FPGA和USB3.0通信-USB3.0协议简介

今天开始将会通过4~5篇文章介绍FPGA和USB3.0通信的相关知识，这其实是《FPGA和外围接口（继续更新）基于FPGA的网口通信设计》后续。PCIe也在筹备中。

完成后也是《Xilinx 7系列FPGA入门级图像处理-完整版V1》初、中级篇的开始，图像处理部分也会通过摄像头前端算法（主要ISP）和后端算法组成，最后应该会形成一个初级工业UVC摄像头和IPC，平台还没选定（不知道有没有赞助，哈哈），算法基本验证完毕。

USB3.0介绍

总线、接口和协议

这里首先提几个概念，大家应该常见到：

USB3.0协议

USB3.0接口

USB3.0总线

是不是很懵逼？

其实理解了这几个概念，对于USB的具体协议就可以有得放矢，不需要看整个复杂又冗长的协议，针对自己的岗位去选择。

总线是一组传输通道，是各种逻辑器件构成的传输数据的通道，一般由由数据线、地址线、控制线等构成。接口是一种连接标准，又常常被称之为物理接口。协议就是传输数据的规则。

我们通常说的USB，既可以是USB信号，也可以是USB接口、USB总线，还可以是USB协议。之所以这么复杂，主要原因就是每个人对概念认知的差异。举个简单的例子，USB总线说的是一组传输通道，而USB接口是一种连接标准，两者之间的关系就是USB接口的设备都要通过USB总线来进行通信，而USB总线上走的设备并不全是USB接口的，像集成USB声卡，走的就是USB总线，但是没有走USB接口。在这里USB总线提供了一种通道，这个通道上可以有不同的符合这种通道要求的接口设备或信号（USB信号或Audio信号）。

USB板载声卡

对于USB声卡，外置声卡时走的就是USB接口，板载声卡时时走的USB总线而不包含USB接口（物理层满足要求即可）。

所以总结一下：

协议即总体框架，定义接口设备、器件及信号、总线及通道之间需要满足的关系，即要实现信号的传输，所有这些组成成员必须通力合作，各自满足协议要求的各种必要条件。

对于USB，下图可以说明这三者关系：

通过上面的分析，后面会在简单介绍USB3.0中规定的几个重要方面。

USB3.0的分层机制

大家都知道PCIe具有三层结构（事务层（Transaction Layer），数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer）），TCP/IP五层结构（物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层），为什么复杂协议都具有分层结构呢？

这个由来主要来源于OSI五层参考模型（例说七层OSI参考模型）。

即使简单的RS232也是遵守上面的分层结构，只不过RS232只规定了物理层，所以现实中很少有人用分层结构进行分析。

USB3.0的分层机制其实和PCIe类似（协议层（Protocol Layer），链路层（Link Layer）和物理层（Physical Layer）），从某种意义上看，可以把USB3.0看做是PCIe变形版本。下图是分层的通讯结构：

这种分层结构即方便标准化，又方便扩展，所以现今大部分协议都遵循OSI参考模型，希望大家可以理解一下这个模型（推荐的文章中有很多形象的解释）。

以上部分解释包含了个人理解，为了通俗易懂，有些表述不是很准确，希望大家留言交流，下面就很俗套的简单讲解官方的文档了。

USB3.0 与USB2.0的特性比较

硬件接口

 

物理层

高亮显示部分：

本层主要定义了高速组件之间互操作性所需的电气层参数。

物理层Tx框图

物理层Rx框图

不带电缆（顶部）和带电缆（底部）的通道示意图

USB3.0使用8b/10b传输代码。该传输代码的定义与ANSI X3.230-1994（也称为ANSI INCITS 230-1994）第11条中规定的定义相同。

加扰功能使用线性反馈移位寄存器（LFSR）实现。在发送端，加扰应用于8b/10b编码之前的字符。在接收端，对8b/10b解码后的字符应用解扰。无论何时发送或接收COM符号，LFSR都会重置。

以上就是物理层大致的规定，详情请见《USB3.0协议规范(英文完整版)（第六节）》。

Link Layer链路层

高亮显示部分：

Link Layer链路层主要包括：

•数据包帧

•链路命令

•链路管理和流量控制

•链路错误规则/恢复

•重置

•链路状态机描述

具有帧符号、CRC-16和链路控制字的分组报头

链接控制字

链接命令结构

链接命令字结构

链路训练和状态机的状态图

协议层

高亮显示部分：

协议层主要包括：

•数据包类型

•数据包的格式

•对主机和设备发送的数据包的预期响应

•描述了四种USB 3.0事务类型

•支持批量传输类型的流式传输支持

•设备/主机可能接收/发送的各种响应和数据包的定时参数

整个协议层非常复杂，数据包就差不多十几种类型，所以这里就不过多介绍了。

编辑：jq