USB總線信號分析系統的設計與實現

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 453007；2.河南農業職業學院，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中內置了對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，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USB接口是一個極大的挑戰。不管是USB主機一側的開發，還是USB設備一側的開發，從技術角度來講，都有相當的難度。

2 USB總線信號分析系統的組成及功能分析

USB總線信號分析系統其整體功能的實現是一個軟硬件協同工作的過程。USB總線信號分析系統由六部分組成：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、設備驅動程序和信號分析軟件。前四部分裝配在一塊線路板上，構成系統的硬件；后兩部分安裝在分析主機上，為系統的高層軟件。為使系統正常工作，必須把各種設備正確連接起來，還要安裝設備驅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收發器，與兩個USB連接器相連。在信號傳輸的時候，就能同時接收USB總線上的信號。

2.2 CPLD編碼

CPLD是一種用戶根據需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。CPLD是整個系統中非常關鍵的一個部件，它直接決定系統實現的成功與失敗。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總線信號分析系統中，為了準確地接收USB的數據流，CPLD中設置了去噪聲模塊，既使接收的數據中混入了噪聲，接收器也能正常工作。要正確獲得數據，首先要正確恢復時鐘。低速USB的發送時鐘為1.5MHz，全速USB的發送時鐘為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根據用戶USB總線的速率產生1.5MHz或12MHz數據接收時鐘，該電路監視輸入信號的變化，一旦發現信號出現了邊沿，立即調整接收時鐘的相位，確保與發送時鐘同步，同時保證了讀取數據的準確性。

2.2.3 有限狀態機（FSM）

FSM（Finite State Machine）稱為有限狀態機，是CPLD/FPGA中最常用的部件之一。通常，用FSM實現各種各樣的狀態轉換圖。FSM有四個狀態，即初始狀態、SE0狀態、空閑狀態和接收狀態，用來表示用戶USB總線的活動。這四個狀態覆蓋了所有用戶USB總線狀態和用戶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：SE0狀態、空閑狀態、J狀態和K狀態。空閑狀態與J狀態的差別僅在于驅動器是否驅動，它們對應的DP、DM和RCV都是相同的。為此，把空閑狀態與EOP中的J狀態合二為一，統稱為空閑狀態。

用戶USB總線傳輸數據包時，涉及到的狀態只有兩個，即J狀態和K狀態。把這兩個狀態合并為接收狀態，為“正在接收用戶USB總線上的數據包”之意。接收狀態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的數據包。

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。

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

根據USB 1.1規范，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狀態轉換到空閑狀態的時刻。如果空閑狀態時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數據包裝配

CPLD輸入信號是DP，DM和RCV，輸出的則是MCU數據包。MCU數據包是對USB數據包的再次封裝，其一般格式為：

STX USB數據包 ETX

STX是MCU數據包的開始，其值為0F；ETX是MCU數據包的結束，其值為04。為了避免USB數據包中的STX、ETX被誤認為MCU數據包的開始結束，特別增加了“字節插入”。 “字節插入”符為Byte_Stuff，其值為05 。當USB數據包中出現了STX，ETX或Byte_Stuff時，在其前面都要插入一個Byte_Stuff。例如：

USB數據包為：80 C3 03 04 05 06

對應的MCU數據包為：0F 80 C3 03 05 04 05 05 06 04

2.2.5 數據輸出

數據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據和指針移動。

在USB數據包結束處，如果最后一個數據正好是STX、ETX或Byte_Stuff之一，則輸出順序應該是Byte_Stuff、數據、ETX。這三個字節在同一時鐘周期出現，但輸出一個字節要用兩個時鐘周期，并且輸出時一次只能輸出一個字節。這時，把同時出現的數據按照既定的Byte_Stuff、數據、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，是指隨著大規模集成電路的出現及其發展，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數據；向分析主機轉發數據。MCU的主要作用是把CPLD生成的數據轉發給分析主機。

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

2.4 分析軟件的實現

USB總線信號分析系統必須配合適當的分析軟件才能發揮作用。分析軟件安裝在計算機上，由應用程序、動態連接庫、設備驅動程序三部分組成，它們相互協調，完成數據控制、傳輸、分析等工作。

2.4.1 驅動程序

馬戴的思鄉情結與隱逸情懷也是聯系在一起的，他在詩中每次提到回到家鄉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動程序才能正常工作，UPA11的設備驅動程序來自Microchip公司的通用USB驅動程序，當前最新版本是Microchip MCHPFSUSB v2.1，可從該公司網站免費下載。

2.4.2 應用程序對UPA11硬件的訪問

應用程序對硬件的訪問包括開始捕捉、停止捕捉和讀取數據。

控制捕捉是通過向OUT1管道發送一個控制位來實現的，如果向OUT1端點發送的第一個字節的最高位為1，就會打開硬件捕捉功能；否則關閉捕捉。捕捉的數據是通過IN1端點傳輸到應用軟件的。一旦開始捕捉，應用軟件必須始終讀取UPA11的數據，否則可能丟失數據。

2.4.3 快速讀取UPA11的數據

一旦啟動捕捉，在短時間內，CPLD可能輸出大量數據。為了防止數據丟失，唯一的辦法就是使用緩存。當FIFO緩存中存有數據以后，MCU必須盡快取出，并存儲到IN1端口的數據區，一旦MCU收到主機發來的IN數據包，可以立即發送出去。為了減少時間延遲，MCU內部設置了14個IN1端口的數據區，作為數據緩沖。

對于從FIFO取來的數據，MCU只是簡單地放入某一個IN1數據區，當一個數據區放滿，則轉到下一數據區，除非所有數據區都存滿了數據。

2.4.4 USB數據包分離、檢測、過濾

從硬件得到的是連續的數據流，首先必須從這些數據流中分離出一個一個的USB數據包，然后才能對它們進行分析和顯示。CPLD在發送USB數據包時采用了編碼，在應用程序中，必須對這種編碼后的數據進行解碼，還原出原來的USB數據包。

當一個USB數據包被分離出來后，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據包，而那些SOF、NAK之類的數據包可以被屏蔽。

2.4.5 USB數據包分析

USB包（Packet）是最小的傳輸單位，其中的數據不容易被人們理解，但顯示這些數據卻是必需的。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。

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

3 結束語

本文在USB1.1規范的基礎上，根據國內外USB接口的發展現狀，做了一些研究，也得到了一些有意義的結果，完成了USB總線信號分析系統的設計與實現。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協議深入分析.[J/OL].

[2] 中國IT實驗室.USB設備的調試與測試技巧.[J/OL].

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