FPGA和USB3.0通信-USB3.0协议简介

完成后，也是《Xilinx  7系列FPGA入门级图像处理-完整版V1》初级和中级章节的开始。图像处理部分也将由摄像头前端算法(主ISP)和后端算法组成。最后，应形成初级工业UVC摄像机和IPC。平台还没选好(不知道有没有赞助，哈哈)，算法基本验证完毕。

USB3.0简介

总线、接口和协议

首先，这里有几个概念，应该是大家都通用的：

USB3.0协议

USB3.0接口

USB3.0总线

是不是很蠢？

其实了解了这些概念，就可以针对USB的具体协议，不需要看整个复杂冗长的协议来选择自己的立场。

总线是一组传输通道，是由各种逻辑器件组成的传输数据的通道，一般由数据线、地址线、控制线等组成。接口是一种连接标准，通常称为物理接口。协议是数据传输的规则。

一般来说，USB可以是USB信号、USB接口、USB总线或USB协议。它如此复杂的主要原因是每个人对概念的理解不同。举个简单的例子，USB总线指的是一组传输通道，而USB接口是一个连接标准。两者的关系是所有带USB接口的设备都要通过USB总线进行通信，而USB总线上的设备并不都是USB接口。比如集成的USB声卡是USB总线，不是USB接口。这里，USB总线提供了一个通道，在这个通道上可以有不同的接口设备或信号(USB信号或Audio信号)满足这个通道的要求。

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USB板载声卡

对于USB声卡，安装外置声卡时使用USB接口，板载声卡始终使用没有USB接口的USB总线(物理层可以满足要求)。

所以总结一下：

即协议的整体框架，定义了接口设备、器件、信号、总线、通道之间要满足的关系，即要实现信号的传输，所有这些成员必须协同工作，满足协议所要求的各种必要条件。

对于USB，下图可以说明三者之间的关系：

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通过以上分析，后面将简要介绍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有三层结构(事务层、数据链路层和物理层)和TCP/IP五层结构(物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层)。为什么复杂的协议有层次结构？

这个起源主要来自于OSI五层参考模型(比如七层OSI参考模型)

即使是简单的RS232也遵循上面的层次结构，但是RS232只指定了物理层，所以现实中很少有人使用层次结构进行分析。

USB3.0的分层机制实际上类似于PCIe(协议层、链路层和物理层)。从某种意义上说，USB3.0可以看作是PCIe的变种。下图是分层通信结构：

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这种分层结构便于标准化和扩展，因此现在大多数协议都遵循OSI参考模型。希望大家能理解这个模型(推荐文章中有很多生动的解释)。

以上部分解释包含个人理解。为了通俗易懂，有些表达不太准确。希望大家留言交流。这是对官方文件的简单解释。

USB3.0和USB2.0的功能比较

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硬件接口

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物理层

突出显示部分：

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该层主要定义高速组件之间互操作所需的电气层参数。

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Tx物理层框图

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物理层Rx框图

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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。

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加扰功能由线性反馈移位寄存器(LFSR)实现。在发送端，在8b/10b编码之前对字符进行加扰。在接收端，对8b/10b解码字符进行解扰。每当发送或接收通信符号时，LFSR都会复位。

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这些是物理层的一般规定。详见《USB3.0协议规范(英文完整版)（第六节）》。

链路层链路层

突出显示部分：

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链路层链路层主要包括：

分组帧

链接命令

链路管理和流量控制

链接错误规则/恢复

重置

链接状态机描述

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带有帧符号、CRC-16和链路控制字的数据包报头

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链接控制字

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指令结构

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命令字结构

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链路训练和状态机的状态图

协议层

突出显示部分：

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协议层主要包括：

数据包类型

数据包格式

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。

批量传输类型的流支持

设备/主机可以接收/发送的数据包的各种响应和定时参数。

整个协议层非常复杂，数据包的类型几乎有十几种，这里就不赘述了。