TWI497306B - 超高速通用序列匯流排集線器及其相關流量管理方法 - Google Patents

超高速通用序列匯流排集線器及其相關流量管理方法 Download PDF

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Description

超高速通用序列匯流排集線器及其相關流量管理方法
本發明是有關於一種集線器及其控制方法，且特別是一種超高速通用序列匯流排(USB)集線器及其相關流量管理方法。
通用序列匯流排(USB)已經廣泛的使用於電子產品中。基本上，USB元件(device)可以連接至USB主機(Host)，使得USB主機得以控制USB元件，並且接收或傳送USB元件產生的資料。
USB集線器(USB Hub)，可連接於USB主機與USB元件之間，使得USB主機可以控制更多的USB元件。請參照第1圖，其所繪示為習知USB集線器示意圖。USB集線器100包括一上傳正面埠(upstream port)102、一控制單元104、一複製與轉交器(repeater/forwarder)106、與N個元件埠(device port)121~12N。其中，上傳正面埠102係連接至USB主機，而N個元件埠121~12N可選擇性地連接至N個USB元件。其中，複製與轉交器106連接至控制單元104、上傳正面埠102、與N個元件埠(device port)121~12N，並且該USB集線器100係為USB 2.0規格的集線器。而USB 2.0規格又稱為高速(High Speed)USB。
基本上習知USB集線器100係以廣播(Broadcast)機制來傳輸USB主機產生的封包(packet)。舉例來說，假設USB集線器100***N個USB元件，當USB主機產生一第一 封包經由上傳正面埠102傳遞至複製與轉交器106時，複製與轉交器106會複製N個第一封包並傳遞至N個元件埠121~12N。
由於第一封包中包括一USB位置欄(address field)，可對應至N個USB元件其中之一。因此，沒有對應到的USB元件，在接收到該第一封包後並不會有任何動作。相反地，對應到的USB元件(例如第一USB元件)即可根據該第一封包中的內容來與USB主機進行交易回應(transaction respond)。再者，當USB主機在等待上述第一USB元件的交易回應時，USB主機並不會發出新的封包。
由以上的說明可知，USB主機需要等到USB元件的交易回應後才會產生新的封包，所以習知USB集線器100本身無法任意阻擋(block)主機所產生的封包。一旦有封包被USB集線器100所阻擋，USB元件將無法產生交易回應，而主機也無法產生新的封包。因此，習知以廣播(Broadcast)機制來傳遞封包的USB集線器100並無法進行任何的流量管理。
本發明的目的是提出一種超高速通用序列匯流排集線器，連接於一主機與多個元件之間，包括：一上傳正面埠，連接至該主機；多個元件埠連接至該些元件；一交易分配單元，接收該主機輸出的複數個封包，其中該些封包至少包括複數個下傳封包以及一集線器指令封包；一下傳緩衝器，暫存該些下傳封包；一集線器封包分析單元，接 收該集線器指令封包，其中當該集線器指令封包係為一流量管理指令時，根據該流量管理指令產生一選擇目標以及一控制模式；流量控制單元，根據該選擇目標以及該控制模式，來管理該下傳緩衝器中該些下傳封包中即將傳遞至該選擇目標的下傳封包；以及一傳送單元，接收該流量控制單元所輸出的該些下傳封包傳遞至對應的該些元件埠。
本發明係有關於一種運用於超高速通用序列匯流排集線器的流量管理方法，包括下列步驟：分析接收的一集線器指令封包，以決定一選擇目標以及一控制模式；暫存複數個下傳封包於一下傳緩衝器；以及，根據該控制模式來管理該下傳緩衝器中該些下傳封包中即將傳遞至該選擇目標的下傳封包。
本發明係有關於一種超高速通用序列匯流排集線器，連接於一主機與多個元件之間，包括：一上傳正面埠，連接至該主機；多個元件埠連接至該些元件；一交易分配單元，接收該主機輸出一集線器指令封包；一上傳緩衝器，暫存該些元件所輸出之複數個上傳封包；一集線器封包分析單元，接收該集線器指令封包，其中當該集線器指令封包係為一流量管理指令時，根據該流量管理指令產生一選擇目標以及一控制模式；以及，流量控制單元，根據該選擇目標以及該控制模式，來管理該上傳緩衝器中該選擇目標產生且即將傳遞至該主機的上傳封包。
本發明係有關於一種運用於超高速通用序列匯流排集線器的流量管理方法，包括下列步驟：分析接收的一集線器指令封包，以決定一選擇目標以及一控制模式；暫存 複數個上傳封包於一上傳緩衝器；以及，根據該控制模式來管理該上傳緩衝器中由該選擇目標所產生且即將傳遞至一主機標的上傳封包。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
USB 3.0又稱為超高速(Super Speed)USB，且根據USB 3.0的規格，USB 3.0主機可以連續產生多個封包至USB元件埠以進行多個交易。因此，本發明的USB 3.0集線器並非利用習知廣播(Broadcast)機制來傳遞USB主機產生的封包。本發明利用路由(routing)機制來傳遞封包，以控制每個元件埠的流量管制。詳細說明如下。
請參照第2圖，其所繪示為本發明USB 3.0集線器第一實施例示意圖。本發明USB集線器200包括：一上傳正面埠202、N個元件埠221~22N、一交易分配單元210、集線器封包分析單元(Hub local packet parser)212、流量控制單元214、下傳緩衝器(downstream buffer)230、傳送單元(forwarding unit)232。其中，上傳正面埠202係連接至USB主機(例如USB 3.0主機)，而N個元件埠221~22N可選擇性地連接至N個USB元件。再者，本發明係利用USB集線器200來暫時阻擋下傳至特定USB元件的封包，或者暫時阻擋上傳至USB主機的封包以控制其流量。
由於USB 3.0主機不需要等到USB元件的交易回應後即可產生新的封包。也就是說，USB 3.0可以產生多個 封包進行多個交易。交易分配單元210可接收USB主機所輸出的多個封包，並根據封包的檔頭來決定該封包係為傳遞至USB埠的下傳封包或者是傳送至集線器200的集線器指令封包。當交易分配單元210確認接收的封包係為下傳封包，需要下傳至USB元件時，則該下傳封包會被暫存於下傳緩衝器230中。反之，當交易分配單元210確認接收的封包係為集線器指令封包，需要傳送至集線器200時，則該封包會被傳遞至集線器封包分析單元212中。
當集線器封包分析單元212接收到集線器指令封包並且確認封包中的指令為流量管理指令時，則會將其控制參數傳遞至流量控制單元214。其中，控制參數中包含一選擇目標(selected target)與控制模式(control mode)，此選擇目標可為任意的一個元件埠或者上傳正面埠。
根據本發明的實施例，流量控制單元214會控制下傳緩衝器230中傳遞至選擇目標(或特定元件埠)的下傳封包，達成流量管理的目的。再者，傳送單元232根據接收到的下傳封包，傳遞至特定元件埠所連接的USB元件。
換句話說，當下傳緩衝器230中暫存多個下傳封包時，利用流量控制單元214的管制，使得選擇目標(特定元件埠)上的USB元件的交易受到控制，進而達成流量管理的目的。
請參照第3A圖與第3B圖，其所繪示為決定選擇目標之二個範例。假設集線器可以串接四級，而四個集線器310、320、330、340中各包括四個元件埠。如第3A圖與第3B圖所示，第一USB極限器310的上傳正面埠318可 連接至USB主機；第二USB極限器320的上傳正面埠328連接第一USB極限器310的第一元件埠311；第三USB極限器330的上傳正面埠338連接第二USB極限器320第二元件埠332；以及，第四USB極限器340的上傳正面埠348連接第三USB極限器330的第三元件埠333。
基本上，USB主機利用路由串列(route String)的規則來決定流量控制的選擇目標，例如：路由串列為[0xdcba]時其中a代表第一USB集線埠310上的元件埠號碼；b代表第二USB集線埠320上的元件埠號碼；c代表第三USB集線埠330上的元件埠號碼；d代表第四USB集線埠340上的元件埠號碼。再者，當a、b、c、或d出現數字0時，代表該集線器的上傳正面埠。
如第3A圖所示，假設主機發出集線器指令封包，其檔頭中包括[0x0321]的指示。其中，最後數字“1”代表連接於第一USB集線器310第一元件埠311的第二USB集線器320；倒數第二個數字“2”代表連接於第二USB集線器320的第二元件埠322的第三USB極限器330；倒數第三個數字“3”代表連接於第三USB集線器330的第三元件埠333的第四USB極限器340；倒數第四個數字“0”代表第四USB集線器340的上傳正面埠348。亦即，選擇目標為第四USB集線器340的上傳正面埠348。同理，如第3B圖所示，假設主機發出封包，其檔頭中包括[0x4321]的指示。與上述相同的規則，選擇目標為第四USB集線器340的第四元件埠344。
亦即，當選擇目標為第四USB集線器340的上傳正 面埠348時，係控制經過第四USB集線器340上傳正面埠348的資料量。當選擇目標為第四USB集線器340的第四元件埠344時，係控制經過第四USB集線器340第四元件埠的資料量。
當決定選擇目標之後，流量控制單元322會開始進行流量管理。亦即，流量管理指令中的參數除了選擇目標之外，也包括控制模式。本發明的控制模式可區分為最大頻寬模式(Max Bandwidth mode)、最小頻寬模式(Min Bandwidth mode)、與偵測阻斷時間模式(Block Timing detect mode)。以下詳細說明之：
請參照第4A圖，其所繪示為最大頻寬模式的控制流程示意圖。首先，確認選擇目標(步驟S402)；接著，在單位時間內(例如10ms)，計算該選擇目標的封包資料量(data amount of packagc)(步驟S404)；接著，當單位時間內的封包資料量大於一預定最大資料量時(步驟S406)，阻擋(block)該選擇目標的封包(步驟S408)；反之，當單位時間內的封包資料量未大於該預定最大資料量時(步驟S406)，繼續傳送該選擇目標的封包(步驟S410)。之後，繼續回到步驟S404計算下一個單位時間的該選擇目標的封包資料量。
由第4A圖的說明可知，最大頻寬模式係限制選擇目標的最大資料傳輸量無法超過預定最大資料量。換句話說，當單位時間之內，通過選擇目標的資料量已經超過預定最大資料量時，則流量控制單元214將暫時阻檔下傳緩衝器230中該選擇目標的封包，以控制通過選擇目標的資 料量小於預定最大資料量。
請參照第4B圖，其所繪示為最小頻寬模式的控制流程示意圖。首先，確認選擇目標(步驟S422)；接著，在單位時間內(例如10ms)，計算該選擇目標的封包資料量(步驟S424)；接著，當單位時間內的封包資料量小於一預定最小資料量時(步驟S426)，優先傳送下傳緩衝器中新接收到該選擇目標的封包(步驟S428)；反之，當單位時間內的封包資料量未小於該預定最小資料量時(步驟S426)，繼續傳送該選擇目標的封包(步驟S430)。之後，繼續回到步驟S424計算下一個單位時間的該選擇目標的封包資料量。
由第4B圖的說明可知，最小頻寬模式係限制選擇目標的最小資料傳輸量需要大於預定最小資料量。亦即，當單位時間之內，通過選擇目標的資料量已經大於預定最小資料量時，則持續繼續傳送該選擇目標的封包，使得通過通過選擇目標的資料量大於該預定資料量。如果無法大於預定最小資料量時，代表下傳緩衝器230中已經沒有該選擇目標的封包。因此，只要下傳緩衝器230中新接收到該選擇目標的封包時，流量控制單元214即以最高的優先權傳遞該選擇目標的封包，盡可能的讓選擇目標的資料量大於該預定最小資料量。
請參照第4C圖，其所繪示為偵測阻斷時間模式的控制流程示意圖。首先，確認選擇目標(步驟S452)；接著，將單位時間內(例如10ms)區分為一阻斷時間週期(例如7ms)與一通行時間週期(例如3ms)(步驟S453)；接著，於單位時間內的阻斷時間週期時(步驟S454)，阻擋(block)該 選擇目標的封包(步驟S456)；反之，未於單位時間內的阻斷時間週期時(步驟S454)，繼續傳送該選擇目標的封包(步驟S458)。之後，繼續回到步驟S454進行下一個單位時間的計時。
由第4C圖的說明可知，偵測阻斷時間模式係在單位時間內計時阻斷時間週期以及通行時間週期。而選擇目標的封包僅能夠在通行時間週期時傳送。也就是說，流量控制單元214利用設定的阻斷時間週期以及通行時間週期來控制通過選擇目標的資料量。
本發明的目的第一實施例係根據主機所產生的流量管理指令來決定選擇目標並據以控制其封包的下傳資料流量。當然，非選擇目標的封包可以用任何的方式來進行控制，例如以先進先出的方式由下傳緩衝器輸出這些非選擇目標的封包，不需要有特定的流量控制。
請參照第5圖，其所繪示為本發明USB 3.0集線器第二實施例示意圖。本發明USB集線器300包括：一上傳正面埠502、N個元件埠521~52N、一交易分配單元510、集線器封包分析單元512、流量控制單元514、上傳緩衝器(upstream buffer)530。其中，上傳正面埠503係連接至USB主機(例如USB 3.0主機)，而N個元件埠521~52N可選擇性地連接至N個USB元件。再者，本發明係利用USB集線器500來控制特定USB元件上傳至USB主機的上傳封包以控制其流量。
同理，交易分配單元510可接收USB主機所輸出的流量管理指令以決定選擇目標與控制模式，並據以管理資 料流量。而選擇目標可以是第3A圖中的任一個元件埠或者上傳正面埠，其決定方法不再贅述。
根據本發明的實施例，所有USB元件的上傳封包皆會暫存於上傳緩衝器530。而流量控制單元514會控制上傳緩衝器530中選擇目標(或特定元件埠)輸出的上傳封包，達成流量管理的目的。換句話說，當上傳緩衝器530中暫存多個上傳封包時，利用流量控制單元514的管制，使得選擇目標(特定元件埠)上的USB元件的交易受到控制，進而達成流量管理的目的。
當決定選擇目標之後，流量控制單元510會開始進行流量管理。亦即，流量管理指令中的參數除了選擇目標之外，也包括控制模式。而控制模式與上述內容相同可區分為最大頻寬模式、最小頻寬模式、與偵測阻斷時間模式。由於其控制流程非常類似，因此不再贅述。
換句話說，本發明的第二實施例係根據主機所產生的流量管理指令來決定選擇目標並據以控制其上傳封包的資料流量。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧USB集線器
102‧‧‧上傳正面埠
104‧‧‧控制單元
106‧‧‧複製與轉交器
121~12N‧‧‧元件埠
200‧‧‧USB集線器
202‧‧‧上傳正面埠
210‧‧‧交易分配單元
212‧‧‧集線器封包分析單元
214‧‧‧流量控制單元
221~22N‧‧‧元件埠
230‧‧‧下傳緩衝器
232‧‧‧傳送單元
310、320、330、340‧‧‧USB集線器
311~314、321~324、331~334、341~344‧‧‧元件埠
500‧‧‧USB集線器
502‧‧‧上傳正面埠
510‧‧‧交易分配單元
512‧‧‧集線器封包分析單元
514‧‧‧流量控制單元
5221~52N‧‧‧元件埠
530‧‧‧下傳緩衝器
第1圖所繪示為習知USB集線器示意圖。
第2圖所繪示為本發明USB 3.0集線器第一實施例示意圖。
第3A圖與第3B圖所繪示為決定選擇目標之二個範例。
第4A圖至第4C圖所繪示為各種控制模式的控制流程示意圖。
第5圖所繪示為本發明USB 3.0集線器第二實施例示意圖。
200‧‧‧USB集線器
202‧‧‧上傳正面埠
210‧‧‧交易分配單元
212‧‧‧集線器封包分析單元
214‧‧‧流量控制單元
221~22N‧‧‧元件埠
230‧‧‧下傳緩衝器
232‧‧‧傳送單元

Claims (16)

  1. 一種超高速通用序列匯流排集線器，連接於一主機與多個元件之間，包括：一上傳正面埠，連接至該主機；多個元件埠連接至該些元件；一交易分配單元，連接至該上傳正面埠以接收該主機輸出的複數個封包，其中該些封包至少包括複數個下傳封包以及一集線器指令封包，且該交易分配單元可決定該些封包係為該些下傳封包或者該指令封包；一下傳緩衝器，連接至該交易分配單元以暫存該交易分配單元所送出的該些下傳封包；一集線器封包分析單元，連接至該交易分配單元以接收該交易分配單元所送出的該集線器指令封包，其中當該集線器指令封包係為一流量管理指令時，根據該流量管理指令產生一選擇目標以及一控制模式；一流量控制單元，連接至該下傳緩衝器與該集線器封包分析單元，用以根據該選擇目標以及該控制模式來管理該下傳緩衝器中該些下傳封包中即將傳遞至該選擇目標的下傳封包；以及一傳送單元，連接至該流量控制單元與該些元件埠，用以接收該流量控制單元所輸出的該些下傳封包傳遞至對應的該些元件埠。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之集線器，其中該控制模式包括一最大頻寬模式，於一單位時間內，計算即將 傳遞至該選擇目標的下傳封包的一資料量，當該資料量大於一預定最大資料量時，阻擋該選擇目標的下傳封包；以及，當該資料量未大於該預定最大資料量時，傳送該選擇目標的下傳封包。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之集線器，其中該控制模式包括一最小頻寬模式，於一單位時間內，計算即將傳遞至該選擇目標的下傳封包的一資料量，當該資料量未小於一預定最小資料量時，傳送該選擇目標的下傳封包；以及，當該資料量小於該預定最小資料量時，優先傳送該下傳緩衝器新接收到傳遞封包至該選擇目標的下傳封包。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之集線器，其中該控制模式包括一偵測阻斷時間模式，在一單位時間內設定一阻斷時間週期，並且於該單位時間內的阻斷時間周期時，阻擋該選擇目標的下傳封包；以及，於該單位時間內的非阻斷時間周期時，傳送該選擇目標的下傳封包。
  5. 一種運用於超高速通用序列匯流排集線器的流量管理方法，包括下列步驟：分析接收的一集線器指令封包，以決定一選擇目標以及一控制模式；暫存複數個下傳封包於一下傳緩衝器；以及根據該控制模式來管理該下傳緩衝器中該些下傳封包中即將傳遞至該選擇目標的下傳封包。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之流量管理方法，其中該控制模式更包括下列步驟：於一單位時間內，計算即將傳遞至該選擇目標的下傳封包的一資料量；當該資料量大於一預定最大資料量時，阻擋該選擇目標的下傳封包；以及當該資料量未大於該預定最大資料量時，傳送該選擇目標的下傳封包。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之流量管理方法，其中該控制模式更包括下列步驟：於一單位時間內，計算即將傳遞至該選擇目標的下傳封包的一資料量；當該資料量未小於一預定最小資料量時，傳送該選擇目標的下傳封包；以及當該資料量小於該預定最小資料量時，優先傳送該下傳緩衝器新接收到傳遞至該選擇目標的下傳封包。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之流量管理方法，其中該控制模式更包括下列步驟：在一單位時間內設定一阻斷時間週期；於該單位時間內的阻斷時間周期時，阻擋該選擇目標的下傳封包；以及於該單位時間內的非阻斷時間周期時，傳送該選擇 目標的下傳封包。
  9. 一種超高速通用序列匯流排集線器，連接於一主機與多個元件之間，包括：一上傳正面埠，連接至該主機；多個元件埠連接至該些元件；一交易分配單元，連接至該上傳正面埠以接收該主機輸出一集線器指令封包；一上傳緩衝器，連接至該些元件埠以暫存該些元件所輸出之複數個上傳封包；一集線器封包分析單元，連接至該交易分配單元以接收該交易分配單元所送出的該集線器指令封包，其中當該集線器指令封包係為一流量管理指令時，根據該流量管理指令產生一選擇目標以及一控制模式；以及一流量控制單元，連接至該集線器封包分析單元、該上傳正面埠與該上傳緩衝器，用以根據該選擇目標以及該控制模式，來管理該上傳緩衝器中該選擇目標產生且即將傳遞至該主機的上傳封包。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之集線器，其中該控制模式包括一最大頻寬模式，於一單位時間內，計算該選擇目標產生且即將傳遞至該主機的上傳封包的一資料量，當該資料量大於一預定最大資料量時，阻擋該選擇目標的上傳封包；以及，當該資料量未大於該預定最大資料量時，傳送該選擇目標的上傳封包。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之集線器，其中該控制模式包括一最小頻寬模式，於一單位時間內，計算該選擇目標產生且即將傳遞至該主機的一資料量，當該資料量未小於一預定最小資料量時，傳送該選擇目標的上傳封包；以及，當該資料量小於該預定最小資料量時，優先傳送該上傳緩衝器新接收到由該選擇目標所產生的上傳封包。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之集線器，其中該控制模式包括一偵測阻斷時間模式，在一單位時間內設定一阻斷時間週期，並且於該單位時間內的阻斷時間周期時，阻擋該選擇目標的上傳封包；以及，於該單位時間內的非阻斷時間周期時，傳送該選擇目標的上傳封包。
  13. 一種運用於超高速通用序列匯流排集線器的流量管理方法，包括下列步驟：分析接收的一集線器指令封包，以決定一選擇目標以及一控制模式；暫存複數個上傳封包於一上傳緩衝器；以及根據該控制模式來管理該上傳緩衝器中由該選擇目標所產生且即將傳遞至一主機標的上傳封包。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之流量管理方法，其中該控制模式更包括下列步驟： 於一單位時間內，計算該選擇目標產生且即將傳遞至該主機的上傳封包的一資料量；當該資料量大於一預定最大資料量時，阻擋該選擇目標的上傳封包；以及當該資料量未大於該預定最大資料量時，傳送該選擇目標的上傳封包。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之流量管理方法，其中該控制模式更包括下列步驟：於一單位時間內，計算該選擇目標產生且即將傳遞至該主機的一資料量；當該資料量未小於一預定最小資料量時，傳送該選擇目標的上傳封包；以及當該資料量小於該預定最小資料量時，優先傳送該上傳緩衝器新接收到由該選擇目標所產生的上傳封包。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之流量管理方法，其中該控制模式更包括下列步驟：在一單位時間內設定一阻斷時間週期；於該單位時間內的阻斷時間周期時，阻擋該選擇目標的上傳封包；以及於該單位時間內的非阻斷時間周期時，傳送該選擇目標的上傳封包。
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