專利名稱：高密度、低抖動(dòng)、同步usb擴(kuò)展的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提供基于版本3的通用串行總線(USB)架構(gòu)(或USB3.0)的、具有連通性的同步和時(shí)序系統(tǒng)的方法和設(shè)備，該系統(tǒng)具體地但決不是排它地用于提供在本地環(huán)境或分布式方案中以必要的任意程度同步的測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、儀器接口和過程控制設(shè)備的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)采集以及自動(dòng)化和控制。
背景技術(shù)：
版本2. 0的USB規(guī)范和包括版本2. 0的USB規(guī)范旨在以開放的架構(gòu)促進(jìn)來自不同廠商的裝置的互操作。USB 2.0數(shù)據(jù)利用采用兩條導(dǎo)線的信號(hào)電平之差的形式的差分信令 (即其中這兩條導(dǎo)線傳送信息)來編碼。USB 2.0規(guī)范旨在作為對(duì)PC架構(gòu)、跨越便攜的環(huán)境、臺(tái)式和家用環(huán)境的增強(qiáng)。不過，USB是用戶集中的，因此USB 2. 0規(guī)范缺少用于使裝置同步達(dá)到任意高精度的機(jī)制。幾種提案曾嘗試去解決這種和其它的不足。例如，第6，343，364號(hào)美國專利 (Leydier等人)公開了一種對(duì)被引導(dǎo)到智能卡讀取器的USB通信流進(jìn)行頻率鎖定的實(shí)施例。該文件披露了與USB SYNC和包ID流比較的本地、自由運(yùn)行的時(shí)鐘；其周期被更新以匹配這個(gè)頻率，從而產(chǎn)生1. 5MHz的標(biāo)稱頻率的本地時(shí)鐘。這提供了足以將智能卡信息讀取到主機(jī)PC內(nèi)的同步程度，但這種方法面向智能卡讀取器，因而不能解決裝置間的同步。WO 2007/092997 Ouster等人)公開了允許在USB裝置上產(chǎn)生精確的時(shí)鐘頻率、而不考慮主機(jī)PC中時(shí)鐘的精確性的同步USB裝置。USB SOF包被USB裝置解碼，并被處理作為時(shí)鐘載波信號(hào)，而不是充當(dāng)時(shí)鐘基準(zhǔn)。載波信號(hào)，一旦從USB通信流被解碼，將與比例因子(scaling factor)結(jié)合以產(chǎn)生同步信息，從而合成時(shí)鐘頻率精確控制的本地時(shí)鐘信號(hào)。以這種方式，相比載波信號(hào)的有點(diǎn)不確定的頻率，本地時(shí)鐘信號(hào)的頻率可更加精確。據(jù)說這種布置能夠產(chǎn)生達(dá)到任意高頻的本地時(shí)鐘信號(hào)，例如幾十兆赫的時(shí)鐘頻率，因此能夠確保連接至給定USB的每個(gè)裝置的本地時(shí)鐘在頻率上同步。第10/620，769號(hào)美國申請(qǐng)也披露了一種方法和設(shè)備，從而通過測(cè)量信號(hào)從主機(jī)到每個(gè)裝置的傳播時(shí)間并在每個(gè)USB裝置上提供時(shí)鐘相位補(bǔ)償以進(jìn)一步使多個(gè)本地時(shí)鐘在相位上同步。美國專利申請(qǐng)12/279，328 Ouster等人)披露了多個(gè)USB裝置的本地時(shí)鐘與從另一個(gè)接口接收的時(shí)間基準(zhǔn)同步。在一個(gè)實(shí)施方式中，USB裝置包含本地時(shí)鐘，該本地時(shí)鐘與使用IEEE-1588協(xié)議經(jīng)過以太網(wǎng)而外部提供的時(shí)間標(biāo)記同步。在又一個(gè)實(shí)施方式中，USB裝置的時(shí)鐘與來自全球定位系統(tǒng)(GPS)同步化時(shí)鐘的時(shí)間基準(zhǔn)同步。所有上面的系統(tǒng)都適用于常規(guī)的USB 2. 0，并同樣地限于幾個(gè)領(lǐng)域中。由于設(shè)備響應(yīng)超時(shí)，USB 2.0在范圍上被限制。這是USB主機(jī)控制器響應(yīng)來自所述USB主機(jī)控制器的請(qǐng)求而分配從給定的USB裝置接收信號(hào)的時(shí)間窗。因此USB 2. 0的物理長度接近25m。2008年11月發(fā)布了 USB 3. 0規(guī)范，其也關(guān)注于消費(fèi)者應(yīng)用。USB 3. 0規(guī)范對(duì)USB 架構(gòu)做出了顯著的改變。具體來說，上述的背景技術(shù)同步配置將不適用于新的5(ib/S協(xié)議 (稱作“超高速USB” )，因?yàn)樵搮f(xié)議廢除了用于SOF包的廣播機(jī)制。USB 3.0在同一連接電纜上限定了兩個(gè)并行且獨(dú)立的USB總線。首先，USB 2. 0總線(對(duì)于后面的兼容性)保持不變并提供低速(1.5Mb/s)、全速(12Mb/s)和高速080Mb/ s)協(xié)議。第二總線-對(duì)于5(ib/S通信流-提供超高速USB。除了總線到給定USB裝置的操作是互斥的之外，這些總線獨(dú)立地工作。也就是說，如果超高速連接是可能的，則USB 2.0 總線就與該裝置斷開。在圖1中以10來示意性描述USB 3. 0的雙總線架構(gòu)。包括USB主機(jī)控制器14的個(gè)人計(jì)算機(jī)12通過第一 USB 3.0從屬電纜(compliant cable) 18被連接到USB 3. 0集線器16 ；USB 3. 0裝置20通過第二 USB 3. 0從屬電纜M被連接到USB 3. 0集線器16的下游端口 22。USB主機(jī)控制器14包括USB 2. 0主機(jī)沈和超高速主機(jī)28兩者。這兩個(gè)主機(jī)26、 觀彼此獨(dú)立，且每個(gè)主機(jī)沈、觀能夠連接多達(dá)127個(gè)裝置(包括集線器)。USB 3.0從屬電纜為復(fù)合電纜，包含USB 2.0從屬電纜和一串能夠傳送超高速信號(hào)的屏蔽導(dǎo)線。于是，USB 3. 0從屬電纜18包括USB 2. 0從屬電纜30和屏蔽導(dǎo)線32。USB 3.0集線器16包含USB 2. 0集線器功能元件；34和超高速集線器功能元件36， 每個(gè)功能元件通過復(fù)合電纜18都被直接地連接到其各自的主機(jī)沈、28。USB 3. 0裝置20 包含USB 2. 0裝置功能元件38和超高速裝置功能元件40，每個(gè)功能元件通過復(fù)合電纜M 都向后連接到其各自的USB 3. 0集線器16的集線器功能元件34、36。在列舉的USB 3. 0裝置20處，超高速主機(jī)28針對(duì)超高速裝置功能元件00)的存在進(jìn)行檢查。如果發(fā)現(xiàn)超高速裝置，則建立連接。如果未發(fā)現(xiàn)超高速裝置(如僅將USB 2.0 裝置連接到端口 22的情況)，則USB 2. 0主機(jī)沈針對(duì)USB 2. 0裝置功能元件(38)在裝置 20中的存在進(jìn)行檢查。一旦主機(jī)控制器14確定哪個(gè)裝置功能元件被連接，則其指示USB 3. 0集線器16對(duì)應(yīng)于是USB 2. 0裝置功能元件38還是超高速裝置功能元件40被附接而僅僅啟動(dòng)下游端口 22的通信。這意味著在任意一個(gè)時(shí)間兩個(gè)并行總線中僅僅一個(gè)與例如 USB 3. 0裝置20的終端裝置處于操作狀態(tài)。此外，超高速USB具有不同于USB 2.0總線的架構(gòu)。由于高比特率，相當(dāng)高速的通信系統(tǒng)消耗了大量的能量。超高速USB的設(shè)計(jì)要求是較低的功耗以延長用戶裝置的電池壽命。這已導(dǎo)致USB 2. 0的先前廣播設(shè)計(jì)發(fā)生改變超高速不是廣播總線，而是將通信包指向系統(tǒng)中特定的節(jié)點(diǎn)，并切斷空閑鏈路上的通信。這嚴(yán)重影響了例如第12/279，3 號(hào)美國專利申請(qǐng)的同步配置的任意擴(kuò)展，該美國專利申請(qǐng)的用于同步裝置的方法和設(shè)備是基于在總線上被傳遞至每個(gè)裝置的廣播時(shí)鐘載波信號(hào)，該信號(hào)不適于超高速USB。超高速集線器功能元件起著裝置到主機(jī)(或上游端口)和主機(jī)到裝置(或下游端口)的作用。這意味著超高速集線器功能元件起著緩沖和調(diào)度其下游端口上的交易的作用，而不僅僅起著中繼器的作用。同樣地，超高速集線器功能元件也起著調(diào)度上游端口上的交易的作用。因此，負(fù)荷重的集線器功能元件會(huì)在通過系統(tǒng)傳輸包時(shí)增加顯著的非確定性延遲。這也阻止了例如第12/279，328號(hào)美國專利申請(qǐng)的USB 2. 0同步配置在超高速USB 上操作的使用。USB 2.0不成熟的等時(shí)同步在USB 3. 0規(guī)范中顯著得到了改善。打開主機(jī)控制器和USB裝置之間的等時(shí)通信管道保證在每個(gè)服務(wù)間隔中通信管道的固定帶寬分配。USB 3.0的等時(shí)協(xié)議包含所謂的等時(shí)時(shí)間戳包(ITP)，該時(shí)間戳包以稍微規(guī)則的間隔被發(fā)送到每個(gè)等時(shí)端點(diǎn)，并且包含在主機(jī)控制器的時(shí)域中由USB主機(jī)物理層(Wiy)進(jìn)行的ITP交易的開始的時(shí)間戳。該等時(shí)時(shí)間戳包精確到大約25ns。超高速USB切斷空閑鏈路以保存能量，但為了接收等時(shí)時(shí)間戳包，鏈路必須是有源的。因此，主機(jī)控制器必須保證在等時(shí)時(shí)間戳包的傳輸之前到裝置的所有鏈路處于完全有源模式(稱作電源狀態(tài)U0)。遺憾的是，等時(shí)時(shí)間戳包會(huì)在沿著USB網(wǎng)絡(luò)的傳播中被延遲。USB 3. 0也未提供確定包在超高速USB中的傳播時(shí)間的方法，因此沒有方法精確地知道在不同USB裝置上的時(shí)域之間的相位關(guān)系。期望幾百納秒的相位差為最佳情況，利用超高速USB使其對(duì)于儀器化或其他精度時(shí)序要求是不切合實(shí)際的。第5，566，180號(hào)美國專利(Eidson等人)公開了一種同步時(shí)鐘的方法，其中通信網(wǎng)絡(luò)上的一串裝置互相傳送它們的本地時(shí)間，且由消息群確定網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)間。Eidson的進(jìn)一步公開(第6，278，710,6, 665，316,6, 741，952和7，251，199號(hào)美國專利)擴(kuò)展了這種概念，但僅僅致力于其中同步消息的恒流經(jīng)由因特網(wǎng)在分布式儀器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳遞的同步配置。這樣連續(xù)的發(fā)送消息消耗了帶寬，并且將可能的同步化的精確度限制到在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的布置中為幾百納米秒和在常規(guī)的交換式子網(wǎng)中為更低的精確度(通常微秒)。應(yīng)當(dāng)理解的是，在本公開中術(shù)語“時(shí)鐘信號(hào)”和“同步”用于指代時(shí)鐘信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)、延遲補(bǔ)償信息以及傳播時(shí)間測(cè)量信息。還應(yīng)當(dāng)理解的是，在本公開中“時(shí)間的概念”用于表示出現(xiàn)時(shí)間(epoch)或“實(shí)際時(shí)間”，也可用于指代時(shí)鐘信號(hào)和相關(guān)出現(xiàn)時(shí)間的結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一般目的是根據(jù)USB3規(guī)范實(shí)現(xiàn)多個(gè)USB裝置的精確性同步，達(dá)到預(yù)定義的最大值。在第一廣義方面，本發(fā)明提供一種提供USB網(wǎng)絡(luò)的高密度擴(kuò)展的方法，該方法包括將多個(gè)USB集線器附接至PXI (包括PXI-express)儀器機(jī)箱中相鄰的槽；將USB集線器中的一個(gè)配置為主USB集線器(primary USB Hub)；將主USB集線器的上游端口連接至USB網(wǎng)絡(luò)；配置主USB集線器的第一下游端口，以通過第一 PXI本地總線與多個(gè)USB集線器的除所述主USB集線器之外的第一相鄰USB集線器通信，所述第一相鄰USB集線器與主USB 集線器鄰接；配置主USB集線器的多個(gè)其它下游端口以提供所述主USB集線器的擴(kuò)展(例如經(jīng)面板)；將所述第一相鄰USB集線器的上游端口連接至所述第一 PXI本地總線，其中所述第一 PXI本地總線在所述主USB集線器的方向上；
配置所述第一相鄰USB集線器的第一下游端口，以通過第二 PXI本地總線與所述多個(gè)USB集線器的除所述主USB集線器之外的第二相鄰USB集線器通信，所述第二相鄰USB 集線器與所述第一相鄰USB集線器鄰接；配置所述第一相鄰USB集線器的多個(gè)其它的下游端口，以提供所述第一相鄰USB 集線器的擴(kuò)展(例如經(jīng)面板)；和以相同方式配置任意其它的所述USB集線器和所述第一相鄰USB集線器。因此，便于在PXI (包括PXI-express)儀器架構(gòu)中利用PXI本地總線進(jìn)行USB擴(kuò)展，其中從PXI儀器架構(gòu)可得到高密度的USB擴(kuò)展端口。此外，這涉及利用PXI儀器機(jī)箱的特征來同步所述USB網(wǎng)絡(luò)裝置的操作，從而改善它們的操作。這些擴(kuò)展方法可應(yīng)用于任何架子格式的儀器機(jī)箱，例如但不限于VXI、cPCI、 利用適合的背板總線機(jī)制的VME，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。該方法可包括以與第一相鄰USB集線器相同的配置方式來配置一個(gè)以上其它的 USB集線器。在一個(gè)實(shí)施方式中，USB網(wǎng)絡(luò)(USB集線器形成其一部分)的主機(jī)控制器包含于 PXI儀器機(jī)箱內(nèi)。在該實(shí)施方式中，根據(jù)優(yōu)選采用觸發(fā)總線的形式的公共源對(duì)USB主機(jī)控制器和USB集線器計(jì)時(shí)(以使USB信號(hào)中重復(fù)計(jì)時(shí)抖動(dòng)的效應(yīng)最小化)。同樣優(yōu)選地，USB 主機(jī)控制器通過PXI儀器機(jī)箱背板的背板(優(yōu)選通過PXI本地總線)被連接至主USB集線
οUSB主機(jī)控制器可經(jīng)外部USB3電纜而連接至主USB集線器。同樣，USB主機(jī)控制器可位于PXI儀器機(jī)箱的外部。該方法可包括在PXI儀器機(jī)箱之中或之上提供USB網(wǎng)絡(luò)的USB主機(jī)控制器。主 USB集線器可包括USB主機(jī)控制器。在一個(gè)實(shí)施方式中，USB集線器的下游端口通過所述多個(gè)跨越相鄰USB集線器的 PXI本地總線利用差分信令。通過PXI本地總線的通信可處于具有最大USB通信帶寬的單一信道中。可替代地，通過PXI本地總線的通信可被上游USB集線器(USB集線器的) 反串行化(deserialised)為用于通過PXI本地總線的鏈路進(jìn)行傳輸?shù)亩鄠€(gè)較低速并行信道，接著在多個(gè)USB集線器中鄰接于各個(gè)USB集線器的另一個(gè)的上游端口處，再串行化 (re-serialising)多個(gè)USB集線器中每一個(gè)的所述下游端口。根據(jù)該方面，還提供一種用于提供USB網(wǎng)絡(luò)的高密度擴(kuò)展的設(shè)備，包括PXI 或 PXI-express 波形因數(shù)卡；用于從第一 PXI本地總線接收USB信號(hào)的上游端口 ；USB集線器電路；用于通過第二 PXI本地總線擴(kuò)展USB網(wǎng)絡(luò)的下游USB端口 ；用于擴(kuò)展所述USB網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)以上附加的下游USB端口。該設(shè)備可進(jìn)一步包括被連接至USB集線器電路的上游端口的USB主機(jī)控制器。USB集線器電路可由已與USB主機(jī)控制器的時(shí)基諧振的本地時(shí)鐘計(jì)時(shí)。根據(jù)該廣義方法，還提供一種用于利用PXI本地總線通過將USB數(shù)據(jù)流傳遞至相鄰裝置而擴(kuò)展USB網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。因此，根據(jù)該方面，還提供一種用于擴(kuò)展USB網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，包括
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用于通過USB集線器的上游端口與主機(jī)控制器通信并通過USB集線器的多個(gè)下游端口與USB裝置通信的USB集線器電路；適于將所述下游端口的一個(gè)連接至PXI卡能利用的第一 PXI本地總線端口的電路，所述PXI卡被附接至PXI背板；和適于將所述上游端口連接至所述USB集線器的面板接頭或第二 PXI本地總線端口的電路；從而USB擴(kuò)展經(jīng)PXI本地總線被提供在相鄰基于PXI卡的USB集線器之間的PXI 背板上。該設(shè)備還可進(jìn)一步包括PXI或PXI-express波形因數(shù)卡。在具體實(shí)施方式
中，該設(shè)備被提供作為基于PXI卡的USB集線器上的電路。USB集線器電路可由已與所述USB主機(jī)控制器的時(shí)基諧振的本地時(shí)鐘來計(jì)時(shí)。在一個(gè)實(shí)施方式中，在USB集線器電路的時(shí)鐘速率和所述USB主機(jī)控制器的時(shí)鐘速率之間基本上不存在整數(shù)關(guān)系。根據(jù)該方面的一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種具有上述設(shè)備的USB集線器。在第二廣義方面，本發(fā)明提供一種通過利用PXI (或PXI-express)機(jī)箱的架構(gòu)使 USB主機(jī)控制器和多個(gè)USB集線器同步的方法。PXI機(jī)箱波形因數(shù)(form factor)以插件箱(card cage)布置提供多個(gè)插入式槽。PXI機(jī)箱的背板提供PCI總線、專門的時(shí)鐘和觸發(fā)總線(PXI星形觸發(fā)總線)以及用于連接并提供相鄰卡之間的邊帶通信信道的PXI本地總線。因此，根據(jù)該方面，本發(fā)明提供一種使PXI (包括PXI-express)儀器架構(gòu)內(nèi)多個(gè) USB集線器同步的方法，該方法包括將多個(gè)USB集線器附接到PXI儀器機(jī)箱中的槽，所述PXI儀器機(jī)箱包括PXI星形觸發(fā)總線；配置所述USB集線器以經(jīng)PXI儀器機(jī)箱的背板連接器從PXI星形觸發(fā)總線接收計(jì)時(shí)信號(hào)；和使所述USB集線器的各自本地時(shí)鐘與由所述PXI星形觸發(fā)總線提供的所述計(jì)時(shí)信號(hào)同步。由于標(biāo)準(zhǔn)的USB集線器處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)從上游端口轉(zhuǎn)發(fā)到下游端口，因此會(huì)損害多個(gè)USB裝置的同步。因此，本發(fā)明提供一種用于減少同步USB裝置的本地時(shí)鐘中抖動(dòng)的方法。在實(shí)施方式中，符合PXI (包括PXI-express)波形因數(shù)的USB主機(jī)控制器被附接至PXI儀器機(jī)箱，且該方法包括使USB主機(jī)控制器的本地時(shí)鐘與由PXI星形觸發(fā)總線提供的計(jì)時(shí)信號(hào)同步。以這種方式，來自USB主機(jī)控制器的本地時(shí)鐘的USB數(shù)據(jù)流比特率和USB 集線器重復(fù)計(jì)時(shí)速率共享公共的時(shí)間源。因此，該方法通過利用PXI (或PXI-express)機(jī)箱的架構(gòu)而允許使USB主機(jī)控制器和多個(gè)USB集線器同步。PXI機(jī)箱波形因數(shù)以插件箱布置提供多個(gè)插入式槽，且PXI機(jī)箱的背板提供PCI總線、專門的時(shí)鐘和觸發(fā)總線、PXI星形觸發(fā)總線、以及用于連接并提供相鄰卡之間的邊帶通信信道的PXI本地總線。在一個(gè)實(shí)施方式中，本地時(shí)鐘被鎖頻(或諧振)到由PXI星形觸發(fā)總線提供的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。本地時(shí)鐘可被鎖定到除由PXI星形觸發(fā)總線提供的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)之外的期望頻率。優(yōu)選地，使多個(gè)本地時(shí)鐘與由PXI星形觸發(fā)總線提供的基準(zhǔn)觸發(fā)信號(hào)相位對(duì)準(zhǔn)或同優(yōu)選地，USB集線器重復(fù)計(jì)時(shí)速率被同步而大致為USB數(shù)據(jù)流的比特率的整數(shù)倍 (為了對(duì)USB數(shù)據(jù)流的采樣和轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行過計(jì)時(shí)(over-clock))。以這種方式，在USB數(shù)據(jù)流的比特率和用于轉(zhuǎn)發(fā)USB數(shù)據(jù)流的多個(gè)時(shí)鐘之間具有恒定的相位關(guān)系，從而使多個(gè)USB集線器進(jìn)行的USB數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)中的抖動(dòng)最小化。在第三廣義方面，本發(fā)明提供一種用于減少多個(gè)USB裝置的本地時(shí)鐘中計(jì)時(shí)引起的抖動(dòng)的方法，所述多個(gè)USB裝置附接在USB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)點(diǎn)處，該方法包括將多個(gè)USB集線器附接到PXI儀器機(jī)箱中的槽，所述PXI儀器機(jī)箱設(shè)置有PXI星形觸發(fā)總線；配置所述USB集線器以經(jīng)所述PXI儀器機(jī)箱的背板連接器從所述PXI星形觸發(fā)總線接收計(jì)時(shí)信號(hào)；和使所述USB集線器的各自本地時(shí)鐘與由所述PXI星形觸發(fā)總線提供的所述計(jì)時(shí)信號(hào)同步；將多個(gè)USB裝置附接在USB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)處；使用所述本地時(shí)鐘對(duì)所述USB集線器中每個(gè)內(nèi)的USB集線器功能元件進(jìn)行計(jì)時(shí)；其中在USB數(shù)據(jù)信號(hào)和在所述網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)層級(jí)處的所述USB集線器計(jì)時(shí)之間保持恒定的相位關(guān)系。在一個(gè)實(shí)施方式中，在USB集線器的各個(gè)時(shí)鐘速率和USB主機(jī)控制器的時(shí)鐘速率之間基本上不存在整數(shù)關(guān)系。應(yīng)當(dāng)注意的是，可根據(jù)應(yīng)用和期望結(jié)合本發(fā)明的以上每個(gè)方面的所有各個(gè)特征。此外，應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明還提供被布置為執(zhí)行上述發(fā)明的每個(gè)方法的設(shè)備和系統(tǒng)。另外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以各種方式被具體化。例如，這種裝置可采用位于印刷電路或印刷布線板上、陶瓷基板上或半導(dǎo)體級(jí)別即單個(gè)硅(或其它半導(dǎo)體材料)芯片處的多個(gè)部件形式配置而成。


為了本發(fā)明可更加清楚地被確定，現(xiàn)在參照附圖通過實(shí)施例的方式描述實(shí)施方式，其中圖1為根據(jù)背景技術(shù)的USB3的雙總線架構(gòu)的示意圖；圖2為背景技術(shù)PXI機(jī)箱的示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于在PXI機(jī)箱內(nèi)擴(kuò)展同步USB的裝置的示意圖； 以及圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于在PXI機(jī)箱內(nèi)擴(kuò)展同步USB的設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖2為根據(jù)背景技術(shù)的PXI儀器機(jī)箱的架構(gòu)50的示意圖。PXI機(jī)箱52包含用于計(jì)算機(jī)的槽討(即機(jī)箱52的槽0，其通常容納堅(jiān)固的嵌入式PC)、時(shí)序控制器槽56 (即機(jī)箱 52的槽1)以及多個(gè)擴(kuò)展槽58。這些元件由跨接背板(根據(jù)需要其也為模塊提供電能)的幾條總線60、62、64而被連接。主通信通過PCI總線60而被提供。所有數(shù)據(jù)通過PCI總線60在嵌入式計(jì)算機(jī) (被連接到槽0)和所附接的時(shí)序控制器(被連接到槽1)以及插入式模塊58之間傳輸。槽 1可包含特定的時(shí)序控制器裝置，該時(shí)序控制器裝置經(jīng)由時(shí)鐘和觸發(fā)事件信號(hào)在背板的星形觸發(fā)總線62上的傳遞而提供不同插入式模塊的協(xié)作。最后，提供PXI本地總線64以用于相鄰模塊之間的邊帶通信。在圖3中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于同步USB擴(kuò)展的系統(tǒng)70。系統(tǒng)70包括具有槽0控制器74和槽1時(shí)序控制器76的PXI機(jī)箱72。系統(tǒng)70還包括位于PXI機(jī)箱72的相鄰槽中的、附接到PXI機(jī)箱72的USB主機(jī)控制器82和兩個(gè)USB集線器裝置84。USB主機(jī)控制器82具有用于通過此處描述的本發(fā)明的任何合適的方法，來確定傳播到任意附接至主機(jī)控制器82的USB裝置的信號(hào)的信號(hào)傳播時(shí)間的電路。每個(gè)USB集線器裝置84在它們各自的面板上具有多個(gè)下游USB擴(kuò)展端口 86。 USB主機(jī)控制器82可選擇地具有多個(gè)下游USB擴(kuò)展端口 88。在槽1 (即366)處附接的時(shí)序控制器經(jīng)PXI星形觸發(fā)總線90提供時(shí)序信息給USB 主機(jī)控制器82和USB集線器裝置84。這些信號(hào)優(yōu)選地包括基準(zhǔn)時(shí)鐘和事件觸發(fā)信號(hào)。以這種方式，USB主機(jī)控制器82和USB集線器裝置84的每一個(gè)可將其時(shí)鐘與來自時(shí)序控制器 76的同一時(shí)基同步。這減少了附接至系統(tǒng)70的同步USB裝置之間的時(shí)鐘抖動(dòng)的可能性。此外，USB主機(jī)控制器82和USB集線器裝置84是使用PXI本地總線92的菊花鏈?zhǔn)?daisy chained)，PXI本地總線92將相鄰模塊連接，從而在相鄰模塊之間提供邊帶通信信道。應(yīng)當(dāng)注意的是，在該實(shí)施方式中采用的技術(shù)也可應(yīng)用于PXI-express。 PXI-express是其中PCI總線(對(duì)照?qǐng)D2的PCI總線60)被升級(jí)到PXI-express總線的PXI 的演化，但在其它方面卻比得上PXI。多個(gè)USB主機(jī)控制器82可在PXI機(jī)箱72中使用，每一個(gè)設(shè)置成從PXI星形觸發(fā)總線90接收同步信號(hào)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。以這種方式，多個(gè)USB網(wǎng)絡(luò)可一起被同步，并且可與PXI機(jī)箱72的時(shí)間概念(notion of time)同步。圖4為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的用于擴(kuò)展同步USB的設(shè)備100的示意圖。設(shè)備100包括即通過PCI背板106和PXI星形觸發(fā)總線108被附接至PXI機(jī)箱的相鄰槽的USB 主機(jī)控制器模塊102和USB集線器模塊104。此外，由于USB主機(jī)控制器模塊102和USB集線器模塊104被附接至相鄰槽，因此它們可經(jīng)中間PXI本地總線110而被連接。USB主機(jī)控制器模塊102具有USB主機(jī)控制器功能元件112、用于提供到多個(gè)下游端口的USB擴(kuò)展的USB集線器功能元件114、以及用于監(jiān)控USB數(shù)據(jù)流的USB裝置功能元件 116。USB主機(jī)控制器模塊102經(jīng)第一連接器118附接至PXI機(jī)箱的PCI總線106、經(jīng)第二連接器120附接至PXI機(jī)箱的PXI星形觸發(fā)總線108、經(jīng)多個(gè)擴(kuò)展端口 122附接至下游USB 集線器和裝置、以及通過第三連接器1 經(jīng)PXI本地總線110附接至相鄰的USB集線器模塊 104。USB集線器模塊104具有用于提供到多個(gè)下游端口的USB擴(kuò)展的USB集線器功能元件1 和用于監(jiān)控USB數(shù)據(jù)流的USB裝置功能元件128。USB集線器模塊104經(jīng)第一連接器130附接至PXI機(jī)箱的PXI星形觸發(fā)總線108、通過多個(gè)擴(kuò)展端口 132附接至下游USB 集線器和裝置，并且使用下游PXI本地總線(未示出)經(jīng)另一個(gè)相鄰USB集線器模塊(未示出)通過第二連接器134的再次擴(kuò)展是可能的。USB集線器模塊104通過第三連接器136 從上游PXI本地總線110接收上游信息或經(jīng)面板上游連接器138接收上游信息。多路復(fù)用器140也可用于確保對(duì)于給定USB集線器模塊104僅一個(gè)上游連接是可能的。根據(jù)該實(shí)施方式，USB主機(jī)控制器模塊102的USB主機(jī)控制器功能元件112通過經(jīng)第二連接器120從PXI星形觸發(fā)總線108接收的時(shí)鐘和時(shí)序信號(hào)計(jì)時(shí)。時(shí)鐘信號(hào)142被提供給USB主機(jī)控制器功能元件112的時(shí)鐘輸入144和USB集線器功能元件114的時(shí)鐘輸入146兩者，以確保它們同步地操作，從而使重復(fù)計(jì)時(shí)引起的抖動(dòng)最小化。(根據(jù)該實(shí)施方式，部件148只是將時(shí)鐘信號(hào)傳遞至USB集線器功能元件134)。根據(jù)該實(shí)施方式的變化，部件148是用于接收時(shí)鐘信號(hào)142并再產(chǎn)生頻率稍微不同的另一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的鎖相環(huán)(PLL)。這將(分別是USB主機(jī)控制器功能元件112的和USB 集線器功能元件114的)兩個(gè)時(shí)鐘輸入144、146的拍頻轉(zhuǎn)換成可被有效過濾掉的較高的已知頻率，從而減少了裝置之間的計(jì)時(shí)抖動(dòng)。根據(jù)此處描述的本發(fā)明的任意方法，USB主機(jī)控制器模塊102的USB裝置功能元件116在檢測(cè)點(diǎn)150處監(jiān)控USB數(shù)據(jù)通信流，以確定由USB主機(jī)控制器功能元件112將信號(hào)從檢測(cè)點(diǎn)150傳送到每個(gè)附接的下游USB裝置的傳播時(shí)間。USB裝置功能元件116也可使用時(shí)鐘信號(hào)142(來自PXI星形觸發(fā)總線108)，以利用超高速或非超高速同步信道來確定傳播時(shí)間。USB集線器模塊104經(jīng)第一連接器130從所述PXI星形觸發(fā)總線108接收時(shí)鐘信號(hào)152。時(shí)鐘信號(hào)152被用作USB集線器功能元件1 的時(shí)鐘輸入156，以對(duì)USB上的上游和下游USB數(shù)據(jù)信號(hào)重復(fù)計(jì)時(shí)。由于來自公共的PXI星形觸發(fā)總線108，因此時(shí)鐘信號(hào)152 與USB主機(jī)控制器模塊102處的時(shí)鐘信號(hào)142同步。以這種方式，根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式，使重復(fù)計(jì)時(shí)引起的抖動(dòng)最小化。(部件1 只是將時(shí)鐘信號(hào)152傳遞至USB集線器功能元件U6。)根據(jù)該實(shí)施方式的變化，部件IM是接收時(shí)鐘信號(hào)152并再產(chǎn)生頻率稍微不同的另一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的鎖相環(huán)(PLL)。這將在(USB集線器功能元件114的)時(shí)鐘輸入146和 (USB集線器功能元件1 的)時(shí)鐘輸入156處的時(shí)鐘信號(hào)的拍頻轉(zhuǎn)換成可被有效過濾掉的較高的已知頻率，從而減少了裝置之間的計(jì)時(shí)抖動(dòng)。知道了時(shí)鐘輸入146處的時(shí)鐘信號(hào)的頻率，允許對(duì)時(shí)鐘輸入156處的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使任何可能的拍頻效應(yīng)最小化。根據(jù)此處描述的本發(fā)明的任意技術(shù)，USB裝置功能元件1 在檢測(cè)點(diǎn)158處監(jiān)控 USB數(shù)據(jù)通信流，以確定由(USB主機(jī)控制器模塊102的)USB主機(jī)控制器功能元件112將信號(hào)從檢測(cè)點(diǎn)158傳送到每個(gè)附接的下游USB裝置的傳播時(shí)間。USB裝置功能元件128也可使用時(shí)鐘信號(hào)152(來自PXI星形觸發(fā)總線108)，以確定這種傳播時(shí)間。設(shè)備100可使用多種方法來確定從上級(jí)(檢測(cè)點(diǎn)150)到每個(gè)裝置的總的信號(hào)傳播時(shí)間和由此到附接的USB裝置的相對(duì)傳播時(shí)間。在該實(shí)施方式的一個(gè)變化中，所有傳播時(shí)間由USB主機(jī)控制器模塊102的USB裝置功能元件116來測(cè)量。在另一個(gè)變化中，USB 主機(jī)控制器模塊102和USB集線器模塊104的每一個(gè)測(cè)量到直接連接至它們各自下游端口122或132的USB裝置的傳播時(shí)間，而偏移(即從檢測(cè)點(diǎn)150到檢測(cè)點(diǎn)158的傳播時(shí)間)通過分別參照每個(gè)集線器層(USB主機(jī)控制器模塊102和USB集線器模塊104)處的公共計(jì)時(shí)信號(hào)142和152來確定。此外，USB主機(jī)控制器102還可被附接至槽IPXI時(shí)序控制器槽，且可包含附加的電路(未示出)以通過在PXI星形觸發(fā)總線108上產(chǎn)生精確的時(shí)序信號(hào)而經(jīng)第二連接器120 控制多個(gè)附接模塊的時(shí)序。在該實(shí)施方式中，本地時(shí)鐘源(未圖示)被提供在USB主機(jī)控制器模塊102中以提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)142，基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)142可經(jīng)第二連接器120被傳遞至 PXI星形觸發(fā)總線108。本領(lǐng)域技術(shù)人員易于進(jìn)行在本發(fā)明范圍內(nèi)的修改。因此應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不限于通過上文實(shí)施例所描述的具體實(shí)施方式
，并且此處描述的各種實(shí)施方式的結(jié)合對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的。在前述對(duì)本發(fā)明的描述以及所附的權(quán)利要求書中，除了由于表達(dá)語言或必要的暗示而上下文另有要求之外，詞語“主機(jī)控制器”包含所有形式的USB主機(jī)控制器，包括標(biāo)準(zhǔn)的USB主機(jī)控制器、移動(dòng)USB(USB-0n-the-g0)主機(jī)控制器以及無線USB主機(jī)控制器。在前述對(duì)本發(fā)明的描述以及所附的權(quán)利要求書中，除了由于表達(dá)語言或必要的暗示而上下文另有要求之外，詞“包括”或諸如“包含”或“含有”之類的變化形式以包括在內(nèi)的意義被使用，也就是說，用于詳列所述特征的存在，但不排除在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式中另外特征的存在或增加。而且，此處對(duì)背景技術(shù)的任何引用并不旨在暗示這種背景技術(shù)形成或已形成任何國家的的公知常識(shí)的一部分。
權(quán)利要求
1.一種提供USB網(wǎng)絡(luò)的高密度擴(kuò)展的方法，該方法包括 將多個(gè)USB集線器附接至PXI儀器機(jī)箱中相鄰的槽； 將所述USB集線器中的一個(gè)配置為主USB集線器；將所述主USB集線器的上游端口連接至USB網(wǎng)絡(luò)；配置所述主USB集線器的第一下游端口，以通過第一 PXI本地總線與所述多個(gè)USB集線器的除所述主USB集線器之外的第一相鄰USB集線器通信，所述第一相鄰USB集線器與所述主USB集線器鄰接；配置所述主USB集線器的多個(gè)其它的下游端口以提供所述主USB集線器的擴(kuò)展； 將所述第一相鄰USB集線器的上游端口連接至所述第一 PXI本地總線，其中所述第一 PXI本地總線在所述主USB集線器的方向上；配置所述第一相鄰USB集線器的第一下游端口，以通過第二 PXI本地總線與所述多個(gè) USB集線器的除所述主USB集線器之外的第二相鄰USB集線器通信，所述第二相鄰USB集線器與所述第一相鄰USB集線器鄰接；配置所述第一相鄰USB集線器的多個(gè)其它的下游端口，以提供所述第一相鄰USB集線器的擴(kuò)展；和以相同方式配置任意其它的所述USB集線器和所述第一相鄰USB集線器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述PXI儀器機(jī)箱之中或之上提供所述USB網(wǎng)絡(luò)的USB主機(jī)控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述主USB集線器包括所述USB主機(jī)控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多個(gè)USB集線器的所述下游端口通過所述多個(gè)跨越相鄰的所述USB集線器的PXI本地總線利用差分信令。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，包括將所述多個(gè)USB集線器的所述下游端口反串行化為多個(gè)用于通過所述PXI本地總線的鏈路進(jìn)行傳輸?shù)妮^低速信號(hào)信道，并且在所述多個(gè)USB集線器中鄰接于所述各個(gè)USB集線器的另一個(gè)的所述上游端口處，再串行化所述多個(gè)USB集線器中每一個(gè)的所述下游端口。
6.一種用于提供USB網(wǎng)絡(luò)的高密度擴(kuò)展的設(shè)備，包括 PXI或PXI-express波形因數(shù)卡；用于從第一 PXI本地總線接收USB信號(hào)的上游端口 ； USB集線器電路；用于通過第二 PXI本地總線擴(kuò)展USB網(wǎng)絡(luò)的下游USB端口 ； 用于擴(kuò)展所述USB網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)以上附加的下游USB端口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括USB主機(jī)控制器，其中所述USB主機(jī)控制器被連接至所述USB集線器電路的上游端口。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述USB集線器電路由已與所述USB主機(jī)控制器的時(shí)基諧振的本地時(shí)鐘計(jì)時(shí)。
9.一種用于擴(kuò)展USB網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，包括USB集線器電路，用于通過USB集線器的上游端口與主機(jī)控制器通信并通過所述USB集線器的多個(gè)下游端口與USB裝置通信；適于將所述下游端口中的一個(gè)連接至PXI卡能利用的第一 PXI本地總線端口的電路，所述PXI卡被附接至PXI背板；和適于將所述上游端口連接至所述USB集線器的面板接頭或第二 PXI本地總線端口的電路；從而USB擴(kuò)展經(jīng)PXI本地總線被提供在相鄰的基于PXI卡的USB集線器之間的PXI背板上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括PXI或PXI-express波形因數(shù)卡。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述USB集線器電路由已與所述USB主機(jī)控制器的時(shí)基諧振的本地時(shí)鐘來計(jì)時(shí)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的設(shè)備，其中在所述USB集線器電路的時(shí)鐘速率和所述 USB主機(jī)控制器的時(shí)鐘速率之間基本上不存在整數(shù)關(guān)系。
13.一種使PXI儀器架構(gòu)內(nèi)多個(gè)USB集線器的本地時(shí)鐘的頻率和相位同步的方法，該方法包括將多個(gè)USB集線器附接到PXI儀器機(jī)箱中的槽，所述PXI儀器機(jī)箱包括PXI星形觸發(fā)總線；配置所述USB集線器以經(jīng)所述PXI儀器機(jī)箱的背板連接器從PXI星形觸發(fā)總線接收計(jì)時(shí)信號(hào)；和使所述USB集線器的各自本地時(shí)鐘與由所述PXI星形觸發(fā)總線提供的所述計(jì)時(shí)信號(hào)同止少ο
14.一種用于減少多個(gè)USB裝置的本地時(shí)鐘中計(jì)時(shí)引起的抖動(dòng)的方法，所述多個(gè)USB裝置附接在USB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)點(diǎn)處，該方法包括將多個(gè)USB集線器附接到PXI儀器機(jī)箱中的槽，所述PXI儀器機(jī)箱設(shè)置有PXI星形觸發(fā)總線；配置所述USB集線器以經(jīng)所述PXI儀器機(jī)箱的背板連接器從所述PXI星形觸發(fā)總線接收計(jì)時(shí)信號(hào)；和使所述USB集線器的各自本地時(shí)鐘與由所述PXI星形觸發(fā)總線提供的所述計(jì)時(shí)信號(hào)同止少；將多個(gè)USB裝置附接在所述USB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)處；使用所述本地時(shí)鐘對(duì)所述USB集線器中每個(gè)內(nèi)的USB集線器功能元件進(jìn)行計(jì)時(shí)； 其中在USB數(shù)據(jù)信號(hào)和在所述網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)層級(jí)處的所述USB集線器計(jì)時(shí)之間保持恒定的相位關(guān)系。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中在所述USB集線器的各個(gè)時(shí)鐘速率和所述USB主機(jī)控制器的時(shí)鐘速率之間基本上不存在整數(shù)關(guān)系。
全文摘要
一種提供USB網(wǎng)絡(luò)的高密度擴(kuò)展的方法，該方法包括將多個(gè)USB集線器附接至PXI儀器機(jī)箱中相鄰槽；將USB集線器中的一個(gè)配置為主USB集線器；將主USB集線器的上游端口連接至USB網(wǎng)絡(luò)；配置主USB集線器的第一下游端口，以通過第一PXI本地總線與所述USB集線器的除主USB集線器之外的第一相鄰USB集線器通信，第一相鄰USB集線器與主USB集線器鄰接；配置主USB集線器的多個(gè)其它下游端口以提供主USB集線器的擴(kuò)展；將第一相鄰USB集線器的上游端口連接至第一PXI本地總線，其中第一PXI本地總線在主USB集線器的方向上；配置第一相鄰USB集線器的第一下游端口以通過第二PXI本地總線與所述USB集線器的除主USB集線器之外的第二相鄰USB集線器通信，第二相鄰USB集線器與第一相鄰USB集線器鄰接；配置第一相鄰USB集線器的多個(gè)其它下游端口，以提供第一相鄰USB集線器的擴(kuò)展；和以相同方式配置其它的USB集線器和第一相鄰USB集線器。
文檔編號(hào)H04L7/04GK102439531SQ201080021926
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者彼得·格雷厄姆·福斯特 申請(qǐng)人:克羅諾洛吉克有限公司