CN1558305A - 一种总线式通用串行总线复用器 - Google Patents

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高文学
刘涛
张佩珩
孙凝晖
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Abstract

本发明涉及计算机技术领域,特别是一种采用总线式通用串行总线复用器。解决了USB设备不能被多个主机共享的问题。由USB设备调度器、USB互连传输线和USB选配插头三种设备组成。USB设备调度器实现一台USB设备的扩展接口处理,每一台与USB复用器相连的计算机都通过一个USB选配插头跨越一段USB互连传输线与USB设备调度器相连;USB选配插头插在各个主机节点的USB端口上,根据USB设备调度器的切换指令控制该主机节点与USB设备的连通与断开。多个USB选配插头之间通过UTP-5e双绞线按总线方式连接,将这条总线和USB设备调度器相连,即可组成含一条总线的USB复用器。任一时刻总线上只能有一个主机节点的USB插头处于连通状态。

Description

一种总线式通用串行总线复用器
技术领域
本发明涉及计算机技术领域,特别是一种采用总线式通用串行总线(USB)复用器。
技术背景
在高性能计算领域,机群中节点的密度日益增大,使机柜内的空间愈加显得宝贵。然而,出于配置或启动的需求,每一个节点都要配备一台光盘驱动器(CD-ROM),这显然是对机柜空间的浪费。
随着计算机外设的发展,完全支持即插即用的USB(Universal SerialBus,通用串行总线,目前通用的版本主要是1.1和2.0)规范应运而生,性能也越来越好,越来越多的设备连到USB端口上。USB使用一对差分信号线传输数据,其规范经历了版本上几次更新,目前比较通用的USB规范版本是1.1和2.0.USB1.1的最大数据传输速率为12Mbps(Megabits per second,兆位每秒,信号传输速度单位),USB2.0的最大数据传输速率可以达到480Mbps,USB2.0规范定义了低速、全速和高速三种数据传输速率。根据协议,一个主机(Host)最多可以连接127个USB设备(Device)。CD-ROM(光盘驱动器)也很早就有了USB接口,可以实现即插即用。
有时候,一个主机需要接驳多个USB设备,数目超出其自带的USB端口数目,此时可以使用USB-Hub(USB集线器),来实现端口扩展。USB-Hub只能用于多个USB设备“共享”一个主机的情况,而对于多个主机共享一个USB设备的要求是无法满足的,我们只能通过手动插拔来实现设备复用。
机群中的节点,在起初配置或是发生故障的时候,一般都需要从CD-ROM取得一些数据,完成必要的初始化工作。然而,如果为每一个节点都准备一个单独的光驱-就象现在这样-显然会很大程度上降低机群中的处理器密度。因为光驱只是在进行系统配置或者发生故障时才发挥作用,大多数时间都只是白白占用空间,这是令人难以接受的。因为有了USB光驱,这种情况也变得好起来。由于USB的真正即插即用的特性,使得增加光驱或是移除光驱都不再那么困难。不过,毕竟这种活动式的光驱使用模式并不适合机群这样高可用的场所。所以,很自然的想法就是,在一个机群或机柜内固定一个CD-ROM由多个节点共享,只通过增加简单的设备和使用简单的操作,完成USB设备的复用切换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种总线式通用串行总线复用器。
本发明延续这种想法,设计了一套总线式通用串行总线复用装置,由三部分组成:USB设备端调度器、主机端USB选配插头和USB互连线。每一部分都充分考虑USB的特点,利用了USB的灵活性、健壮性和简洁性。由于USB协议中规定了即插即用的电气特性,发明的设计有很大方便。另外,USB协议里面的应答机制使USB信号的传输距离被限制在5米之内,这个长度更适合在单个机柜内部实现共享。如果希望实现长距离传输,需要进行协议转换,这种情况本发明未予考虑。
总线式通用串行总线复用器。能实现多个主机(Host)共享一个USB设备(Device)。
当需要多个主机共享一个USB设备的时候,USB-Hub不能解决问题。目前市场上没有合适的产品,可以让多个主机分时共享一个USB设备。本发明针对这种情况,提出了一种适用于机群环境USB复用器,简便地实现了上述功能。本发明的目的在于设计一种连线简洁,切换方便的USB复用器,使之能满足机群内USB设备的安全共享,节省机柜内空间的实际需要。
技术方案
本发明使用简易的电路交换方法构建适用于机群节点间的USB设备共享系统。USB复用器系统由USB选配插头、USB设备调度器和USB互连线三种设备组成,如图1所示。USB选配插头承担一台计算机的USB接口信号的切换处理工作,它的尺寸很小,可以插在计算机USB端口上,每一台被USB复用器操作的计算机都配备一个USB选配插头;USB设备调度器负责USB设备,例如CD-ROM,键盘,鼠标的信号转送工作,它与一套USB设备相连,同时预留可选的额外USB端口用于扩展;多个USB选配插头之间通过由UTP-5e(超五类非屏蔽双绞线)双绞线制成的USB互连线按照总线方式连接,将这条总线和USB设备调度器相连,即可组成含一条总线的USB复用器。
附图说明
图1是本发明的采用总线结构的USB复用器系统示意图。
图2是本发明的USB设备调度器结构示意图。
图3是本发明的USB选配插头结构示意图。
图4是本发明的USB选配插头互连示意图。
1.总体结构
如图1所示,本发明的整体结构包括USB设备调度器①,USB互连线②和USB选配插头③三部分组成。USB设备调度器通过USB互连线和USB选配插头连接于USB节点。
USB设备调度器外部包括控制键、USB扩展口、电源开关、电源指示和显示屏等附件;USB设备调度器的内部包括一个USB设备(例如CD-ROM)、一个可选的USB-Hub、电源模块和调度电路板,如图2所示。USB选配插头是插在各节点机USB端口上的小型设备,主要包括串行传输(RS485)芯片、单片机(8052)和双刀双掷开关,其结构如图3所示。USB互连线可采用UTP-5e加工而成,它和USB选配插头的连接方式如图4所示。
当USB设备调度器切换到某一USB选配插头时,该USB选配插头的远端接口和近端接口之间的信号通路在电路上是断开的,而其它USB选配插头的远端接口和近端接口之间的USB信号通路在电路上是连通的。
USB选配插头与USB设备调度器之间以及USB选配插头之间的连线为UTP-5e双绞线,连线接插件为RJ45插头和RJ45插座。
USB设备调度器与USB选配插头之间的通信数据通过一条RS485总线传输,这条RS485总线占用UTP-5e双绞线中的一对差分线。
每个USB选配插头上都设有一组拨码开关,用来设置该USB选配插头的编号,区分不同的USB选配插头。
USB设备调度器与USB选配插头之间的选配控制数据通信遵循串-并转换与匹配协议。
2.USB设备调度器
在图2中,核心部分是调度电路,USB默认设备④(CD-ROM)通过或不通过一个USB-Hub与调度电路板相连。在使用USB-Hub的结构里,USB默认设备占用USB-Hub的一个扩展端口,USB-Hub余下的扩展口伸出前面板,用作变换或扩展被复用的USB设备。这样做可以增加调度器的接驳能力,如果有其他设备需要同时调度,可方便地插入这些扩展端口;这样做的局限在于引入的这个USB-Hub存在USB版本问题,如果它遵守的是USB1.1,则USB2.0设备将不能实现高速运行,而只能以低速或全速运行。在不使用USB-Hub的结构里,USB主设备直接连到调度电路板上去,这样做可以使USB默认设备和主机节点之间没有其它设备,从而实现USB版本无关的复用,即可以适用于USB1.0,USB1.1,USB2.0,甚至USB协议的下一版本;这样做的局限在于复用器的灵活性降低。使用或不使用USB-Hub可以根据复用器的额定使用寿命来决定,如果不超过两年时间,可以选用最高版本的USB-Hub;如果预计使用超过两年时间,应尽量不使用USB-Hub,或考虑将来对USB-Hub的移除或更换。
整个设备调度器可由同一开关电供电,也可以分成两部分供电,CD-ROM自带电源模块,其他部分使用开关电源。需要供电的组件包括可选的USB-Hub、调度电路板上的器件和节点编号显示屏(数码管)。
调度电路板上的核心器件是一个单片机⑤(例如8051或8052)或其它具备处理能力的器件,接受前面板上的按钮键入,通过调度器后部的端口将选配命令传达给所有主机的选配插头,操作其中继电器的闭合方向,同时在前面板的显示屏上显示目前使用USB设备的主机节点编号。
USB调度器后部输出端口可以使用RJ45(一种8脚的插头/插座)插头⑥,送出两对差分信号(USB和RS485(一种串行总线标准))和一条地线,共五根信号线。
3.主机方USB选配插头
选配插头中也包含专用电路,主要器件包括一个单片机(8051或8052)、一个串行总线(RS485)接口芯片以及拨码开关和继电器。在图3中,RS485总线是常通的,保证选配命令的即时传递。继电器是小型电控双刀双掷开关,默认位置在接通一方(A)。在节点没有上电,即选配插头不被供电的情况下也能保证不影响总线上的其它选配插头的工作。若某一选配插头中的双向开关被拨向’B’位置,则更远的选配插头都不会得到USB信号。
由于RS485一类的串行总线传送的是单比特的串行数据,而节点编号是多比特的二进制数据,称为选配插头地址。因此,要达到选配切换的目的,选配插头必须把设备调度器发出的串行数据按照一定的协议实现串-并转换,再把并行地址与选配插头上预先设定的二进制编号进行比较,如果相同,则把双刀双掷开关拨向B方,否则保持在A方。这一串-并转换工作由MCU(Micro Controller Unit,微控制器,即单片机⑤)完成,它的输入是选配插头本地预先设定的节点编号和并行化之后的从设备调度送来的选配地址,输出是比较的结果:如果匹配,输出壹,将开关扳离USB总线;如果不匹配,输出零,开关维持在USB总线上。这一任务实际上就是并串比较器的逻辑功能,因此也可由其它逻辑器件来完成,只要这种器件具备相应的存储和判断能力。
同一时刻,至多有一个选配插头被选中,其中的双刀双掷开关被扳离USB总线,而所有的其它选配插头之中的双刀双掷开关维持在默认位置(A)。匹配的地址会将开关拨向B,从而总线上其它的选配插头的USB信号线被断开,这样可以尽量避免USB线缆上的反射。
4.USB互连线
互连线②可以用超五类线(UTP-5e)制作,两端采用相同的接头,本法明中都为RJ45插头⑦。互连线长度视机柜内节点数目而定,一般为15厘米至50厘米,节点越多,互连线应越短,总线最远端节点与设备调度器之间的连线总长度不能超过5米。如图4所示,8根线中的5根(两对半)被使用,其中1对为USB信号,1对为串行(RS485)信号,还需要1根作为公共地线连接设备调度器和各个主机。互连线两端接头(RJ45)里面信号线的排列顺序可以一致,也可以镜像对称。
5.选配协议
为了实现正确安全的切换和选配,需要制定可靠的协议,以便识别所有合法的切换命令,防止误动作。本发明采用的串-并变换与匹配协议中,定义该命令的格式如下:
(PxxxxxxR-01010101)B.
其中6位x代表选配地址,十进制范围从0至63;R代表保留位,为零为壹都无所谓;P代表奇偶校验位,它与6位选配地址的异或应为零。奇偶校验位最后收到,如果它与6位选配地址的逐位相加的和不为零,说明地址出错,按不匹配处理。这里低位定义为先收到或先发出的比特。
6.使用方法
在正式使用之前,必须手动设置各主机节点的编号,即通过选配插头上面的拨码开关设置各主机节点的二进制地址,而且应保证没有重合的地址,避免引起选配冲突。全部设备连接就绪并上电之后,便可以通过设备调度器前面板上的选配按键将要连接的节点地址输入,同时通过显示单元(数码管)来核实选择,按下确认键,当前节点与先前节点之间与USB设备的切换工作便完成了。按键包括两对“+/-”键,分别递增或递减地修改编号的十位和个位。最后命令通过“确认(OK)”键传达命令。另外设置一个“复位(R)”键,清除当前的输入到全不连接状态,使所有选配插头的开关都处在断开状态,即图3中的双刀双掷开关都被拨向A位置。
发明效果
本发明的积极效果体现在:
1.即插即用。这是USB的显著特点,在本发明中予以完全保留。
2.传输距离适中。无需额外的长线驱动器件。
3.布线简洁。UTP-5e双绞线比铜线电缆轻便,接插件制作方便,总线型连接方式减少了布线的复杂程度。
4.布线成本低。UTP-5e双绞线的价格远低于铜线电缆。
5.伸缩性强。使用中可以根据实际情况确定总线数目及各总线上挂接的USB选配插头数目,适合不同的实际要求。
6.兼容性好。不使用USB-Hub的结构不受USB版本的限制,不论是USB1.1还是USB2.0甚至高于USB2.0的版本都能适用。
7.可靠性高。串-并变换与匹配协议中使用奇偶校验,降低了误操作的概率。
USB:Universal Serial Bus,通用串行总线,目前通用的版本主要是1.1和2.0
Host:主机
Device:设备
USB-Hub:USB集线器
CD-ROM:光盘驱动器
Mbps:Mega bits per second,兆位每秒,信号传输速度单位
MCU:Micro Controller Unit,微控制器,即单片机
RJ45:一种8脚的插头/插座
RS-485:一种串行总线标准
UTP-5e:超五类非屏蔽双绞线

Claims (13)

1.一种总线式通用串行总线复用器,其特征在于,包括三部分组成:USB设备端调度器、主机端USB选配插头和USB互连线,USB设备调度器通过USB互连线和USB选配插头连接于USB节点。
2.根据权利要求1所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,能实现多个主机共享一个USB设备。
3.据权利要求1所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,USB选配插头提供了两个总线接口,用USB互连线将各个USB选配插头的远端接口和下一USB选配插头的近端接口相连,并将第一个USB选配插头的近端接口用连线引出,即形成一条总线。
4.根据权利要求1或3所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,可以将一条总线直接与USB设备调度器相连,组成含一条总线的USB复用器。
5.根据权利要求1或3所述的采用总线式通用串行总线复用器,其特征在于,USB设备调度器内置USB-Hub,对外有额外的USB端口,用于改变或增加被复用的USB设备,实现与内置USB-Hub使用的USB协议版本有关的USB设备复用。
6.根据权利要求1或3所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,USB设备调度器内部不使用USB-Hub,被复用的USB设备直接连在调度器上,再与各节点主机相连,实现与USB协议版本无关的复用。
7.根据权利要求1或3所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,当USB设备调度器切换到某一USB选配插头时,该USB选配插头的远端接口和近端接口之间的信号通路在电路上是断开的,而其它USB选配插头的远端接口和近端接口之间的USB信号通路在电路上是连通的。
8.根据权利要求1所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,USB选配插头与USB设备调度器之间以及USB选配插头之间的连线为UTP-5e双绞线,连线接插件为RJ45插头和RJ45插座。
9.根据权利要求1或8所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,USB设备调度器与USB选配插头之间的通信数据通过一条RS485总线传输,这条RS485总线占用UTP-5e双绞线中的一对差分线。
10.利要求1所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,每个USB选配插头上都设有一组拨码开关,用来设置该USB选配插头的编号,区分不同的USB选配插头。
11.据权利要求9或10所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,USB设备调度器与USB选配插头之间的选配控制数据通信遵循串-并转换与匹配协议。
12.根据权利要求1所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,USB设备调度器包括:USB默认设备、USB-Hub可选和调度电路板,USB-Hub连接于单片机,接受前面板上的按钮键入,通过调度器后部的端口将选配命令传达给所有主机的选配插头,操作其中继电器的闭合方向,同时在前面板的显示屏上显示目前使用USB设备的主机节点编号。
13.根据权利要求13所述的总线式通用串行总线复用器,其特征在于,USB默认设备是CD-ROM,占用USB-Hub的一个扩展端口,单片机是8051或8052。
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