USB總線信號分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

盧宇清，張 巍

LU Yu-qing1,2, ZHANG Wei2

（1.河南師范大學 物理與信息工程學院，新鄉(xiāng) 453007；2.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，鄭州 451450）

1 研究背景和意義

Universal Serial Bus（USB）是連接外部設備和主機的一種標準接口。隨著微軟在操作系統(tǒng)中內(nèi)置了對USB接口的支持模塊，加上USB設備的日漸增多，USB接口逐步走進了實用階段。

USB是一種靈活的接口技術(shù)，可替代計算機中串行口或并行口，支持許多新型的接口。USB的超強性能意味著要比它所替代的老式串行接口和并行接口都復雜。實現(xiàn)USB接口是一個極大的挑戰(zhàn)。不管是USB主機一側(cè)的開發(fā)，還是USB設備一側(cè)的開發(fā)，從技術(shù)角度來講，都有相當?shù)碾y度。

2 USB總線信號分析系統(tǒng)的組成及功能分析

USB總線信號分析系統(tǒng)其整體功能的實現(xiàn)是一個軟硬件協(xié)同工作的過程。USB總線信號分析系統(tǒng)由六部分組成：用戶USB總線信號采集電路、CPLD硬件與Verilog程序、FIFO存儲器、MCU硬件與固件程序、設備驅(qū)動程序和信號分析軟件。前四部分裝配在一塊線路板上，構(gòu)成系統(tǒng)的硬件；后兩部分安裝在分析主機上，為系統(tǒng)的高層軟件。為使系統(tǒng)正常工作，必須把各種設備正確連接起來，還要安裝設備驅(qū)動程序和信號分析軟件。

2.1 用戶USB總線信號獲取

USB電纜兩端各有一個連接器，中間不允許分叉。連接到用戶USB總線上需要使用兩個USB連接器，通過板上的布線直接相連。一個通過一條電纜連接到用戶USB主機，另一個連接器通過另外一條電纜連接到用戶設備。在線路板上放置一個USB收發(fā)器，與兩個USB連接器相連。在信號傳輸?shù)臅r候，就能同時接收USB總線上的信號。

2.2 CPLD編碼

CPLD是一種用戶根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。CPLD是整個系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一個部件，它直接決定系統(tǒng)實現(xiàn)的成功與失敗。因此，必須認真分析需求，周密設計代碼，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總線信號分析系統(tǒng)中，為了準確地接收USB的數(shù)據(jù)流，CPLD中設置了去噪聲模塊，既使接收的數(shù)據(jù)中混入了噪聲，接收器也能正常工作。要正確獲得數(shù)據(jù)，首先要正確恢復時鐘。低速USB的發(fā)送時鐘為1.5MHz，全速USB的發(fā)送時鐘為12MHz，CPLD也必須生成相應的接收時鐘信號，為此，CPLD中設置了一個相位跟蹤電路（DPLL）。

2.2.2 相位跟蹤電路

DPLL（Digit Phase Lock Loop）是一種使輸出信號相位與輸入信號相位保持一致的電路，也就是相位跟蹤電路。在UPA11中，DPLL根據(jù)用戶USB總線的速率產(chǎn)生1.5MHz或12MHz數(shù)據(jù)接收時鐘，該電路監(jiān)視輸入信號的變化，一旦發(fā)現(xiàn)信號出現(xiàn)了邊沿，立即調(diào)整接收時鐘的相位，確保與發(fā)送時鐘同步，同時保證了讀取數(shù)據(jù)的準確性。

2.2.3 有限狀態(tài)機（FSM）

FSM（Finite State Machine）稱為有限狀態(tài)機，是CPLD/FPGA中最常用的部件之一。通常，用FSM實現(xiàn)各種各樣的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。FSM有四個狀態(tài)，即初始狀態(tài)、SE0狀態(tài)、空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)，用來表示用戶USB總線的活動。這四個狀態(tài)覆蓋了所有用戶USB總線狀態(tài)和用戶USB總線事件，低速和全速也都支持。

用戶USB總線有四種基本狀態(tài)：SE0狀態(tài)、空閑狀態(tài)、J狀態(tài)和K狀態(tài)?？臻e狀態(tài)與J狀態(tài)的差別僅在于驅(qū)動器是否驅(qū)動，它們對應的DP、DM和RCV都是相同的。為此，把空閑狀態(tài)與EOP中的J狀態(tài)合二為一，統(tǒng)稱為空閑狀態(tài)。

用戶USB總線傳輸數(shù)據(jù)包時，涉及到的狀態(tài)只有兩個，即J狀態(tài)和K狀態(tài)。把這兩個狀態(tài)合并為接收狀態(tài)，為“正在接收用戶USB總線上的數(shù)據(jù)包”之意。接收狀態(tài)也包括遠程喚醒信號，只不過接收到的將是以FE打頭，后跟若干個FF的數(shù)據(jù)包。

用戶USB總線的事件有設備插入、設備拔出、設備復位、設備掛起、設備恢復等，對應FSM的一種或幾種狀態(tài)。

綜上所述，用戶USB總線狀態(tài)和事件都可以歸納到FSM狀態(tài)機的一種或幾種狀態(tài)。

根據(jù)USB 1.1規(guī)范，USB總線的速率是由D+或D-的上拉電阻決定的。識別速率的最準確的位置應該是從SE0狀態(tài)轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài)的時刻。如果空閑狀態(tài)時DP=1，則用戶USB總線是全速。否則，如果DM=1，則用戶USB總線是低速。

2.2.4 MCU數(shù)據(jù)包裝配

CPLD輸入信號是DP，DM和RCV，輸出的則是MCU數(shù)據(jù)包。MCU數(shù)據(jù)包是對USB數(shù)據(jù)包的再次封裝，其一般格式為：

STX USB數(shù)據(jù)包 ETX

STX是MCU數(shù)據(jù)包的開始，其值為0F；ETX是MCU數(shù)據(jù)包的結(jié)束，其值為04。為了避免USB數(shù)據(jù)包中的STX、ETX被誤認為MCU數(shù)據(jù)包的開始結(jié)束，特別增加了“字節(jié)插入”。 “字節(jié)插入”符為Byte_Stuff，其值為05 。當USB數(shù)據(jù)包中出現(xiàn)了STX，ETX或Byte_Stuff時，在其前面都要插入一個Byte_Stuff。例如：

USB數(shù)據(jù)包為：80 C3 03 04 05 06

對應的MCU數(shù)據(jù)包為：0F 80 C3 03 05 04 05 05 06 04

2.2.5 數(shù)據(jù)輸出

數(shù)據(jù)輸出包括輸出隊列的管理、輸出總線和寫入信號管理兩部分。輸出隊列的管理包括取數(shù)據(jù)和指針移動。

在USB數(shù)據(jù)包結(jié)束處，如果最后一個數(shù)據(jù)正好是STX、ETX或Byte_Stuff之一，則輸出順序應該是Byte_Stuff、數(shù)據(jù)、ETX。這三個字節(jié)在同一時鐘周期出現(xiàn)，但輸出一個字節(jié)要用兩個時鐘周期，并且輸出時一次只能輸出一個字節(jié)。這時，把同時出現(xiàn)的數(shù)據(jù)按照既定的Byte_Stuff、數(shù)據(jù)、ETX的順序把標志位存放在輸出隊列中等待輸出。

2.3 MCU固件

MCU（Micro Controller Unit），簡稱單片機，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機。

MCU主要功能有：MCU初始化；中斷服務程序；USB標準請求服務程序；讀取FIFO數(shù)據(jù)；向分析主機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。MCU的主要作用是把CPLD生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給分析主機。

MCU固件分中斷服務程序和主程序，這兩部分程序交叉執(zhí)行，中斷可能在主程序的任何地方發(fā)生并開始執(zhí)行中斷服務程序。中斷服務程序基本上是線性執(zhí)行的，主程序除了初始化部分以外則是無窮循環(huán)執(zhí)行。

2.4 分析軟件的實現(xiàn)

USB總線信號分析系統(tǒng)必須配合適當?shù)姆治鲕浖拍馨l(fā)揮作用。分析軟件安裝在計算機上，由應用程序、動態(tài)連接庫、設備驅(qū)動程序三部分組成，它們相互協(xié)調(diào)，完成數(shù)據(jù)控制、傳輸、分析等工作。

2.4.1 驅(qū)動程序

馬戴的思鄉(xiāng)情結(jié)與隱逸情懷也是聯(lián)系在一起的，他在詩中每次提到回到家鄉(xiāng)就是要去過隱居生活，如其《客行》云：

所有USB設備必須有匹配的設備驅(qū)動程序才能正常工作，UPA11的設備驅(qū)動程序來自Microchip公司的通用USB驅(qū)動程序，當前最新版本是Microchip MCHPFSUSB v2.1，可從該公司網(wǎng)站免費下載。

2.4.2 應用程序?qū)PA11硬件的訪問

應用程序?qū)τ布脑L問包括開始捕捉、停止捕捉和讀取數(shù)據(jù)。

控制捕捉是通過向OUT1管道發(fā)送一個控制位來實現(xiàn)的，如果向OUT1端點發(fā)送的第一個字節(jié)的最高位為1，就會打開硬件捕捉功能；否則關(guān)閉捕捉。捕捉的數(shù)據(jù)是通過IN1端點傳輸?shù)綉密浖?。一旦開始捕捉，應用軟件必須始終讀取UPA11的數(shù)據(jù)，否則可能丟失數(shù)據(jù)。

2.4.3 快速讀取UPA11的數(shù)據(jù)

一旦啟動捕捉，在短時間內(nèi)，CPLD可能輸出大量數(shù)據(jù)。為了防止數(shù)據(jù)丟失，唯一的辦法就是使用緩存。當FIFO緩存中存有數(shù)據(jù)以后，MCU必須盡快取出，并存儲到IN1端口的數(shù)據(jù)區(qū)，一旦MCU收到主機發(fā)來的IN數(shù)據(jù)包，可以立即發(fā)送出去。為了減少時間延遲，MCU內(nèi)部設置了14個IN1端口的數(shù)據(jù)區(qū)，作為數(shù)據(jù)緩沖。

對于從FIFO取來的數(shù)據(jù)，MCU只是簡單地放入某一個IN1數(shù)據(jù)區(qū)，當一個數(shù)據(jù)區(qū)放滿，則轉(zhuǎn)到下一數(shù)據(jù)區(qū)，除非所有數(shù)據(jù)區(qū)都存滿了數(shù)據(jù)。

2.4.4 USB數(shù)據(jù)包分離、檢測、過濾

從硬件得到的是連續(xù)的數(shù)據(jù)流，首先必須從這些數(shù)據(jù)流中分離出一個一個的USB數(shù)據(jù)包，然后才能對它們進行分析和顯示。CPLD在發(fā)送USB數(shù)據(jù)包時采用了編碼，在應用程序中，必須對這種編碼后的數(shù)據(jù)進行解碼，還原出原來的USB數(shù)據(jù)包。

當一個USB數(shù)據(jù)包被分離出來后，首先必須進行錯誤檢測，找出其中可能存在的各種錯誤，包括同步錯、PID錯、CRC5錯、CRC16錯等。分析出錯誤的類型以后，用戶可以查找錯誤的原因。

過濾是UPA11的重要功能，通過使用過濾器，可以僅顯示那些感興趣的數(shù)據(jù)包，而那些SOF、NAK之類的數(shù)據(jù)包可以被屏蔽。

2.4.5 USB數(shù)據(jù)包分析

USB包（Packet）是最小的傳輸單位，其中的數(shù)據(jù)不容易被人們理解，但顯示這些數(shù)據(jù)卻是必需的。如果把一個USB事務的所有包集中為獨立的一項，并根據(jù)令牌包恰當命名，便很容易讓人們在更高的層次上理解其作用。一個USB傳輸或USB請求可能有1～n個USB事務組成。如果能在USB傳輸或USB請求的級別上進行歸納分析，并以樹狀層次顯示出來，將有很大的價值。

為實現(xiàn)這些功能，必須跟蹤USB主機和USB設備的所有數(shù)據(jù)包，確定每一個數(shù)據(jù)包所處的位置，并根據(jù)上下文總結(jié)出符合邏輯的功能描述。當收到一個USB數(shù)據(jù)包以后，應用程序需要做以下處理：根據(jù)狀態(tài)機的當前狀態(tài)和輸入的包，決定下一狀態(tài)；根據(jù)當前狀態(tài)和下一狀態(tài)，在顯示樹的不同層次上建立相應的顯示節(jié)點；如果條件滿足，為更高的層歸納出一個概括性的功能。為此，應用軟件內(nèi)部設置了一個USB數(shù)據(jù)包狀態(tài)機，該狀態(tài)機始終描述USB主機與設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，它支持USB的四種傳輸類型。

3 結(jié)束語

本文在USB1.1規(guī)范的基礎上，根據(jù)國內(nèi)外USB接口的發(fā)展現(xiàn)狀，做了一些研究，也得到了一些有意義的結(jié)果，完成了USB總線信號分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。但是USB總線信號分析研究仍處于初級階段，后期可以進行硬件、固件的升級和應用軟件的擴展。

[1] 蔡軍生.USB協(xié)議深入分析.[J/OL].

[2] 中國IT實驗室.USB設備的調(diào)試與測試技巧.[J/OL].

[3] Microchip Technology Inc.PIC18F2550 Data Sheet(Chinese).[J/OL].