USB Bus 之邏輯分析儀（一）

上回我們有提到關於PC based 的邏輯分析儀的一些觀念，

(http://chamberplus.blogspot.com/2007/09/usb-controller.html)

這個想法就是來自人家的一本書，當然，在該書中所提到的介面，還是用傳統的RS232。

而對認識版主的人來說：當然不可能還在用這種傳統介面，我們要講的就是USB 啊。

上回我也有提到：在使用USB當傳輸介面時，雖然速度會比傳統的RS232來的快。

但是，在先天上，USB介面會碰到一個比較「棘手」的問題是：

您不知道您所使用的USB Port 上還會不會有人跟您搶傳輸頻寬？！

這對於一些要號稱取樣率很高的PC based 儀器設備來說：可能是另一種挑戰。

我們今天就來作個簡單的實驗。來看一下實際的情形。

首先我們找來一台國產很平價的PC Based 的邏輯分析儀（LA, Logic analyzer)。

至於是哪一家品牌的？我想各位看倌，如果您有用過的，應該就會有印象吧。

這台LA 是屬於16 channels 的邏輯分析儀....規格上的取樣率是：200MHz~100Hz 。

（關於這一部份我上回有提過：就算您有很高的取樣率，但若您USB 頻寬搶不到的話...

您可能會有取樣結果的資料傳不出去的危險！）

在實驗上，我們就讓這一台LA隨時一直在抓資料，我們來攔截USB Bus的資料來分析結果。

而在所有的取樣Channel 上，我們就設定：Channel 0 ＆ 1及 Channel 15 為High  ！

我們來看結果如何？！

下圖我們從該PC 端的應用軟體來看：果然是如我們所預料。

當然，我們若用一般八位元的資料來看的話，他們就分別為0x03及0x80 的值。

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在看USB BUS上的資料之前，我們先來分析一下：若您要用USB 來抓這種即時資料時，

您該如何去控制USB BUS的開開關關呢？！因為其實USB BUS 對於上層的應用程式到驅動程式，

往往是：一發不可收拾啊，資料您沒收完，您的底層的驅動程式是很難放開的，讓您的應用程式

去處理資料的...這是USB在設計上為了取得高效能的傳輸因素。...

而對於這種儀器設備來說：又好像資料不能流失（Miss) ！所以，人家會比較容易想到的方法

就是：Bulk 傳輸方式。但是Bulk 的傳輸方式，在傳輸的Handshake上是要講明每一筆傳輸資料的大小的！

所以，每一次的BULK的傳輸之前就必須利用Control Token 來下達傳輸命令的。

（當然，您也可以利用類似Mass Storage Device Class 的那種BOT(Bulk Only Transfer)的方式來處理命令）

但相對來說：USB Device 端的韌體就比較難處理，利用Control + Bulk 還是一般人比較容易處理的！）

所以，我們先得到一個基本USB 傳輸觀念了，我們再來看實際的傳輸情況：

首先，我們發現果然不出我們所料：就是利用Control Token 中的Vendor Control 命令來下達傳輸啟動介面。

所以啊，名義上雖然是即時（也就是無時無刻）的抓資料，但我們發現：其實，在USB的頻寬上是塞入一些Control Token 的，所以，一定會每隔一陣子，USB BUS上就會停下來一下下的。

至少，在這一個Control Token 的SOF 之間是一筆也沒傳出來。

（再跟各位複習一下：這一組抓到的資料就是OHCI的USB 南橋資料！所以，可以在一個SOF之間完成所有Control Token）。

從BULK的資料內容，我們也的確看到了 0x80這一組熟悉的數據內容。...

（或許您是有很好的工程Sense的人，您應該會開始有一些疑問了吧？！）

我們再來看另一組資料內容：

還是利用Control Token 來控制BULK的傳輸啟動機制。還是一樣會犧牲一點USB的頻寬。

我們也發現0x03 這個我們一開始所設定的測試條件之數據資料。

喔，原來，他們在所謂的 16 Channels 之MSB 與LSB的資料是分開分別傳給PC端的。

但我們不能說人家的機器是分別取樣的喔。否則鐵定會發生MSB 與LSB 不同步取樣的問題。

因為人家的機器裡是有Embedded 一些記憶體Buffer的。所以，USB Bus只不過是從這些記憶體的BUFFER中，把資料傳出而已吧了！

這一部份我們就先不追究，我們此次實驗的目的就要探討USB Bus 頻寬的問題。

好，我們接下來看：我們都知道：一般PC 南橋的USB是兩個PORT是共用一組南橋介面。

（好像這樣說有點不太對？！我們一般可以在下圖中發現一般PC主機板是有兩組ControlSet 的，

當您把USB 裝置插到另一組USB port時，可能會碰到另一個ControlSet，而此時作業系統會再跟您要驅動程式的！

所以，這一部份是南橋硬體與作業系統之間的設定，如果您們有很好的名詞解釋的話，

也歡迎回應說明！謝謝！）

當我們把一支簡單的滑鼠插在另一個USB 共用的PORT時，我們在USB Bus 上就發現了這個低速裝置的Handshake了。

如下圖所示：

這一個毫不起眼的低速裝置的差入會造成USB Bus 上怎樣的變化呢？！

沒錯，他就是會搶USB Bus 上傳輸的頻寬！而且很討厭的是：他不知道什麼時候會插入，

而且您的USB 裝置還不知道這件事哩！！

我們把整個SOF之間的資料列出來分析：（就在"2" 與 "3"之間插進這一個低速裝置PID）

而當沒有插入此一低速裝置的Handshake 時，又是如何？！






我們發現：這樣一個小小稀疏平常的低速裝置的資料，

竟然使得兩個SOF 之間的Bulk 傳輸量從 18 組變成了17 組。當場就少了一組。

一組就是64 Bytes ...就是64 個取樣數據資料被擠到下一個SOF才能再傳。神奇吧。

這也代表著這64 組取樣數據要多留在記憶體Buffer 中多待一下子...如果您前端的取樣數據一直進來的話，

就有可能會發生Overflow的問題風險。....

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好了，若是您在USB PORT上面不是插入低速裝置，而是像大量資料的隨身碟時，

那個結果我想大家都可以想像的到了吧！所以，這種機器當然在訴求上就要強調他們記憶體Buffer 的深度啊。

不過，就我之前提過的：再深的記憶體終究還是可能面臨Overflow的可能性。

因為您永遠不知道您的客戶在使用USB介面時，他們會不會在USB Bus 上插入什麼USB 裝置？

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從以上一個小小的實驗，我們大家可以體會得到：為什麼這種算是窮人版的LA為何比一般稍微專業一點LA便宜那麼多？！

因為在他們的使用上是有一些限制的。我可沒有說：這種機器是不能買的...

因為畢竟他在售價上是有很大的價差空間的...對於一些人來說：或許這樣的功能已經可以符合他多數的應用。

PS：我們只是純粹分析USB Bus上的傳輸頻寬而已，還沒考慮到上層應用程式端所有造成資料LAG的問題呢。

或許改用ISO Token 會比較好一點，但相對來說：也會有相對ISO Token的問題產生...

而相對來說 USB Controller 所扮演的USB 資料流控管來說，就相對很重要了...

當然，您不是什麼有名的儀器大廠，所以，人家的USB  Controller 也不會為您量身訂作的...

更何況要幫您從韌體到驅動程式再到應用程式端...一路把任都二脈打通是很難的...

像這一家的這一台機器就是用國內某USB廠的Controller ...人家也是隨便從另一個產品線，

拿一個覺得大概可以給您用的一棵USB Controller 給您用的...巧的是：另一家相仿的公司也是用同一家的...

到底是誰抄誰的...我也不想去釐清...好玩的是：我剛好有認識這家USB Control廠的人員...

他們說：他們給這兩家的USB Controller 的確也都沒花什麼心思幫他們解決USB的問題...

結果，這兩家公司還可以在市場上殺得您死我活的呢！.....厲害吧...

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   後話：我看了全華的那本「基礎邏輯分析儀設計」以及這台市售的LA之後，我發現用我常用的那顆USB COntroller，要作這樣一台陽春型或學生版的LA 好像也不難喔...因為，我直接利用8051 對於外部Memory bus 的Access 信號來當作取樣Timing ...然後，讓USB Bus直接 Access 這些數據傳輸至PC 端...好像就完成了...

然後，我還有三組A/D...還可以當混合型的LA＋示波器...看來還蠻好玩的！...

我看我來作一台實驗機來試試...因為最近Survey 了幾家大廠的混合型LA＋示波器，價碼都不低...(Aglient..Lecroy..Tektronix..)

雖然我不需要很高的取樣率，但他們機器的起跳都是200~300 MHZ 的...然後價格也都不貲...都至少20 萬台幣起跳的！..

您說一般人，或是學生哪玩得起啊...

    看來有空的時候，可以DIY的東西還蠻多的嘛！...就敬請期待吧...還是有興趣一起研究啊？！

可以跟版主聯絡啊...大家可以交個朋友....也謝謝您們的指教。