JP2009289292A - 同期マルチチャネルユニバーサルシリアルバス - Google Patents

Abstract

【課題】ホストに大きな計算負荷をかけることなく、許容される範囲の任意の数のＵＳＢデバイスが同期動作及びトリガ動作することを可能にするメカニズムを提供してＵＳＢ仕様を補い、ホストに、制御、データ転送、ロギング、解析など、他の作業を行わせる。
【解決手段】 本発明は、同期マルチチャネルユニバーサルシリアルバスを実現する方法及び装置を提供し、本方法は、一態様においては、ＵＳＢ仕様の信号チャネルを補って外部ソース（２４）から同期情報を供給するステップを備え、別の態様においては、ＵＳＢトラフィックを監視し、ＵＳＢデバイス（１０）のローカルクロック信号を、位相及び／又は周波数において、ＵＳＢデータトラフィックに含まれる周期的な信号にロックさせるステップを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）デバイスを同期させる方法及び装置に関し、特に、ＵＳＢホストに接続されたＵＳＢデバイス同士を任意の精度で互いに同期させることに適用されるが、それのみには限定されない。

ＵＳＢ仕様は、オープンアーキテクチャの下で、製造元が異なるデバイスの相互運用を推進することを意図したものである。ＵＳＢデータは、差動信号方式（すなわち、２本の電線で情報を転送する方式）を用いて、それら２本の電線の信号レベルの差の形でエンコードされる。ＵＳＢ仕様は、ポータブル環境、デスクトップ環境、及びホーム環境にまたがるＰＣアーキテクチャの拡張として企画されている。

たとえば、従来技術の一例として、デジタル制御されるトランスデューサ１２を含むＵＳＢデバイス１０の概略図を図１に示す。デバイス１０は、バスコントローラ１４、デジタルＩ／Ｏバス転送回路１６、及びマイクロプロセッサ１８と、トリガ信号及びクロック信号を含む同期情報をトランスデューサ１２に渡す同期チャネル２０を含む。

デバイス１０は、バスコントローラ１４によって、ＵＳＢ信号及び同期信号を収容しているデジタルバス２２に接続されている。

ＵＳＢ仕様は、すべてのデバイスが異なることを暗黙のうちに想定している。このことは、多種多様な製造元のデバイスを接続するという、当初の意図どおりの環境には当てはまるが、ほぼ同等の性質を有する複数のデバイスを同期動作させるための仕様を必要とする、当初の意図どおりでない環境（ある共通の製造業環境や実験室環境など）も存在する。ＵＳＢ仕様は、そうした課題への対応が不十分である。そのような環境は、一般に、試験、測定、監視などを実施する環境であり、そこでは、仕様より高い精度でデバイスを同期させることが必要になる場合がある。ＵＳＢ仕様で可能な同期は、すべてのデバイスに１ｋＨｚクロック信号を供給することによるデバイス間同期だけである。しかしながら、多くの実験室環境や製造業環境では、ＭＨｚレベル以上の周波数での同期が必要とされる。

図２に示すＵＳＢはティアードスタートポロジ２４を用いており、ハブ２６がＵＳＢデバイス２８の接続点を提供している。ＵＳＢホストコントローラ３０にはルートハブが含まれ、これがシステム内のすべてのＵＳＢポートの起点になっている。このルートハブには、ＵＳＢ対応デバイスや追加ハブを接続できるＵＳＢポートがいくつか設けられている。

これらのどのポートにも、さらにハブ（ＵＳＢ複合デバイス３２など）を接続でき、それによって、さらなるＵＳＢデバイス３４のための接続点（ポート経由）が追加される。このように、ＵＳＢを用いると、最大１２７個のデバイス（ハブを含む）を接続できる。ただし、どのデバイスも階層の深さが５まででなければならない。

ホスト内のルートハブは、Ｓｔａｒｔ ｏｆ Ｆｒａｍｅ（フレーム開始）（ＳＯＦ）信号パケットを１．０ミリ秒おきにすべてのデバイスに送信する（２つのＳＯＦパケットの時間間隔を１フレームと呼ぶ）。ＵＳＢトポロジに固有の電気的遅延のため、各モジュールがこのＳＯＦパケットを受信するのは同時ではない。このトポロジは、ホストコントローラに直接接続されているデバイスから、５階層下がったところにあるデバイスまでの間で、同じ信号を受信するのにかなりの時間遅延（仕様では最大３８０ナノ秒）がありうることを示している。このことは、ＭＨｚレベル以上でデバイスを同期しなければならない場合には、深刻な制約となる。

現時点では、ＵＳＢホストとＵＳＢデバイスの間の同期は、２タイプのＵＳＢ転送、すなわち、インタラプト転送とアイソクロナス転送によって可能である。インタラプト転送では、１２５マイクロ秒の最短周期でのデバイスのポーリング頻度が保証され、アイソクロナス転送では、一定の転送レートが保証される。いずれの方法でも、デバイスとホストの間で同期用のトラフィックを発生させる必要があり、したがって、同期の精度を高くするほど、多くの帯域幅を確保する必要がある。このことは、最大数のデバイスを接続する前に、使用可能なＵＳＢ帯域幅を使い切ってしまうおそれがあることを意味する。この方法はさらに、ソフトウェアを用いて１２７個のデバイスをホストに同期させたままにすることの多大な計算負荷をホストにかけ、それにもかかわらず、個々のデバイスが別々のプロセスを担当しているホストに関しては、デバイス間の同期を維持することに対応できない。

ある種の物理トランスデューサ（レーザダイオードや光検出器など）を含むデバイスは、クロック情報及びトリガ情報を必要とする場合がある。そのようなデバイス（たとえば、１ＭＨｚの変調光出力を有するレーザダイオード）は、クロック信号を用いて、一定間隔又は一定周波数でトランスデューサ機能を実行することができる。トリガ信号は、通常、設定された時刻に動作を開始又は終了させるために用いられる。レーザダイオードの例では、トリガ信号を用いて、変調光出力のオン／オフを切り替えることができる。

このようなクロック信号（情報）及びトリガ信号（情報）（以下、「同期情報」と呼ぶ）がすべてのデバイスに共通であり、同時に供給されていれば、これらの信号を用いて、多数の多種多様なデバイス同士を互いに同期させることができる。ここでの「共通」及び「同時」は、これらの信号のデバイス間での時間変動が指定量δｔより少ないことを意味する。レーザダイオードの例では、それによって、多数の多種多様なレーザダイオードがそれぞれの光出力を１つの周波数で変調することが可能になる。その結果、すべてのデバイスの変調周波数が同じになり、それらの波形が同相になる。現行のＵＳＢ仕様（すなわち、２．０）では、最大０．３５マイクロ秒のδｔの遅延が許容される。この遅延は、周波数１ＭＨｚすなわち周期１．０マイクロ秒の信号の場合には、ほぼ半周期に相当する。したがって、この信号を、定常的な用途での同期信号として仕様通りに使用することはできない。

ハブやＵＳＢコントローラチップのようなデバイスは、ＵＳＢプロトコルをデコードするために、ある程度の位相ロックをかけるのが一般的である。ＵＳＢプロトコルのＳＹＮＣパターンの目的は、他の電子回路がロックすべき同期パターンを提供することである。ただし、これは、ＭＨｚビットストリームを解釈するのに十分な精度でデバイスをＵＳＢビットストリームに同期させることを想定したものであって、多くの試験器や測定器で必要とされる精度で別々の２つのデバイスを互いに同期させることは想定されていない。ＵＳＢ仕様は、デバイス間同期の取り扱いに関する限り、ＵＳＢ−ＣＤオーディオストリームを、一対のＵＳＢスピーカからの出力に十分な程度に同期させることを主眼としている。そのような装置の要求はｋＨｚレベルであり、これに対してＵＳＢは理想的な条件を提供する。しかしながら、１００対のＵＳＢスピーカを同期させるという、起こりうる課題には、ＵＳＢ仕様は対応できない。

米国特許第６３４３３６４号（Ｌｅｙｄｉｅｒら）では、ＵＳＢトラフィックへの周波数ロックの例が開示されている。これは、スマートカードリーダを対象としたものである。この特許は、ＵＳＢ ＳＹＮＣ及びパケットＩＤストリームと比較されるローカルの自走クロックを教示しており、その周期は、この周波数と一致するように更新される。その結果、定格周波数１．５ＭＨｚのローカルクロックが得られる。これにより、スマートカード情報をホストＰＣに読み込むのに十分な程度の同期が得られる。この方法はスマートカードリーダを対象としており、デバイス間同期は対象外である。さらに、１ｋＨｚの周波数ロック（又は安定性の向上）についても、高精度の位相制御についても開示されていない。

米国特許第６０１２１１５号（Ｃｈａｍｂｅｒｓら）は、ＵＳＢフレーム開始（ＳＯＦ）の周期性とタイミング調節のための番号付けに関するものである。米国特許第６０１２１１５号の要約書で説明されているように、開示されている発明は、ＵＳＢホストコントローラからそれに接続されている周辺デバイスに送信されるフレーム開始パルスを用いることにより、リアルタイム周辺デバイス内で所定のイベントが発生する瞬間をコンピュータシステムが正確に特定することを可能にする。

米国特許第６０９２２１０号（Ｌａｒｋｙら）では、データ転送の目的で２つのＵＳＢホストを接続するために、ＵＳＢ対ＵＳＢ接続デバイスを用いて、ローカルデバイスクロックを両ＵＳＢホストのデータストリームに同期させる方法が開示されている。ローカルクロックを同期させるために位相ロックループを用い、データ損失の発生を抑えるためにオーバサンプリングを用いている。ただし、この特許は、２つのＵＳＢホスト同士を（限られた精度で）互いに同期させることに関するものであって、多数の多種多様なＵＳＢデバイスを単一のＵＳＢホストに同期させることに関するものではない。

ＵＳＢ仕様はオーディオ用途を念頭において作成されており、米国特許第５７６１５３７号（Ｓｔｕｒｇｅｓら）では、個々にクロックを有する２対以上のスピーカを同期させる方法が説明されている。ここでは、１対がＰＣ内のステレオオーディオ回路の出力として動作し、他の対はＵＳＢによって制御される。この両方のスピーカ対がそれぞれのクロックを使用するため、これらを同期させる必要があり、この特許では、非同期クロック同士の間にクロックスキューがあってもオーディオ信号の同期を維持する一手法を教示している。

以上の説明は、網羅的であることや、当分野における共通一般知識を記述することを意図したものではないが、現行技術に不足があることは明らかである。

米国特許第６３４３３６４号明細書（Ｌｅｙｄｉｅｒら） 米国特許第６０１２１１５号明細書（Ｃｈａｍｂｅｒｓら） 米国特許第６０９２２１０号明細書（Ｌａｒｋｙら） 米国特許第５７６１５３７号明細書（Ｓｔｕｒｇｅｓら）

本発明は、ホストに大きな計算負荷をかけることなく、許容される範囲の任意の数のＵＳＢデバイスが同期動作及びトリガ動作することを可能にするメカニズムを実現することにより、ＵＳＢ仕様を補うことを目的とする。これにより、ホストに、制御、データ転送、ロギング、解析など、他の作業を行わせることが可能になる。

また、本発明は、ＵＳＢ仕様を補うだけでなく、ＵＳＢのすべての利点（ツリーアーキテクチャにより複数のデバイス（現時点で合計１２７個までのデバイス）の動作が可能、ホットスワップ可能、自動列挙、使いやすさ、オペレーティングシステム間の互換性、可搬性など）も有している。

本発明は、ＵＳＢホストに接続されているＵＳＢデバイス同士を互いに同期させるための方法及び装置を提供する。本発明はまた、同等の多種多様なＵＳＢデバイスに対し、共通の接続点と、電力、ＵＳＢ、及び同期信号の１つ以上の組み合わせを供給するバックプレーンを提供する。

具体的には、本発明は、第１の広い態様において、本発明は、ＵＳＢトラフィックを監視し、かつ、ＵＳＢデバイスのローカルクロック信号をＵＳＢデータトラフィックに含まれる周期的な信号にロックさせる回路を備えた同期マルチチャネルユニバーサルシリアルバスを提供する。

この回路は、位相、周波数、又は位相と周波数の両方において前記ローカルクロック信号を前記周期的な信号にロックさせるように構成されることが好ましい。

前記回路は、ＵＳＢ Ｓｔａｒｔ ｏｆ Ｆｒａｍｅ（フレーム開始）（ＳＯＦ）パケットトークン（又は他の周期的なデータ構造体）をデコードし、これにロックするよう動作すると好ましい。

本発明はまた、ＵＳＢトラフィックを監視するステップと；ＵＳＢデバイスのローカルクロック信号をＵＳＢデータトラフィックに含まれる周期的な信号にロックさせるステップと；を備え、前記ロックさせるステップを、位相、周波数、又は位相と周波数の両方について行う、マルチチャネルユニバーサルシリアルバスを同期させる方法を提供する。

第２の広い態様では、本発明は、ＵＳＢツリー内の個々のＵＳＢデバイスの相対位相を取得するために、ＵＳＢツリー内の複数の点でのＵＳＢトラフィックの監視と、複数の個別パケットのそれぞれの往復遅延時間の測定とを行う回路を有する同期マルチチャネルユニバーサルシリアルバスを提供する。

前記回路は、特定のトランザクションに関連付けられたＡＣＫパケットの往復遅延時間を測定し、それによって、接続されているすべてのＵＳＢデバイスが同期するよう各デバイスのローカルクロックの相対位相を制御できるように動作すると好ましい。

本発明はまた、ＵＳＢツリー内の複数の点でＵＳＢトラフィックを監視するステップと；複数の個別パケットのそれぞれの往復遅延時間を測定するステップと；前記それぞれの往復遅延時間から前記ツリー内の個々のＵＳＢデバイスの相対位相を求めるステップと；を含み、前記個々のＵＳＢデバイスのそれぞれの位相オフセットを、前記求めた相対位相に従って調整できる、マルチチャネルユニバーサルシリアルバスを同期させる方法を提供する。

デバイス同士を互いに同期させるために、上記の態様を組み合わせることも可能である。時間的精度、コスト、及び使いやすさの要件は、特定の用途に対してこれらの方法のどれが使用可能かを判断する上で制限となる場合がある。また、本発明による装置は、様々な方法で実施できる。たとえば、そのようなデバイスは、プリント回路基板上の複数の部品の形で構成したり、半導体レベルで、すなわち、シリコン（又は他の半導体材料）の単一チップとして構成したりできる。

そこで、本発明はまた、同じＵＳＢツリー内にある複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを、実質的に同じ周波数にロックさせる方法を提供し、この方法は、ＵＳＢデータトラフィック内で送信する特定の信号構成を生成又は指定するステップと；前記特定の信号構成を所定のシーケンスで前記ＵＳＢデバイスに送信するステップと；前記ＵＳＢデバイスに対してローカルなＵＳＢ信号を、前記特定の信号構成に関して監視するステップと；前記特定の信号構成から、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおけるローカル基準信号を生成するステップと；前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおける前記ローカルクロック信号の周波数を所定の精度で前記ローカル基準信号にロックさせるステップと；を備える。

この特定の信号構成は、ＵＳＢ仕様で定義されたＵＳＢ Ｓｔａｒｔ ｏｆ Ｆｒａｍｅ（フレーム開始）パケットトークンシーケンスであることが好ましい。そうでなければ、この特定の信号構成は、ＵＳＢデバイスに送信されたコマンドシーケンスか、ＵＳＢデバイスに送信されたデータシーケンスである。

この方法は、前記特定の信号構成のそれぞれに対して前記ローカル基準信号を生成するステップをさらに含むと好ましい。

この方法は、実質的にすべての前記特定の信号構成に対して前記ローカル基準信号を生成するステップをさらに含むと好ましい。

ローカルクロックの周波数は、前記ローカル基準信号の周波数と実質的に同じであると好ましい。

前記ローカルクロック信号のそれぞれを前記基準信号にロックさせることの目的は、ホストとそれぞれのＵＳＢデバイスの間での純粋なデータ転送に必要とされる以上の安定性を有する周波数を発生させることであると好ましい。

この方法は、前記ＵＳＢデバイスを、実質的に同じ長さのケーブルで共通のＵＳＢハブに接続することにより、前記ＵＳＢデバイスを任意の精度で受動的に同期させるステップをさらに含むと好ましい。

本発明はさらに、ＵＳＢツリー内でのＵＳＢホストからＵＳＢデバイスまでの信号の伝搬時間を測定する方法を提供し、この方法は、前記ＵＳＢツリー内でマスタＵＳＢデバイスを指定するステップと；ＵＳＢデータトラフィック内で送信する特定の信号構成を生成又は指定するステップと；前記特定の信号構成を所定のシーケンスで前記ＵＳＢデバイスに送信するステップと；前記マスタＵＳＢデバイスを用いて、前記ＵＳＢトラフィックを、前記特定の信号構成及び前記ＵＳＢデバイスからの特定の応答信号に関して監視するステップと；前記特定の信号構成のデコード結果に対応する、前記マスタＵＳＢデバイスに対してローカルなイベントトリガ信号を生成するステップと；前記ＵＳＢデバイスからの応答信号のデコード結果に対応する、前記マスタＵＳＢデバイスに対してローカルなイベントトリガ信号を生成するステップと；前記マスタＵＳＢデバイスにおいて前記イベントトリガ信号間の時間間隔を測定するステップと；前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスまでの伝搬時間を、前記時間間隔から求めるステップと；を備える。

このマスタＵＳＢデバイスは、前記ＵＳＢツリーの最上位付近に接続されていると好ましい。

この方法はさらに、前記特定の信号構成を前記所定のシーケンスで前記ＵＳＢデバイスに送信するステップを含むと好ましい。

この特定の信号構成は、ＯＵＴトークン、ＩＮトークン、ＡＣＫトークン、ＮＡＫトークン、ＳＴＡＬＬトークン、ＰＲＥトークン、ＳＯＦトークン、ＳＥＴＵＰトークン、ＤＡＴＡ０トークン、ＤＡＴＡ１トークン、又はプログラマブルシーケンスビットパターンをＵＳＢデータパケットに含むと好ましい。

このＵＳＢデバイスは複数のＵＳＢデバイスのうちの１つであり、前記方法は、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれに対するそれぞれの伝搬時間を求めることを含み、この求めることには、複数のそのような求めた伝搬時間を統計分析して前記伝搬遅延測定の精度を向上させることが含まれると好ましい。

さらに、本発明は、共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスの間での電気信号又はデータ構造体の相対的な伝搬遅延を求める方法を提供し、この方法は、前述の方法に従って前記ＵＳＢデバイスのそれぞれと前記ＵＳＢホストの間のそれぞれの伝搬遅延を求めるステップと；前記ＵＳＢデバイスの１つを時間的基準デバイスとして指定するステップと；前記時間的基準デバイスと前記複数の前記ＵＳＢデバイスのそれぞれとの間の前記伝搬遅延の差を求めるステップと；を備える。

本発明はまた、ＵＳＢツリーを介して共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを、実質的に同相、かつ、実質的に同じ周波数になるように同期させる方法を提供し、この方法は、前述の方法に従って、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを実質的に同じ周波数にロックさせるステップと；前述の方法に従って、前記ＵＳＢデバイスのうちの選択された１つを基準とする、前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスのそれぞれまでの信号の相対的な伝搬遅延を求め、前記ＵＳＢデバイスのうちの前記選択された１つが基準ＵＳＢデバイスとして指定されるステップと；前述の方法に従って、前記基準ＵＳＢデバイスの前記ローカルクロックを基準とする、前記複数のＵＳＢデバイスのそれぞれの前記ローカルクロックの相対位相を求めるステップと；前記ＵＳＢツリー全体の前記複数のローカルクロックを実質的に同相にするために必要な、前記ローカルクロックのそれぞれの時間調整量又は位相オフセット量を求めるステップと；前記時間調整量又は位相オフセット量を前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスに送信するステップと；それぞれの前記時間調整量又は位相オフセット量に従って前記ＵＳＢデバイスのそれぞれに対して前記ローカルクロックの位相調整を実施するステップと；を備える。

前記ＵＳＢデバイスの少なくともいくつかのそれぞれのローカルクロックの位相が必要量だけシフトされ、その結果、多数の様々なＵＳＢデバイスが既知の相対位相のローカルクロックを有すると好ましい。

さらに本発明は、共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスにおける１つ又は複数のプロセスを、所定のトリガコマンドに従って同期的にトリガして開始又は停止する方法を提供し、この方法は、前述の方法に従って前記ＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを同期させるステップと；トリガ要求及び前記トリガコマンドをそれぞれ表す所定のトリガ要求信号及び所定のトリガコマンド信号をＵＳＢデータトラフィック内で送信するステップと；前記ＵＳＢデバイスのそれぞれに対してローカルな前記ＵＳＢデータトラフィックを、前記トリガ要求信号及び前記トリガコマンド信号に関して監視するステップと；前記ＵＳＢデバイスが前記トリガ要求を実質的に同時に実行に移すよう前記ＵＳＢデバイスを準備するために、前記ＵＳＢホストを用いて開始トリガ要求信号を前記ＵＳＢデバイスのそれぞれに送信するステップと；前記ＵＳＢデバイスが前記トリガ信号の受信後ただちに前記プロセスを実行するよう準備することによって前記開始トリガ要求信号に応答するよう前記ＵＳＢデバイスを構成するステップと；前記ＵＳＢホストが前記複数の前記ＵＳＢのそれぞれに対して前記トリガコマンドを発行するよう前記ＵＳＢホストを構成するステップと；前記ＵＳＢデバイスを用いて前記トリガコマンドをデコードするステップと；前記ＵＳＢデバイスが前記プロセスを実質的に同時に実行するよう前記ＵＳＢデバイスを構成するステップと；を備え、この方法によって、前記ＵＳＢデバイス内の１つ又は複数のプロセスを、前記ＵＳＢホストからの前記トリガコマンド信号の受信後ただちに開始又は停止できる。

このトリガ要求信号は、ＵＳＢ仕様で定義されたＵＳＢパケット信号構成、ＵＳＢデバイスに送信されたコマンドシーケンス、ＵＳＢデバイスに送信されたデータシーケンスのいずれかを含むと好ましい。

この方法は、前記トリガ要求信号及び前記トリガコマンド信号を所定のシーケンスで送信するステップを含むと好ましい。

このトリガコマンド信号は、ＵＳＢ仕様で定義されたＵＳＢパケット信号構成、ＵＳＢデバイスに送信されたコマンドシーケンス、ＵＳＢデバイスに送信されたデータシーケンスのいずれかを含むと好ましい。

このローカルＵＳＢデコードデバイスは、前記ＵＳＢ内のデータ構造体をデコードすることが可能なマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又は他の任意の要素であると好ましい。

このトリガ要求信号及び開始トリガ要求信号のそれぞれは、ＯＵＴトークン、ＩＮトークン、ＡＣＫトークン、ＮＡＫトークン、ＳＴＡＬＬトークン、ＰＲＥトークン、ＳＯＦトークン、ＳＥＴＵＰトークン、ＤＡＴＡ０トークン、ＤＡＴＡ１トークン、又はプログラマブルシーケンスビットパターンをＵＳＢデータパケットに含むと好ましい。

このトリガコマンドは、ＵＳＢ仕様で定義されている信号プロトコルを用いて前記ＵＳＢトラフィックにエンコードされると好ましい。

前記ＵＳＢデバイスのそれぞれは、外部ソースからクロック信号を受信すると好ましい。

このクロック信号は、追加の電気的コネクタ又は光コネクタ、あるいは無線手段を介して受信されると好ましい。

本発明はさらに、同じＵＳＢツリー内にある複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを、実質的に同じ周波数にロックさせる装置を提供し、この装置は、ＵＳＢデータトラフィック内での特定の信号構成の生成と、所定のシーケンスでの前記特定の信号構成の前記ＵＳＢデバイスへの送信と、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおける前記特定の信号構成からのローカル基準信号の生成とを行う信号ジェネレータと；前記ＵＳＢデバイスに対してローカルなＵＳＢ信号を、前記特定の信号構成に関して監視する信号モニタと；を備え、この装置によって、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおける前記ローカルクロック信号の前記周波数を所望の精度で前記ローカル基準信号にロックさせることができる。

本発明はまた、ＵＳＢツリー内でのＵＳＢホストからＵＳＢデバイスまでの信号の伝搬時間を測定する装置を提供し、この装置は、前記ＵＳＢツリー内のＵＳＢデバイスの１つからなるマスタＵＳＢデバイスと；ＵＳＢデータトラフィック内での特定の信号構成の生成と、所定のシーケンスでの前記特定の信号構成の前記ＵＳＢデバイスへの送信とを行う信号ジェネレータ又はルートハブと；前記マスタＵＳＢデバイスを用いて前記ＵＳＢトラフィックを、前記特定の信号構成及び前記応答信号に関して監視する信号モニタと；前記マスタＵＳＢデバイスにおいて前記イベントトリガ信号間の時間間隔を測定するタイマと；を備え、この装置によって、前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスまでの伝搬時間を、前記時間間隔から求めることができる。

さらにまた本発明は、共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスの間での電気信号又はデータ構造体の相対的な伝搬遅延を求める装置を提供し、この装置は、前述したように前記ＵＳＢデバイスのそれぞれと前記ＵＳＢホストの間のそれぞれの伝搬時間を求める装置と；基準ＵＳＢデバイスと前記複数の前記ＵＳＢデバイスのそれぞれとの間の前記伝搬時間の差を求める計算手段と；を備え、前記基準ＵＳＢデバイスは前記ＵＳＢデバイスのうちの１つからなる。

本発明は、一実施形態において、ＵＳＢツリーを介して共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを、実質的に同相、かつ、実質的に同じ周波数になるように同期させる装置を提供し、この装置は、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれの前記ローカルクロックを、前述したように、実質的に同じ周波数にロックさせる装置と；基準ＵＳＢデバイスを基準として、前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスのそれぞれまでの信号の相対的な伝搬遅延を求めることと、前述したように、前記基準ＵＳＢデバイスの前記ローカルクロックを基準として、前記複数のＵＳＢデバイスのそれぞれの前記ローカルクロックの相対位相を求めることとを行い、前記基準ＵＳＢデバイスが前記ＵＳＢデバイスのうちの選択された１つからなる装置と；前記ＵＳＢツリー全体の前記複数のローカルクロックを実質的に同相にするために必要な、前記ローカルクロックのそれぞれの時間調整量又は位相オフセット量を求めるタイマと；を備える装置であって、前記装置は、前記時間調整量又は位相オフセット量の前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスへの送信と、それぞれの前記時間調整量又は位相オフセット量に従う、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおける前記ローカルクロックの位相調整とを行うように構成される。

本発明によれば、ホストに大きな計算負荷をかけることなく、許容される範囲の任意の数のＵＳＢデバイスが同期動作及びトリガ動作することを可能にするメカニズムを実現することができ、ＵＳＢ仕様を補うことができる。これにより、ホストに、制御、データ転送、ロギング、解析など、他の作業を行わせることが可能になる。

従来技術による例示的なＵＳＢデバイスの概略図である。 従来技術のＵＳＢティアードスタートポロジの概略図である。 本発明の第１の実施形態による同期ＵＳＢ回路の概略図である。ここでは、デバイスに同期情報が渡される。 本発明の第２の実施形態による同期ＵＳＢ回路の概略図である。ここでは、ＵＳＢトラフィックが監視され、ＵＳＢデバイスのローカルクロック信号が、位相及び周波数において、ＵＳＢ ＳＯＦパケットにロックされる。 図５Ａは本発明の第３の実施形態による同期ＵＳＢ回路の概略図である。ここでは、複数のデバイスのそれぞれのローカルクロックの相対位相を制御するために、特定のトランザクションに関連付けられたＡＣＫパケットの往復遅延時間が測定される。図５Ｂは、図５Ａのトランザクションのデバイス６２に関するタイミング図である。図５Ｃは、図５Ａのトランザクションのデバイス６０に関するタイミング図である。 本発明の第４の実施形態による同期ＵＳＢ回路の概略図である。ここでは、ＵＳＢを監視し、ローカルクロックからの信号を、位相及び周波数において、ＵＳＢのＳＯＦパケットにロックさせる回路が設けられている。 本発明の実施形態の組み合わせによる、追加のコネクタ配線を行わずに同期を実現する同期ＵＳＢ回路の一例の、簡略化した概略図である。 本発明の複数の実施形態を組み合わせた、追加のコネクタ配線を行わずに同期を実現する、複雑な同期ＵＳＢ回路の概略図である。 本発明の実施形態の組み合わせによる同期ＵＳＢ回路の別の例の、簡略化した概略図である。ここでは、コネクタ配線を追加して同期を実現している。 本発明の実施形態の組み合わせによる同期ＵＳＢ回路のさらに別の例の、簡略化した概略図である。図８の回路と似ているが、より複雑である。 図１０の例の変形形態の、簡略化した概略図である。

本発明をより明確に把握できるようにするために、例として、いくつかの実施形態について、添付図面の参照とともに説明する。

本発明の第１の実施形態では、デバイスに同期情報を渡す。図３は、デジタル制御されるトランスデューサ１２を含むＵＳＢデバイス１０'（図１のデバイスと似ているため、同様の機能を指すために同様の参照符号を用いた）の概略図である。しかしながら、この実施形態では、トリガ信号及びクロック信号を含む同期情報を外部ソースから供給するチャネルを含めるために電線の数を増やしている。

同期情報（トリガ信号及びクロック信号を含む）は、外部ソース２４からバスコントローラ１４に供給される。これによって、同期チャネル２０からトランスデューサ１２に供給される同期情報に、外部から供給された同期情報が含まれる。

このように、デバイス１０'は、他のデバイスに関して同期情報を生成するロジック又は回路を含まない。

ＵＳＢ通信は、フレームと呼ばれる１ミリ秒の一定間隔の間にデータを転送することに基づく。各フレームの開始時に（したがって、１ｋＨｚの周波数で）、ほとんどの低速デバイスにフレーム開始（ＳＯＦ）パケットが送信される。したがって、ＳＯＦパケットは、ホストの１つの共通ＵＳＢポートに接続されているすべてのデバイスにとって、低分解能の同期信号となる。そこで、本発明の第２の実施形態では、ＵＳＢトラフィックを監視し、ＵＳＢデバイスのローカルクロック信号を、位相及び周波数において、ＵＳＢ ＳＯＦパケットにロックさせる。

当業者にはよく知られているが、ＵＳＢ仕様では、バスの制御機能及び管理機能のためのパケットヘッダとして使用される、「トークン」と呼ばれる、複数の固有のデータ構造体を定義している。ＳＯＦパケットは一意のデジタル署名を有するため、バス上に同様に存在しうる他のデータと区別されることが可能である。この実施形態では、ロジック回路又は整合フィルタを用いて、ＳＯＦトークンを構成しているビットシーケンスをデコードし、ＵＳＢ上に存在するすべてのＳＯＦパケットにタイミング信号を供給することができる。ＳＯＦは、特定の周波数で発生し、存在するすべてのデバイスに共通であるため、ＳＯＦ及びデコードされたタイミング信号は、すべてのデバイスで、共通の周波数基準として使用できる。ＳＯＦの１ｋＨｚと異なる周波数を発生させる場合は、位相ロックループ（ＰＬＬ）を利用して、ローカル発振器の周波数及び位相をＳＯＦ及びタイミング信号にロックさせることができる。このことには、ＰＬＬを用いると、ＳＯＦ到着時刻のジッタを平均化できるという付加的な利点がある。したがって、ローカル発振器の周波数は、ＳＯＦパケットの周波数と異なっていなくてもよい。

図４に示す第２の実施形態の方法では、ＵＳＢ４０を通るトラフィックを監視し、すべてのＳＯＦパケットをデコードする回路を用いる。ローカル制御されるクロック発振器４２からの信号Φは、位相及び周波数において、ＵＳＢの１ｋＨｚのＳＯＦパケットにロックされる。このためにはまず、クロック発振器４２からの信号Φをクロック分周器４６でＳＯＦパケットの周波数まで分周する必要がある（たとえば、１ＭＨｚの出力周波数を１ｋＨｚに分周する）。ＳＯＦパケットが（公称１ｋＨｚで）到着すると、整合フィルタ４８からクロック同期信号５０が位相検知器５２に送られる。位相検知器５２は、フィルタ５６を介して、制御対象のクロック発振器４２に接続されている。

ローカルクロック信号Φは、その後、ＵＳＢデバイスのトランスデューサ回路に供給され、これによって、ルートハブに接続されているすべてのデバイスが同じ周波数にロックされる。

この実施形態では、任意の高い周波数の安定したクロック信号を生成することが可能である（たとえば、確率的ジッタが数ナノ秒程度である数十メガヘルツのクロック周波数を生成できる）。したがって、この実施形態により、特定のＵＳＢに接続された各デバイスのローカルクロックの周波数を同期させることができる。ただし、この実施形態では、それらのクロックの同時性が考慮されていない。各クロックの周波数と位相は、受信したＳＯＦトークンにロックされるが、各デバイスがＳＯＦパケットを受信するタイミングは、ランダムに接続されたＵＳＢスタートポロジの信号伝搬時間の違いのために、実質的に異なる。複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを（すべてのクロックが同相となるように）同期させるには、ホストから各デバイスまでの前記信号伝搬時間がわかっていなければならない。

第３の実施形態では、複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを任意の精度で同期させる。電気的遅延やケーブル遅延に起因する、異なるデバイスのローカルクロック間の位相差を取得して補償するために、ＵＳＢツリー内の種々の接続点でＵＳＢトラフィックを監視し、特定のＵＳＢ通信トランザクションの伝搬時間を測定する。この実施形態では、存在する各デバイスについて、ホストからデバイスまでの特定のデータパケットと、このデータパケットに関連付けられた、デバイスからのＵＳＢ肯定応答ＡＣＫトークンの往復伝搬遅延時間を測定する。この情報を用いて、各デバイスのローカルクロックの相対位相を制御し、それによって、接続されているすべてのＵＳＢデバイスを任意の精度で互いに同期させる。

ＵＳＢ仕様では、２つのデバイスのローカル時刻が最大で３８０ナノ秒異なってもよいとされている。しかしながら、２つの独立したデバイスが同じイベントの実時間を正確に記録するためには、それらのローカル時刻が事実上任意の精度で特定されなければならない。

図５Ａは、ＵＳＢチェーン６４内の異なる点に接続されている２つのデバイス６０及び６２を示している。ＵＳＢチェーン６４にはまた、ＵＳＢホストコントローラ６６と複数の７ポートＵＳＢハブ６８も含まれている。デバイス６０及び６２は、両方とも、同じ周期的ＳＯＦ信号を受信し、それぞれが独自にそれぞれのローカルクロックの周波数と位相をそのＳＯＦ信号にロックさせている。ただし、ＵＳＢホストコントローラ６６とデバイス６２の間にあるＵＳＢハブ６８の数が多いことによるトポロジカルな時間遅延のために、デバイス６２は、デバイス６０より遅れてＳＯＦパケットを受信する。この時間差を時間遅延の測定結果から算出し、補正する必要がある。

デバイス６０の接続点の具体的な場所は、それが、図５Ａに記号「Ａ」で示すように、デバイス６０が自身及びデバイス６２のバストラフィックをデコードできるような位置でありさえすれば、重要ではない（つまり、デバイス６０は、同期が必要なすべてのデバイスのバストラフィックをデコードできなければならない）。したがって、デバイス６０の接続点は、図５Ａに示すように、ＵＳＢツリー又はチェーンの実質的に最上位付近であることが好ましい。

前記往復伝搬遅延時間を測定するために、ホストとデバイス６２の間でＵＳＢトランザクションを実行する。デバイス６０は、ツリー内の点「Ａ」でＵＳＢトラフィックを監視し、トランザクションのダウンストリームデータパケットと応答データパケットの通過を検知する。それによって、デバイス６０は、図５Ａの点「Ａ」における、ホストからデバイス６２へのダウンストリーム信号（トランザクションの開始）の検知と、デバイス６２からホストへの応答信号（トランザクションの終了）の検知との時間間隔を求めることが可能になる。好ましい実施形態では、デバイス６２からホストへの応答信号は、トランザクション肯定応答ＡＣＫパケットのＡＣＫトークンである。

点「Ａ」を基準とする、ホストとデバイス６０の間のＵＳＢトランザクションの往復伝搬遅延時間も、同様の方法で求めることができる。デバイス６０とデバイス６２において周波数ロックされたクロックの間の、接続トポロジに基づく時間的位相シフトの量は、同じ点「Ａ」を基準とする、２つのデバイスの往復伝搬遅延時間の差のほぼ半分になる。したがって、デバイス６２において周波数ロックされたクロックは、その量だけ、デバイス６０において周波数ロックされたクロックより位相が遅れている。デバイス６０及び６２におけるクロックを、周波数と位相の両方において同期させるには、前記量に対応する位相オフセットをいずれかのクロックに施さなければならない。これは、デバイス６０に対してローカルなクロック信号に位相遅延を施すことによって行われることが最も多い。

この方法を、図５Ｂ及び５Ｃでさらに説明する。図５Ｂは、図５Ａのトランザクションの、デバイス６２に関するタイミング図であり、図５Ｃは、図５Ａのトランザクションの、デバイス６０に関するタイミング図である。デバイス６０及び６２のそれぞれに対して、ＵＳＢトランザクションは、Ｔ_{Start X}の時点で開始され、デバイスがＡＣＫパケットを返すＴ_{ACK X}の時点で終了する（いずれの場合もＸはデバイス番号を表す）。これらのトランザクションは同時には開始されないが、図は、トランザクションの相対的な継続時間を示すために、Ｔ_{Start X}を基準として配置されている。デバイス６０は、図５Ａの検知点「Ａ」に非常に近いため、往復伝搬遅延時間がデバイス６２の場合より著しく短い。伝搬時間の差をΔＴで示す。したがって、２つの周波数ロックされたクロックの間の位相オフセットは、（１/２）ΔＴになる。

当業者であれば、必要な位相補正量を求める方法がほかにもあることは明らかであろう。また、当業者であれば、ローカルクロック周波数を発生させ、往復伝搬遅延時間又は片方向伝搬遅延時間を求めるために使用できる他のＵＳＢデータプロトコルとして、任意のＵＳＢ制御及び管理パケットトークン（すなわち、ＳＯＦ、ＩＮ、ＯＵＴ、ＡＣＫ、ＮＡＫ、ＰＲＥ、ＳＴＡＬＬ、ＤＡＴＡ０、ＤＡＴＡ１）、ＵＳＢデータパケット内のビットパターンの任意のプログラマブルシーケンス、任意のユーザ定義データ構造体、ＵＳＢ仕様で定義されている任意の信号プロトコルなどがあり、これらに限定されないことを理解されよう。

ここまで、ＵＳＢデバイスのローカル発振器の位相及び周波数をロックさせて多数の多種多様なＵＳＢデバイスの同期動作を実現する手法について説明した。このローカル発振器は、連続変調を発生させる。ＵＳＢデバイスはまた、特定の操作シーケンスを時間的に同期させることを必要とされる場合がある。これを実現するために、ＵＳＢデバイスは、いわゆる共通トリガ信号を必要とする。このトリガ信号を、周波数ロックされたローカル発振器と組み合わせて用いることによって、複数の独立したＵＳＢデバイスの完全な同期動作を実現できる。

第４の実施形態では、所定の時刻にトランスデューサをトリガするために、エンコードされたフレーム番号を含むＳＯＦパケットを用いて、特定デバイス上のトランスデューサに対する同期トリガ信号を生成する。ただし、ＵＳＢ接続トポロジが原因で、ＳＯＦパケットの到着時刻がデバイス間で異なる可能性があり、さらに、ＵＳＢ仕様では、位相ロックされたローカル発振器に対して許容されているＳＯＦパケット周波数の時間ジッタがかなり大きい。このため、クロックの位相が１周期の何分の１かずれる可能性がある。しかし、トリガ信号は、ローカル発振器と同相でなければならない。

ジッタの問題を除去するために、ＳＯＦ信号はローカル発振器の出力でラッチされる。このラッチによって、ＳＯＦトリガ要求の到着が記憶されるが、トリガ信号が生成されるのは、ローカル発振器の状態が次に変化したときである。異なるデバイス間のトリガ時刻の誤差は、デバイスのローカルクロック周波数と制御ループの特性の関数であって、任意に小さくすることができる。

そこで、図６の概略図で示される回路７０では、ＵＳＢ７２を監視し、ローカルクロック７４からのクロック信号Φを、（必要に応じてクロック分周器７６で出力周波数を１ｋＨｚまで下げ、）位相及び周波数において、ＵＳＢ７２の１ｋＨｚのＳＯＦパケットにロックさせる。第１の整合フィルタ８０は、前記ローカルクロック７４を（図４と同様に）周波数ロック及び位相ロックするために、ＳＯＦパケットが到着した時点でクロック同期信号８２を出力し、第２の整合フィルタ８４は、特定のフレーム番号を有するＳＯＦパケットが到着した時点でトリガ要求信号８６を出力する。図４の回路と同様に、この回路もフィルタ９０と位相検知器９２を含む。トリガ要求信号は、ローカルに安定化されたローカルクロック信号Φでラッチされ、それによって同期トリガ信号「Ｔｒｉｇ」が生成される。

第５の実施形態では、回路及びロジックを用いて、各国の標準（ＮＩＳＴやＮＡＴＡなど）にトレーサブルな周波数でＵＳＢデバイスに同期信号を供給する。これは、たとえば、ルートハブを含む任意のハブのクロック及び／又は水晶振動子を、国家標準にトレーサブルな周波数基準に置き換えることによって実現される。

第６の実施形態では、ＵＳＢバックプレーンを設けて、接続可能なデバイスに、電力、ＵＳＢ信号、コネクタ、及び同期情報を供給する。

ＵＳＢバックプレーンは、その最も複雑な形態では、自己給電式デバイス用としてＵＳＢに追加する電力、多数の多種多様なポートを提供するハブ回路、複数のホットプラグ可能デバイス接続点を提供するポートに関連付けられた複数のコネクタ、及びＵＳＢ仕様を満たすＵＳＢ信号を含む。ＵＳＢバックプレーンはさらに、前述の様々な手法ならびに電源オン／オフシーケンスを用いて周波数、位相、トリガを含む同期情報を整理及び提供するために、マイクロプロセッサなどのロジック要素、プログラマブルアレイ、デジタル電子回路、及びアナログ電子回路を含むこともできる。バックプレーンは、１つ又は複数のハブに加えて、そのハブによって提供されるＵＳＢポートの１つに接続されたデバイスを含むこともできる。あるいは、バックプレーンは、ハブ機能と同期機能を提供する複合デバイスであることも可能である。これらにより、同期情報を、運用中に測定したり、プログラムしたりできる。

[実施例]
上記の各実施形態は、様々な形で用いることができる。ただし、それらは、ＵＳＢコネクタ端子に同期端子を追加するデバイスとそうでないデバイスとに分けることができる。さらに、第２から第５までの実施形態のロジック要素を、ＵＳＢデバイス上に配置したり、バックプレーン上に配置したり（バックプレーンソリューションが必要な場合）、その両方に配置したり、まったく配置しなかったりできる。

用途ごとの要件に応じて、バックプレーンソリューションの実装が必要な場合と必要でない場合があることは理解されよう。また、デバイスに追加電力を供給する必要があるかどうかも用途によって決まる。

同期用コネクタ配線を追加しない場合
追加同期信号に依存しない、本発明によるシステムの利点は、デバイスがその情報に依存せずに同期動作できるために、任意のスタンドアロンホストで普通のハブを使用できることである。そのようなシステムは、非常に精度の高い同期を必要とするデバイスにも拡張できる。図７では、そのようなシステムの例を９６として概略的に示している。９６は、アップストリームＵＳＢポート９８と複数のバックプレーンハブデバイス１００及び１０２（この例ではそれぞれがバックプレーン１０４上の７ポートＵＳＢハブ）を有する。１００及び１０２は、複数のデバイス１０６に追加電力を任意に供給できる。各デバイス１０６は、前述の第２の実施形態に従って周波数ロック及び位相ロックされたローカルクロックを含むことができる。バックプレーン１０４とハブ１００及び１０２は、デバイス１０８及び第３の実施形態の文脈において前述した手法を用いて（それぞれのケーブル長がＵＳＢ仕様の範囲内でランダムである）デバイス１０６間の位相差を調節する機能を有する。さらに、各デバイス１０６は、第３の実施形態の文脈において前述した手法に従って動作するローカルクロック用位相シフトジェネレータを含む。

図８は、多数の同期ＵＳＢデバイスを含む複雑なシステムを９６として概略的に示している。アップストリームポート１１１は、ホストからのＵＳＢ情報を受信する。システム１１０は、複数のバックプレーン１１２、１１３、１１４を含み、各バックプレーンは２つのバックプレーンハブデバイス１１５を備える。各バックプレーンハブデバイス１１５は、７ポートＵＳＢハブを備え、複数のデバイス１１６に追加電力を任意に供給できる。各デバイス１１６は、前述の第２の実施形態に従って周波数ロック及び位相ロックされたローカルクロックを含むことができる。また、第１の（又はマスタ）バックプレーン１１２はさらに、（図７と同様に）追加の回路又はロジック要素１１７を有し、要素１１７及び第３の実施形態の文脈において前述した手法を用いて（それぞれの接続トポロジが異なる）デバイス１１６間の位相差を調節する機能を有する。さらにまた、各デバイス１１６は、第３の実施形態の文脈において前述した手法を用いてローカルクロックを位相シフトする位相シフトジェネレータを含む。ダウンストリームポート１１８には、ＵＳＢ仕様で定義されている最大数である１２７個までのデバイス及び／又はハブ及び／又はバックプレーンを追加接続できる。

さらに、アップストリームルートハブから供給される周波数を、第５の実施形態に従って周波数基準を用いて発生させることができ、第４の実施形態の方法を用いて任意のトリガ信号を発生させることができる。

同期用追加コネクタ配線
前述した各実施形態に従う方法の最もシンプルな例は、ＵＳＢ及び同期情報を収容する独自のコネクタか、ＵＳＢコネクタと別個の同期リンクとを介して、すべてのデバイスを共通同期信号に接続することによって実現できる。同期情報はＵＳＢトラフィックに依存しないため、任意の周波数を用いることには特に問題はない。同期情報の媒体としては、無線手段、電気的手段、光ファイバ手段などを任意に用いることができる。図９は、そのような回路の実用的な例を１２０として概略的に示している。回路１２０は、本質的に、それぞれが図７の回路に相当する回路の対を含み、７ポートＵＳＢハブ１２４を介して２４個のＵＳＢデバイス１２２が接続されるようになっている。そしてこれらのデバイスを、アップストリームＵＳＢポート１２６を介してＰＣに接続できる。ＵＳＢ接続トポロジは、同期信号には何ら影響を及ぼさない。同期信号は、別個に、周波数Φの外部クロック１２８からデバイスに供給される。したがって、デバイス１２２は、（ＵＳＢ要件と追加接続とを収容する）１つのコネクタか、標準ＵＳＢコネクタ及び１つ又は複数の追加コネクタを介してＵＳＢ及び同期信号に接続される。

この例のより複雑な形態では、追加のロジック要素を含むバックプレーンが用いられ、このロジック要素が、正確な制御を行い、接続されているすべてのデバイスの周波数と位相をロックする。このような構成では、前述した第２及び第３の実施形態の方法に従い、バックプレーンのロジック要素がＵＳＢトラフィックを監視し、それぞれ独自のローカルクロックを発生させる。この、バックプレーンが発生させたクロックは、前述した１つ又は複数のバックプレーンコネクタを介して、接続されている各ＵＳＢデバイスに分配される。

図１０は、そのような構成を１３０として概略的に示している。各デバイス１３２は、ＵＳＢ仕様を補う追加コネクタ端子１３６（電気的、無線、又は光ファイバ）を介して回路１３４に接続されている。一例として、この回路は、様々なモジュールが接続されるバックプレーン１３８に配置できる。このバックプレーン１３８はさらに、１つ又は複数の７ポートＵＳＢハブ１４０を含む。回路１３４は、（第２の実施形態に従い）ＵＳＢアップストリームポート１４２においてＵＳＢをフレーム開始信号に関して監視し、その内部クロックの周波数及び位相をフレーム開始信号にロックさせる。回路１３４はさらに、ＵＳＢトポロジに起因する遅延を補正するために、着信クロック信号を任意に遅延させることができる（第３の実施形態を参照）。その内部クロックは、追加コネクタ端子を介して各デバイス１３２で利用できる。このようにして、すべてのデバイス１３２が、同期すべき共通クロック信号を受け取る。

これまで示した各図では、同期回路をハブと分離して描いていることに注目されたい。これに対し、図１１で１５０として示した別の変形形態では、１つのハブが、（ＵＳＢアップストリームポート１５４に接続され、）拡張ポート１５６及び同期回路１５８の両方を含む複合デバイス１５２になっている（同期回路１５８は、第２の実施形態に従ってローカルクロック信号を発生させ、第３の実施形態の手法を用いてローカルクロックを位相シフトさせて他のデバイスとの同期をとる）。これにより、（これまで説明した例と比較して）第２のハブ１６２のポート１６０が自由になり、図１１に示したシンプルな構成では、最大１３個のデバイス１６４を接続できる。

また、ＵＳＢ仕様では、ハブ当たりのポート数が７に制限されていないことにも注意されたい。したがって、図１０では、１つのハブ１４０が、たとえば１２個のポートをサービスするようにできる。

当業者であれば、本発明の趣旨及び範囲を逸脱しない修正を容易に行うことができよう。したがって、本発明は、ここまで例として説明してきた具体的な実施形態に限定されないことを理解されたい。本明細書の目的のためには、「含む（備える）」という語が「含む（備える）が、それに限定されない」という意味であることを理解されたい。

さらに、本明細書における従来技術の参照はすべて、それらの従来技術が共通一般知識の一部を形成する（又は形成した）ように示すことを意図したものではない。

１０’ 同期ユニバーサルシリアルデバイス
１２ トランスジューサ
１４ バスコントローラ
１６ デジタルＩ／Ｏバス転送回路
１８ マイクロプロセッサ
２０ 同期チャンネル
２２ デジタルバス
２４ 外部ソース

Claims (41)

1. ＵＳＢトラフィックを監視し、かつ、ＵＳＢデバイスのローカルクロック信号をＵＳＢデータトラフィックに含まれる周期的な信号にロックさせる回路を備えた同期マルチチャネルユニバーサルシリアルバス。
2. 前記回路が、位相若しくは周波数、又は位相と周波数の両方について、前記ローカルクロック信号を前記周期的な信号にロックさせる請求項１記載のユニバーサルシリアルバス。
3. 前記回路が、周期的なデータ構造体をデコードし、前記周期的なデータ構造体にロックするよう動作する請求項１記載のユニバーサルシリアルバス。
4. 前記回路が、ＵＳＢ Ｓｔａｒｔ ｏｆ Ｆｒａｍｅ（フレーム開始）パケットトークンをデコードし、前記ＵＳＢ Ｓｔａｒｔ ｏｆ Ｆｒａｍｅ（フレーム開始）パケットトークンにロックするよう動作する請求項３記載のユニバーサルシリアルバス。
5. マルチチャネルユニバーサルシリアルバスを同期させる方法であって、
   ＵＳＢトラフィックを監視するステップと；
   ＵＳＢデバイスのローカルクロック信号をＵＳＢデータトラフィックに含まれる周期的な信号にロックさせるステップと；を備え、
   前記ロックさせるステップを、位相若しくは周波数、又は位相と周波数の両方について行う方法。
6. ＵＳＢツリー内の個々のＵＳＢデバイスの相対位相を取得するために、前記ツリー内の複数の点でＵＳＢトラフィックを監視し、かつ、複数の個別パケットのそれぞれの往復遅延時間を測定する回路を備える同期マルチチャネルユニバーサルシリアルバス。
7. 前記回路が、特定のトランザクションに関連付けられたＡＣＫパケットの往復遅延時間を測定し、それによって、接続されているすべてのＵＳＢデバイスが同期するよう各デバイスのローカルクロックの相対位相を制御できるように動作する請求項６記載のユニバーサルシリアルバス。
8. マルチチャネルユニバーサルシリアルバスを同期させる方法であって、
   ＵＳＢツリー内の複数の点でＵＳＢトラフィックを監視するステップと；
   複数の個別パケットのそれぞれの往復遅延時間を測定するステップと；
   前記それぞれの往復遅延時間から前記ツリー内の個々のＵＳＢデバイスの相対位相を求めるステップと；を備え、
   前記個々のＵＳＢデバイスのそれぞれの位相オフセットを前記求めた相対位相に従って調整できる方法。
9. 同じＵＳＢツリー内にある複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを、実質的に同じ周波数にロックさせる方法であって、
   ＵＳＢデータトラフィック内で送信する特定の信号構成を生成又は指定するステップと；
   前記特定の信号構成を所定のシーケンスで前記ＵＳＢデバイスに送信するステップと；
   前記ＵＳＢデバイスに対してローカルなＵＳＢ信号を、前記特定の信号構成に関して監視するステップと；
   前記特定の信号構成から、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおけるローカル基準信号を生成するステップと；
   前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおける前記ローカルクロック信号の周波数を所定の精度で前記ローカル基準信号にロックさせるステップと；を備えた方法。
10. 前記特定の信号構成が、ＵＳＢ仕様で定義されたＵＳＢ Ｓｔａｒｔ ｏｆ Ｆｒａｍｅ（フレーム開始）パケットトークンシーケンスである請求項９記載の方法。
11. 前記特定の信号構成が、前記ＵＳＢデバイスに送信されたコマンドシーケンスか、前記ＵＳＢデバイスに送信されたデータシーケンスである請求項９記載の方法。
12. 前記特定の信号構成のそれぞれに対して前記ローカル基準信号を生成するステップをさらに含む請求項９記載の方法。
13. 実質的にすべての前記特定の信号構成に対して前記ローカル基準信号を生成するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
14. 前記ローカルクロックの周波数が、前記ローカル基準信号の周波数と実質的に同じである請求項９記載の方法。
15. 前記ローカルクロック信号のそれぞれを前記基準信号に前記ロックさせるステップにより、ホストと各ＵＳＢデバイスの間での純粋なデータ転送に必要とされる以上の安定性を有する周波数を発生させる請求項９記載の方法。
16. 前記ＵＳＢデバイスを、実質的に同じ長さのケーブルで共通のＵＳＢハブに接続することにより、前記ＵＳＢデバイスを任意の精度で受動的に同期させるステップをさらに含む請求項９記載の方法。
17. ＵＳＢツリー内でのＵＳＢホストからＵＳＢデバイスまでの信号の伝搬時間を測定する方法であって、
    前記ＵＳＢツリー内でマスタＵＳＢデバイスを指定するステップと；
    ＵＳＢデータトラフィック内で送信する特定の信号構成を生成又は指定するステップと；
    前記特定の信号構成を所定のシーケンスで前記ＵＳＢデバイスに送信するステップと；
    前記マスタＵＳＢデバイスを用いて、前記ＵＳＢトラフィックを、前記特定の信号構成及び前記ＵＳＢデバイスからの特定の応答信号に関して監視するステップと；
    前記特定の信号構成のデコード結果に対応する、前記マスタＵＳＢデバイスに対してローカルなイベントトリガ信号を生成するステップと；
    前記ＵＳＢデバイスからの応答信号のデコード結果に対応する、前記マスタＵＳＢデバイスに対してローカルなイベントトリガ信号を生成するステップと；
    前記マスタＵＳＢデバイスにおいて前記イベントトリガ信号間の時間間隔を測定するステップと；
    前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスまでの伝搬時間を、前記時間間隔から求めるステップと；を備える方法。
18. 前記マスタＵＳＢデバイスが、前記ＵＳＢツリーの最上位付近に接続されている請求項１７記載の方法。
19. 前記特定の信号構成を前記所定のシーケンスで前記ＵＳＢデバイスに送信するステップをさらに含む請求項１７記載の方法。
20. 前記特定の信号構成が、ＯＵＴトークン、ＩＮトークン、ＡＣＫトークン、ＮＡＫトークン、ＳＴＡＬＬトークン、ＰＲＥトークン、ＳＯＦトークン、ＳＥＴＵＰトークン、ＤＡＴＡ０トークン、ＤＡＴＡ１トークン、又はプログラマブルシーケンスビットパターンをＵＳＢデータパケットに含む請求項１７記載の方法。
21. 前記ＵＳＢデバイスが複数のＵＳＢデバイスのうちの１つであり、前記方法が、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれに対するそれぞれの伝搬時間を求めるステップを含み、前記求めるステップには、複数の前記求めた伝搬時間を統計分析して前記伝搬遅延測定の精度を向上させるステップが含まれる請求項１７記載の方法。
22. 共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスの間での電気信号又はデータ構造体の相対的な伝搬遅延を求める方法であって、
    請求項１７記載の方法に従って前記ＵＳＢデバイスのそれぞれと前記ＵＳＢホストの間のそれぞれの伝搬遅延を求めるステップと；
    前記ＵＳＢデバイスの１つを時間的基準デバイスとして指定するステップと；
    前記時間的基準デバイスと前記複数の前記ＵＳＢデバイスのそれぞれとの間の前記伝搬遅延の差を求めるステップと；を備える方法。
23. ＵＳＢツリーを介して共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを、実質的に同相、かつ、実質的に同じ周波数になるように同期させる方法であって、
    請求項９に記載の方法に従って、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを実質的に同じ周波数にロックさせるステップと；
    請求項１７に記載の方法に従って、前記ＵＳＢデバイスのうちの選択された１つを基準とする、前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスのそれぞれまでの信号の相対的な伝搬遅延を求め、前記ＵＳＢデバイスのうちの前記選択された１つが基準ＵＳＢデバイスとして指定されるステップと；
    請求項２２に記載の方法に従って、前記基準ＵＳＢデバイスの前記ローカルクロックを基準とする、前記複数のＵＳＢデバイスのそれぞれの前記ローカルクロックの相対位相を求めるステップと；
    前記ＵＳＢツリー全体の前記複数のローカルクロックを実質的に同相にするために必要な、前記ローカルクロックのそれぞれの時間調整量又は位相オフセット量を求めるステップと；
    前記時間調整量又は位相オフセット量を前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスに送信するステップと；
    それぞれの前記時間調整量又は位相オフセット量に従って前記ＵＳＢデバイスのそれぞれに対して前記ローカルクロックの位相調整を実施するステップと；を備える方法。
24. 前記ＵＳＢデバイスの少なくともいくつかのそれぞれのローカルクロックの位相が必要量だけシフトされ、その結果、多数の様々なＵＳＢデバイスが既知の相対位相のローカルクロックを有する請求項２３記載の方法。
25. 共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスにおける１つ又は複数のプロセスを、所定のトリガコマンドに従って同期的にトリガして開始又は停止する方法であって、
    請求項２３に記載の方法に従って前記ＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを同期させるステップと；
    トリガ要求及び前記トリガコマンドをそれぞれ表す所定のトリガ要求信号及び所定のトリガコマンド信号をＵＳＢデータトラフィック内で送信するステップと；
    前記ＵＳＢデバイスのそれぞれに対してローカルな前記ＵＳＢデータトラフィックを、前記トリガ要求信号及び前記トリガコマンド信号に関して監視するステップと；
    前記ＵＳＢデバイスが前記トリガ要求を実質的に同時に実行に移すよう前記ＵＳＢデバイスを準備するために、前記ＵＳＢホストを用いて開始トリガ要求信号を前記ＵＳＢデバイスのそれぞれに送信するステップと；
    前記ＵＳＢデバイスが前記トリガ信号の受信後ただちに前記プロセスを実行するよう準備することによって前記開始トリガ要求信号に応答するよう前記ＵＳＢデバイスを構成するステップと；
    前記ＵＳＢホストが前記複数の前記ＵＳＢのそれぞれに対して前記トリガコマンドを発行するよう前記ＵＳＢホストを構成するステップと；
    前記ＵＳＢデバイスを用いて前記トリガコマンドをデコードするステップと；
    前記ＵＳＢデバイスが前記プロセスを実質的に同時に実行するよう前記ＵＳＢデバイスを構成するステップと；を備え、
    前記ＵＳＢデバイス内の１つ又は複数のプロセスを、前記ＵＳＢホストからの前記トリガコマンド信号の受信後ただちに開始又は停止する方法。
26. 前記トリガ要求信号が、ＵＳＢ仕様で定義されたＵＳＢパケット信号構成、前記ＵＳＢデバイスに送信されたコマンドシーケンス、前記ＵＳＢデバイスに送信されたデータシーケンスのいずれかを含む請求項２５記載の方法。
27. 前記トリガ要求信号及び前記トリガコマンド信号を所定のシーケンスで送信するステップを含む請求項２５記載の方法。
28. 前記トリガコマンド信号が、ＵＳＢ仕様で定義されたＵＳＢパケット信号構成、前記ＵＳＢデバイスに送信されたコマンドシーケンス、前記ＵＳＢデバイスに送信されたデータシーケンスのいずれかを含む請求項２５記載の方法。
29. 前記ローカルＵＳＢデコードデバイスが、前記ＵＳＢ内のデータ構造体をデコードすることが可能なマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又は他の任意の要素である請求項２５記載の方法。
30. 前記トリガ要求信号が、ＯＵＴトークン、ＩＮトークン、ＡＣＫトークン、ＮＡＫトークン、ＳＴＡＬＬトークン、ＰＲＥトークン、ＳＯＦトークン、ＳＥＴＵＰトークン、ＤＡＴＡ０トークン、ＤＡＴＡ１トークン、又はプログラマブルシーケンスビットパターンをＵＳＢデータパケットに含む請求項２５記載の方法。
31. 前記開始トリガ要求信号が、ＯＵＴトークン、ＩＮトークン、ＡＣＫトークン、ＮＡＫトークン、ＳＴＡＬＬトークン、ＰＲＥトークン、ＳＯＦトークン、ＳＥＴＵＰトークン、ＤＡＴＡ０トークン、ＤＡＴＡ１トークン、又はプログラマブルシーケンスビットパターンをＵＳＢデータパケットに含む請求項２５記載の方法。
32. 前記トリガコマンドが、ＵＳＢ仕様で定義されている信号プロトコルを用いて前記ＵＳＢトラフィックにエンコードされる請求項２５記載の方法。
33. 前記ＵＳＢデバイスのそれぞれが、外部ソースからクロック信号を受信する請求項９記載の方法。
34. 前記クロック信号が、追加の電気的コネクタ又は光コネクタ、あるいは無線手段を介して受信される請求項３３記載の方法。
35. 同じＵＳＢツリー内にある複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを、実質的に同じ周波数にロックさせる装置であって、
    ＵＳＢデータトラフィック内での特定の信号構成の生成と、所定のシーケンスでの前記特定の信号構成の前記ＵＳＢデバイスへの送信と、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおける前記特定の信号構成からのローカル基準信号の生成とを行う信号ジェネレータと：
    前記ＵＳＢデバイスに対してローカルなＵＳＢ信号を、前記特定の信号構成に関して監視する信号モニタと：を備え、
    前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおける前記ローカルクロック信号の前記周波数を所望の精度で前記ローカル基準信号にロックさせることができる装置。
36. ＵＳＢツリー内でのＵＳＢホストからＵＳＢデバイスまでの信号の伝搬時間を測定する装置であって、
    前記ＵＳＢツリー内のＵＳＢデバイスの１つからなるマスタＵＳＢデバイスと；
    ＵＳＢデータトラフィック内での特定の信号構成の生成と、所定のシーケンスでの前記特定の信号構成の前記ＵＳＢデバイスへの送信とを行う信号ジェネレータ又はルートハブと；
    前記マスタＵＳＢデバイスを用いて前記ＵＳＢトラフィックを、前記特定の信号構成及び前記応答信号に関して監視する信号モニタと；
    前記マスタＵＳＢデバイスにおいて前記イベントトリガ信号間の時間間隔を測定するタイマと；を備え、
    前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスまでの伝搬時間を、前記時間間隔から求めることができる装置。
37. 共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスの間での電気信号又はデータ構造体の相対的な伝搬遅延を求める装置であって、
    請求項３６に記載したように前記ＵＳＢデバイスのそれぞれと前記ＵＳＢホストの間のそれぞれの伝搬時間を求める装置と；
    基準ＵＳＢデバイスと前記複数の前記ＵＳＢデバイスのそれぞれとの間の前記伝搬時間の差を求める計算手段と；を備え、
    前記基準ＵＳＢデバイスが前記ＵＳＢデバイスのうちの１つからなる装置。
38. ＵＳＢツリーを介して共通のＵＳＢホストに接続された複数のＵＳＢデバイスのそれぞれのローカルクロックを、実質的に同相、かつ、実質的に同じ周波数になるように同期させる装置であって、
    前記ＵＳＢデバイスのそれぞれの前記ローカルクロックを、請求項３５に記載したように、実質的に同じ周波数にロックさせる装置と；
    基準ＵＳＢデバイスを基準として、前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスのそれぞれまでの信号の相対的な伝搬遅延を求めることと、請求項３７に記載したように、前記基準ＵＳＢデバイスの前記ローカルクロックを基準として、前記複数のＵＳＢデバイスのそれぞれの前記ローカルクロックの相対位相を求めることとを行い、前記基準ＵＳＢデバイスが前記ＵＳＢデバイスのうちの選択された１つからなる装置と；
    前記ＵＳＢツリー全体の前記複数のローカルクロックを実質的に同相にするために必要な、前記ローカルクロックのそれぞれの時間調整量又は位相オフセット量を求めるタイマと；を備え、
    前記時間調整量又は位相オフセット量の前記ＵＳＢホストから前記ＵＳＢデバイスへの送信と、それぞれの前記時間調整量又は位相オフセット量に従う、前記ＵＳＢデバイスのそれぞれにおける前記ローカルクロックの位相調整とを行うように構成された装置。
39. 請求項５、及び、請求項８乃至３４に記載の方法を実行可能な、共通のＵＳＢハブのいずれの接続点においても複数のＵＳＢデバイスを同期状態にする、装置。
40. 請求項５、及び、請求項８乃至３４に記載の方法を実行可能な、共通のＵＳＢハブのいずれの接続点においても一つ又は複数のＵＳＢデバイスをリアルタイム動作させる、装置。
41. 請求項５、及び、請求項８乃至３４に記載の方法を実行可能な、共通のＵＳＢハブのいずれの接続点においても一つ又は複数のＵＳＢデバイスによりリアルタイム自動制御及びデータ収集機能を提供する、装置。

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