总线数据传输中的同步技术

1、2021-10-241第三讲 总线数据传输中的同步技术二教中楼309室2021-10-242总线的数据传输方式 数据传输方式定义了二进制数据流从一数据传输方式定义了二进制数据流从一个设备到另一个设备的传送模式个设备到另一个设备的传送模式 并行传输（并行传输（parallel）和串行传输（）和串行传输（serial） 同步传输（同步传输（synchronous）和异步传输）和异步传输（asynchronous） 单工（单工（simplex）、半双工（）、半双工（half-duplex）和全双工通信（和全双工通信（full-duplex）2021-10-243并行传输和串行传输 并行传输并行传输

2、多个数据位同时在设备之间传输，形如多车道多个数据位同时在设备之间传输，形如多车道高速公路行驶的汽车，如高速公路行驶的汽车，如8位位ascii码码 传输率高，成本高，适用于内部总线，两设备传输率高，成本高，适用于内部总线，两设备相距较远时，代价过高相距较远时，代价过高 串行传输串行传输 只有一条数据传输线，任意时刻只能传输只有一条数据传输线，任意时刻只能传输1位二位二进制数进制数 传输速度慢，成本低，适用于远距离传输或近传输速度慢，成本低，适用于远距离传输或近距离速度要求不高的应用场合距离速度要求不高的应用场合2021-10-2442021-10-245同步传输与异步传输 同步同步 在通信过程中

3、，发送方和接收方必须在时间在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持一致才能准确的传输数据，这就叫做上保持一致才能准确的传输数据，这就叫做同步同步 在传送由多个字符组成的数据块时，不仅每在传送由多个字符组成的数据块时，不仅每个字符传输要保持同步，通信双方对信号的个字符传输要保持同步，通信双方对信号的起、止时间也必须保持一致起、止时间也必须保持一致 同步对应两种传输方式：同步对应两种传输方式：同步传输和异步传同步传输和异步传输输2021-10-246同步传输 采用按位同步技术，以固定的时钟频率串行发送数字采用按位同步技术，以固定的时钟频率串行发送数字信号，字符之间有固定时间间隔，各字符中没有起

4、始信号，字符之间有固定时间间隔，各字符中没有起始位和停止位位和停止位 依据获得的时钟分量是源自信号内（信号本身）还是依据获得的时钟分量是源自信号内（信号本身）还是信号外，同步传输可分为：信号外，同步传输可分为： 外同步外同步 发送端发送数据之前先向接收端发送一串进行同步的时钟脉冲；发送端发送数据之前先向接收端发送一串进行同步的时钟脉冲；接收端收到同步信号后进行频率锁定，然后以同步频率为准接收接收端收到同步信号后进行频率锁定，然后以同步频率为准接收数据数据 自同步自同步 发送端发送数据时将时钟脉冲作为同步信号包含在数据流中同时发送端发送数据时将时钟脉冲作为同步信号包含在数据流中同时传送给接收端，

5、接收端从数据流中辨别同步信号，再据此接收数传送给接收端，接收端从数据流中辨别同步信号，再据此接收数据据异步传输 采用采用“群群”（组）同步技术。根据一定（组）同步技术。根据一定的规则将数据分为不同的群（组），每的规则将数据分为不同的群（组），每一个群的大小是不确定的一个群的大小是不确定的 要求发送端与接收端在一个群内必须保要求发送端与接收端在一个群内必须保持同步，发送端在数据前面加起始位，持同步，发送端在数据前面加起始位，数据后面加停止位数据后面加停止位 接收端通过识别起始位和停止位来接收接收端通过识别起始位和停止位来接收数据数据2021-10-247同步传输与异步传输比较 异步传输中发送方可

6、以在任何时刻发送数据，而接收异步传输中发送方可以在任何时刻发送数据，而接收方从不知道数据什么时候到达方从不知道数据什么时候到达 例子：键盘与主机之间的通信。按下一个键就发送一个例子：键盘与主机之间的通信。按下一个键就发送一个8bit的的ascii码，键盘可以在任意时刻发送，主机内部的硬件必须能码，键盘可以在任意时刻发送，主机内部的硬件必须能够在任意时刻接收这个代码够在任意时刻接收这个代码 潜在问题：接收方不知道数据什么时候到达，当它检测到数潜在问题：接收方不知道数据什么时候到达，当它检测到数据并做出响应之前，第一个据并做出响应之前，第一个bit已经过去了已经过去了 每次异步传输信息都以一个起始

7、位开头，以给接收方响应、每次异步传输信息都以一个起始位开头，以给接收方响应、接收和缓存数据的时间，传输结束再发送停止位接收和缓存数据的时间，传输结束再发送停止位 同步传输遵循先同步、再接收的原则，一旦检测到同同步传输遵循先同步、再接收的原则，一旦检测到同步信号，就在接下来的数据到达时接收它们步信号，就在接下来的数据到达时接收它们2021-10-248 同步传输通常要比异步传输快速得多，同步传输通常要比异步传输快速得多，接收方不必对每组数据进行开始和停止接收方不必对每组数据进行开始和停止的操作的操作 举例：一个典型的帧可能有举例：一个典型的帧可能有500字节（字节（4000 bit）的数据，采用

8、同步传输，其中可能只）的数据，采用同步传输，其中可能只包含包含100bit的开销，增加的的开销，增加的bit位使传输的位使传输的bit总数增加总数增加2.5%；采用异步传输，；采用异步传输，bit总数总数增加增加25%;并且随着数据帧中实际并且随着数据帧中实际bit位的增位的增加，开销加，开销bit所占的百分比将相应减少所占的百分比将相应减少 帧越大，占据传输介质的连续时间也越帧越大，占据传输介质的连续时间也越长，将导致其它用户等得太久长，将导致其它用户等得太久 异步传输实现简单，同步传输实现复杂异步传输实现简单，同步传输实现复杂2021-10-249单工、半双工和全双工通信 数据在通信线路上

9、传输是有方向性的，数据在通信线路上传输是有方向性的，根据某一时刻数据在通信线路上传输方根据某一时刻数据在通信线路上传输方向的不同可分为向的不同可分为 单工单工 半双工半双工 全双工全双工2021-10-2410单工通信 数据传输过程中，数据始终沿着同一个数据传输过程中，数据始终沿着同一个方向传输方向传输 为保证数据能够被正确传输，就需要进为保证数据能够被正确传输，就需要进行差错控制，因此单工通信采用二线制行差错控制，因此单工通信采用二线制，即两个信道，主信道用于传输数据，即两个信道，主信道用于传输数据，另一个监测信道用于传送监测信号（接另一个监测信道用于传送监测信号（接收数据正确与否）收数据正

10、确与否） 无线广播、有线广播和电视广播系统无线广播、有线广播和电视广播系统2021-10-2411半双工通信 在通信信道中，数据可以双向传输，但在通信信道中，数据可以双向传输，但是在任一时刻，数据只能向一个方向传是在任一时刻，数据只能向一个方向传输输 通信线路一端的通信设备既可以是信源通信线路一端的通信设备既可以是信源，也可以是信宿。但是在任一时刻，要，也可以是信宿。但是在任一时刻，要么是信源，要么是信宿，不可能既是信么是信源，要么是信宿，不可能既是信源，又是信宿源，又是信宿 通信线路两端的设备轮流发送数据通信线路两端的设备轮流发送数据2021-10-2412 半双工通信中也有监测信号的传输，

11、传半双工通信中也有监测信号的传输，传输方式有两种：输方式有两种： 监测与数据传输共用一条信道，在相互应答监测与数据传输共用一条信道，在相互应答时转换信道的功能时转换信道的功能 数据传输信道与监测信道分开，有一条专门数据传输信道与监测信道分开，有一条专门的信道供监测信号使用的信道供监测信号使用 举例：计算机与外设的通信就是一种半举例：计算机与外设的通信就是一种半双工通信双工通信2021-10-24132021-10-2414全双工通信 在同一时刻，位于通信线路两端的每台在同一时刻，位于通信线路两端的每台设备既是信源，又是信宿设备既是信源，又是信宿 位于通信线路一端的设备可以在同一时位于通信线路一

12、端的设备可以在同一时刻既接收数据，也发送数据刻既接收数据，也发送数据2021-10-2415全双工通信 在同一时刻，位于通信线路两端的每台在同一时刻，位于通信线路两端的每台设备既是信源，又是信宿设备既是信源，又是信宿 位于通信线路一端的设备可以在同一时位于通信线路一端的设备可以在同一时刻既接收数据，也发送数据刻既接收数据，也发送数据 有些全双工通信系统采用频分复用技术有些全双工通信系统采用频分复用技术，传输信道可以分成高频群信道和低频，传输信道可以分成高频群信道和低频群信道，系统采用单线制就可以实现群信道，系统采用单线制就可以实现 举例：电话系统，交换式以太网举例：电话系统，交换式以太网202

13、1-10-2416单工单工半双工半双工全双工全双工2021-10-2417总线同步传输实例双目图像传感器同步采集的实现 双目视觉，也称立体视觉，模拟人的双双目视觉，也称立体视觉，模拟人的双眼采用三角运算获得景物的深度（与摄眼采用三角运算获得景物的深度（与摄像机之间的距离）信息像机之间的距离）信息 要求左视图、右视图之间必须严格同步要求左视图、右视图之间必须严格同步 同步采集是双目立体视觉图像采集系统同步采集是双目立体视觉图像采集系统的一项关键技术的一项关键技术2021-10-2418现有的双目同步采集解决方案 采用外加的同步控制器或同步控制电路采用外加的同步控制器或同步控制电路 通常应用于采用

14、双摄像机或双照相机作为采集模块通常应用于采用双摄像机或双照相机作为采集模块的双目立体视觉系统，不适用于采用传感器芯片的的双目立体视觉系统，不适用于采用传感器芯片的嵌入式系统嵌入式系统 选用具有主从级联功能或外同步时钟输入的选用具有主从级联功能或外同步时钟输入的cmos图像传感器或视频图像传感器或视频a/d（ccd） 主从式：通过主图像传感器芯片发同步信号给从片主从式：通过主图像传感器芯片发同步信号给从片，可以较为方便的实现双目图像采集的同步，可以较为方便的实现双目图像采集的同步 外同步式：两个图像传感器芯片接受统一的外同步外同步式：两个图像传感器芯片接受统一的外同步时钟，从而实现同步采集时钟，

15、从而实现同步采集 该类芯片大多停产，如果有也是专用芯片，价格高该类芯片大多停产，如果有也是专用芯片，价格高 2021-10-24192021-10-24202021-10-2421 href和和pclk均以均以vsync的下降沿作为触发标准，的下降沿作为触发标准，因而只要两个图像传感器之间的因而只要两个图像传感器之间的vsync的下降沿是同的下降沿是同步的，则它们之间的步的，则它们之间的href和和pclk也必然是是同步的也必然是是同步的 双目图像采集之间的同步与两个图像传感器之间的双目图像采集之间的同步与两个图像传感器之间的vsync下降沿之间的同步可以认为是完全等同的下降沿之间的同步可以认

16、为是完全等同的 严格同步的严格同步的reset（包括软复位）并不能够保证两个（包括软复位）并不能够保证两个图像传感器的图像传感器的vsync下降沿之间的同步，而且即使复下降沿之间的同步，而且即使复位之后两个图像传感器的位之后两个图像传感器的vsync的下降沿达到同步，的下降沿达到同步，由于很多干扰因素的存在，在图像对采集过程中由于很多干扰因素的存在，在图像对采集过程中vsync的下降沿还是会重新进入不同步的状态的下降沿还是会重新进入不同步的状态2021-10-2422 图像传感器内部所有的时序逻辑关系都图像传感器内部所有的时序逻辑关系都是根据外输入时钟是根据外输入时钟clk建立起来的，因建立起

17、来的，因此可以通过调整此可以通过调整clk的方式实现两个图的方式实现两个图像传感器的同步控制像传感器的同步控制 如何实现？如何实现？ clk1和和clk2是同一个有源晶振的输出是同一个有源晶振的输出 如果当前帧的两个视图发现是不同步的，当如果当前帧的两个视图发现是不同步的，当前帧可以丢弃，甚至丢弃多帧都可以，通过前帧可以丢弃，甚至丢弃多帧都可以，通过反复调节达到同步即可反复调节达到同步即可 可以采用抑制超前时钟的方法可以采用抑制超前时钟的方法 2021-10-2423基于输入时钟抑制的双目图像采集同步方法 将将vsync下降沿超前的图像传感器的输入时下降沿超前的图像传感器的输入时钟抑制掉超前的

18、时钟个数就能够迫使该图像传钟抑制掉超前的时钟个数就能够迫使该图像传感器内部的时序逻辑全部延迟超前的时钟个数感器内部的时序逻辑全部延迟超前的时钟个数，从而达到与，从而达到与vsync下降沿落后的图像传感下降沿落后的图像传感器之间的同步器之间的同步 2021-10-2424实现步骤 判断两个图像传感器的判断两个图像传感器的vsync下降沿之间是下降沿之间是否有差异来断定是否同步否有差异来断定是否同步 如果断定不同步，则判断出哪一个图像传感器如果断定不同步，则判断出哪一个图像传感器超前，并利用超前，并利用vsync下降沿差异计数器同时下降沿差异计数器同时获取差异的时钟个数获取差异的时钟个数 将超前的

19、图像传感器的输入时钟（将超前的图像传感器的输入时钟（clk）抑制）抑制掉差异的时钟个数掉差异的时钟个数 2021-10-2425 上述基本方案的问题：上述基本方案的问题： 时钟差异计数器的计数范围不可能很大（计时钟差异计数器的计数范围不可能很大（计数范围越大越耗数范围越大越耗cpld/fpga资源）资源） 而某些严重的干扰（如电源扰动，剧烈震动而某些严重的干扰（如电源扰动，剧烈震动等）可能会导致两个图像传感器的等）可能会导致两个图像传感器的vsync下降沿之间的差异时钟个数很大下降沿之间的差异时钟个数很大 这种情况下仅靠这种情况下仅靠vsync下降沿差异计数器下降沿差异计数器无法在短时间内使两

20、个图像传感器达到同步无法在短时间内使两个图像传感器达到同步 如何解决？如何解决？ 可将可将vsync下降沿的同步过程分为粗同步下降沿的同步过程分为粗同步和细同步两个阶段（粗调和微调）和细同步两个阶段（粗调和微调）2021-10-2426 如果如果vsync下降沿差异计数器没有溢出，则下降沿差异计数器没有溢出，则说明两个说明两个ov7141的的vsync下降沿之间差异的下降沿之间差异的时钟个数在差异计数器的可调范围之内，直接时钟个数在差异计数器的可调范围之内，直接按照差异计数器的计数结果对超前的图像传感按照差异计数器的计数结果对超前的图像传感器进行输入时钟抑制器进行输入时钟抑制细同步2021-1

21、0-2427粗同步 如果差异计数器溢出，说明两个图像传感器的如果差异计数器溢出，说明两个图像传感器的vsync下降沿之间差异较大，超出了细同步下降沿之间差异较大，超出了细同步的调节范围，直接利用两个图像传感器的的调节范围，直接利用两个图像传感器的href之间的差异对超前之间的差异对超前ov7141进行输入时进行输入时钟抑制钟抑制2021-10-2428 粗同步与细同步是互补的两个阶段，细粗同步与细同步是互补的两个阶段，细同步无法应用的情况需要进行粗同步，同步无法应用的情况需要进行粗同步，而粗同步即使没有使得两个图像传感器而粗同步即使没有使得两个图像传感器的的vsync下降沿之间在当前帧内获得严

22、下降沿之间在当前帧内获得严格同步，在下一帧还可以继续通过细同格同步，在下一帧还可以继续通过细同步来获得严格同步步来获得严格同步 粗同步与细同步两个阶段紧密合作就可粗同步与细同步两个阶段紧密合作就可以完成两个图像传感器的以完成两个图像传感器的vsync下降沿下降沿之间的严格同步进而实现双目图像对的之间的严格同步进而实现双目图像对的同步采集工作同步采集工作2021-10-2429基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现端口定义sensor_clk: input;sensor_rs: input;sensor_rs_f_pulse: input;sensor2_vsync: input;sensor

23、2_href: input;sensor1_vsync : input;sensor1_href: input;sensor1_clk: output;sensor2_clk: output;sync_id: output;2021-10-2430基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现变量定义（1）vsync_r_dff1: dff;-r indicates rising edgevsync_r_dff2: dff;vsync_f_dff1: dff;-f indicates falling edgevsync_f_dff2: dff;sync_cnt_of_dff: dff;-of ind

24、icates overflowvsync_f_diff_ahead_dff1 : dff;-dff indicates d-flipflopvsync_f_diff_ahead_dff2 : dff;sync_r_rst: node;-rst indicates resetsync_f_rst: node;vsync_or: node;vsync_r_diff: node;vsync_f_diff: node;sync_ref: node;2021-10-2431基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现变量定义（2）href_r_diff: node;href_r_dff1: dff;href

25、_r_dff2: dff;vsync_f_diff_f_pul: pulse_1;-pul indicates pulse which width is 1 clock;sync_ref_r_pul: pulse_1;sync_ref_f_pul: pulse_1;vsync_f_diff_cnt : lpm_counter with (lpm_width = sync_cnt_width,lpm_direction = up); -cnt indicates countervsync_sync_cnt : lpm_counter with (lpm_width = sync_cnt_widt

26、h,lpm_direction = up);sync_sm : machine with states(sync_idle, sync_busy); -sm indicates state-machine2021-10-2432基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现程序主体（1）vsync_r_dff1.clk= sensor1_vsync;vsync_r_dff1.d= vcc;vsync_r_dff1.clrn= !sync_f_rst;vsync_r_dff2.clk = sensor2_vsync;vsync_r_dff2.d= vcc;vsync_r_dff2.clrn = !sy

27、nc_f_rst;vsync_f_dff1.clk = !sensor1_vsync;vsync_f_dff1.d = vcc;vsync_f_dff1.clrn = !sync_r_rst;vsync_f_dff2.clk = !sensor2_vsync;vsync_f_dff2.d = vcc;vsync_f_dff2.clrn= !sync_r_rst;vsync_r_diff = vsync_r_dff1 $ vsync_r_dff2;vsync_f_diff = vsync_f_dff1 $ vsync_f_dff2; vsync_or = sensor1_vsync # sens

28、or2_vsync;sync_ref = vsync_r_diff # vsync_f_diff # vsync_or;2021-10-2433基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现程序主体（2）vsync_f_diff_ahead_dff1.clk= vsync_f_diff & vsync_f_dff1;vsync_f_diff_ahead_dff1.d= vcc;vsync_f_diff_ahead_dff1.clrn = !sync_r_rst;vsync_f_diff_ahead_dff2.clk = vsync_f_diff & vsync_f_dff2;vsync_f_diff

29、_ahead_dff2.d= vcc;vsync_f_diff_ahead_dff2.clrn = !sync_r_rst;2021-10-2434基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现程序主体（3）sync_ref_f_pul.clk_ref= sensor_clk;sync_ref_f_pul.start= !sync_ref;sync_ref_r_pul.clk_ref= sensor_clk;sync_ref_r_pul.start= sync_ref;sync_r_rst= sensor_rs_f_pulse # sync_ref_r_pul.out;sync_f_rst= sen

30、sor_rs_f_pulse # sync_ref_f_pul.out;2021-10-2435基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现程序主体（4）vsync_f_diff_cnt.clock= sensor_clk;vsync_f_diff_ct_en = vsync_f_diff & sync_cnt_of_dff;vsync_f_diff_cnt.aclr= sync_r_rst;sync_cnt_of_dff.clk = vsync_f_diff_cnt.cout;sync_cnt_of_dff.d= gnd;sync_cnt_of_dff.prn= !sync_r_rst;2021

31、-10-2436基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现程序主体（5）href_r_dff1.clk= sensor1_href;href_r_dff1.d= vcc;href_r_dff1.clrn = !sync_f_rst;href_r_dff2.clk = sensor2_href;href_r_dff2.d= vcc;href_r_dff2.clrn = !sync_f_rst;href_r_diff= href_r_dff1 $ href_r_dff2;2021-10-2437基于输入时钟抑制的双目图像采集同步的实现程序主体（6）sync_sm.clk= !sensor_clk;sync_sm.reset= sync_r_rst;case sync_sm iswhen sync_id