）等。该总线允许两个信号和两个电源（12 V，500 mA）线最多可连接14个I/O设备，总线长度可达8 m。硬件基础是PC接口，其特点是易于实现，但即使与USB相比，也低表现。 在 ACCESS.Bus 的 PC 硬件协议之上有一个基本软件协议，特定连接设备的协议可与该协议交互。 协议提供设备的连接/断开连接，而无需重新启动操作系统。 VESA 提出的 ACCESS.Bus 连接器信号的用途如表所示。 7.3.
接口 К, 由飞利浦公司开发，最近出现在PC中，用作系统板的内部辅助总线，用于与已安装组件的非易失性识别存储器（内存DIMM）进行通信。 该总线非常容易实现与软件配合使用的两条信号线。 就其预期目的而言，该总线目前仅由 BIOS 在确定硬件时使用，但可写配置内存的使用为将软件链接到特定系统（更准确地说，已安装的模块）和......病毒提供了新的机会。 软件访问总线的方法尚未标准化，但如果需要，可以通过研究芯片组的文档来“计算”。
串行接口 的CSS 使用两个信号在一对设备之间提供双向数据传输：SDA（串行数据）数据和 SCL（串行时钟）时钟。 两台设备参与交换 领导（大师） и 奴隶。 他们每个人都可以充当 发射机， 将信息位放置在 SDA 线上，或 接收者。 交换协议如图7.12所示。 100. 同步由主控制器设置。 具有“集电极开路”输出的双向数据线由两个设备轮流控制。 交换频率（不一定恒定）在标准模式下被限制为 400 kHz，在高速模式下被限制为 XNUMX kHz，这允许组织接口控制器的软件控制实现。 任何操作条件的开始 Start 开始 当 SCL 为高电平时，由 SDA 信号从高电平到低电平的转换触发。 通过在SCL高的情况下将SDA信号从低电平转为高电平来完成操作 停止。 发送数据时，SDA 线的状态只能在 SCL 为低电平时改变，数据位通过 SCL 正边沿选通。每帧由发送器生成的 8 个数据位组成（MSB 的最高有效位是首先发送），之后发送器释放数据线一个周期以接收确认。 在第九个周期期间，接收器生成零 Ack 确认位。 发送确认位后，接收器可以通过将 SCL 线保持在低电平来延迟下一次发送。 接收器还可以在发送器产生衰减后保持 SCL 为低电平，从而减慢每比特接收电平的总线传输速度。 每个从机都有自己的地址，默认为 7 位。 地址 A[6:0] 由主机在第一个字节的位[7:1]中发送，位0包含操作R1U(R1/U=1读， RW=Q -记录）。 7 位地址包含两部分：高 4 位 A[6:3] 携带有关设备类型的信息（例如，对于 EEPROM 1010），以及低 3 位 A[0:2] 定义该类型设备的编号。 许多带有PC接口的微电路具有三个地址输入，通过将它们切换到逻辑电平1和0，设置所需的地址。 保留一些完整的地址值（表7.4）。 全呼叫允许唤醒设备以广播方式宣布自己。 字节 Start 开始 旨在吸引处理器对接口的注意，如果它以软件（而不是硬件）方式组织在设备中。 在收到该字节之前，设备的微控制器不会轮询状态，也不会监视接口信号。 当使用 10 位寻址时，位 [2:1] 包含地址的高位部分，如果符号满足，则低 8 位将在下一个字节中传输 RW=0。 从设备的地址和呼叫类型由控制器在发起交换时设置。 内存交换如图所示。 7.13。 这里SA[0:2]设备地址，DA[0:7]数据地址，D[0:7]数据，W写标志（0），R读标志（1）。
满足条件 开始， 控制器发送一个包含设备地址和操作指示的字节 rw, 并等待确认。 在 写操作 来自控制器的下一条消息将是正在写入的单元的 8 位地址，后跟一个数据字节（对于存储器容量超过 256 字节的微电路，单元地址以两个字节发送）。 收到确认后，控制器以条件结束循环 停， 并且被寻址设备可以开始其内部写周期，在此期间它不响应接口信号。 控制器通过发送写命令（设备地址字节）来检查设备是否准备好 并解析确认位，然后形成条件 停止。 如果设备响应一个确认位，则它已完成其内部循环并准备好进行下一个操作。 读操作 以与记录相同的方式启动，但带有标志 RW=\。 可以在给定地址、当前地址或顺序读取。 当前地址存储在从设备的内部计数器中，它包含上次操作涉及的单元的地址加一。 收到读命令后，设备会给出一个确认位并发送与当前地址相对应的数据字节。 控制器可以响应确认，然后设备将发送下一个字节（顺序读取）。 如果控制器以条件响应接收到的数据字节 停， 读操作结束（当前地址读的情况）。 控制器通过虚拟写操作设置读取起始地址，其中发送设备地址字节和单元地址字节，接收到地址字节后，再次形成条件 Start 开始 传输设备地址，但带有读操作的指示。 这就是读取任意单元（或单元序列）的方法。 该接口允许控制器使用一对信号来访问连接到该总线并具有唯一地址的相同类型的 8 个设备中的任何一个（图 7.14）。 如果需要增加设备数量，可以连接群组。 在这种情况下，可以使用公共SCL信号和单独的SDA信号（双向），以及公共SDA信号和单独的单向SCL信号。 要访问没有用于设置自己地址的引脚的多个微电路（或设备）之一，还可以使用 SCL（或 SDA）线路分离。 PC 协议允许多个控制器通过检测冲突并执行仲裁来共享同一总线。 这些功能的实现非常简单：如果两个发送器尝试在 SDA 线上设置不同的逻辑信号电平，那么设置低电平的发送器将“获胜”。 发射器监视其控制的信号的电平，如果检测到差异（它传输高电平，但“看到”低电平），则拒绝进一步传输。 只有当信号处于被动状态时，设备才能发起交换。 仅当同时尝试启动交换时才会发生冲突；一旦检测到冲突，“失败”的发射器将关闭，而“获胜”的发射器将继续工作。
附录 A. IBM PC 兼容计算机的系统工程 这里考虑程序与接口适配器的交互。 给出了有关 PC 体系结构的简要信息。 描述了存储器和 I/O 空间的组织、中断系统和直接存储器访问。 更详细的信息可以在《Hardware IBM PC.Encyclopedia》（“Peter”，1998）一书中找到。 A.1。 内存空间 PC内存的逻辑结构是由x86系列处理器的寻址系统决定的。 早期 IBM PC 中使用的 8086/88 处理器具有 1 MB 地址空间（地址总线的 20 位）。 从80286处理器开始，地址总线扩展到24位，然后（386DX、486、Pentium）扩展到32位，最后扩展到36位（Pentium Pro、Pentium II）。 在 DOS 中使用的实处理器模式中，只有 1 MB 的内存正式可用。 然而，由于实模式下的 8086 处理器仿真错误，80286 及更高版本的处理器具有最大可用地址 lOFFEFh，即多出 (64K-16) 字节。 区域lOOOOOh-lOFFEFh称为 高内存区 （HMA）。 部分实模式操作系统和常驻小程序都放置在其中。 为了与8086/88处理器完全兼容，有一个地址总线门A20 登机口A20， 它要么传递来自处理器的信号，要么强制重置地址系统总线的A20线。 出版：cxem.net
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