USB2.0控制器CY7C68013特點與應(yīng)用
關(guān)鍵詞：USB2.0 高速模式 端點
本刊2002年到2、3期已對EZ-USB單片機的介紹。本文在此只重點介紹USB2.0的特殊之處以及芯片CY7C68013的主要特點。*
1 USB2.0的主要特點
USB協(xié)議的2.0版本于2000年4月推出。支持以下3種速度模式：
低速模式（low speed） 1.5Mb/s；
全速模式（full speed） 12Mb/s
高速模式（high speed） 480Mb/s
USB2.0協(xié)議支持現(xiàn)存的所有USB設(shè)備，既可以把USB1.1設(shè)備插入USB1.1的PC機接口，并且在電氣上兼容USB1.1的連接線。
1.1 數(shù)據(jù)包
USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的類型用稱之為Packet Ids（PIDs）的特定代碼來定義。USB包中共有4種PID類型，如表1所列。
表1 USB2.0的數(shù)據(jù)包類型
| PID類型 | PID名稱 |
| 令牌 | IN，OUT，SOF，SETUP |
| 數(shù)據(jù) | DATA0，DATA1，DATA2，MDATA |
| 握手 | ACK，NAK，STALL，NYET |
| 特殊類型 | PRE，ERR，SPLIT，PIN |
注：黑體字表示USB2.0增加的PID類型。
在全速模式時，每個OUT傳輸發(fā)送OUT數(shù)據(jù)包，不考慮外設(shè)是否處于“忙”狀態(tài)而不能接收數(shù)據(jù)。針對這種浪費帶寬的情況，在高速模式時推薦使用新的PID類型“PING”。主機先對OUT端點發(fā)出個較短的“PING”令牌，訪問當(dāng)前外設(shè)是否有數(shù)據(jù)文憑間來存放OUT的數(shù)據(jù)包。僅僅當(dāng)外部設(shè)備回答“ACK”時，主機才發(fā)送較長OUT數(shù)據(jù)包。
SETUP鄰牌只用于控制傳輸。它數(shù)據(jù)包中的前8個字節(jié)。通過這8個字節(jié)，外設(shè)對主機的設(shè)備請求進行譯碼。
SOF令牌代表一個USB幀的開始。
ACK（Acknowlegde）表示成功，數(shù)據(jù)接收無誤。
NAK（Negavite Acknowlegde）表示忙，得發(fā)。這并不是出錯，USB外設(shè)沒有應(yīng)答表示出錯。
STALL表示未知錯誤，外設(shè)未能理解主機發(fā)出的設(shè)備請求，可能是外設(shè)端出錯，或是主機訪問并存在的資源。USB協(xié)議提供了從stall狀態(tài)恢復(fù)的方法。
NYET（Not Yet）類似于ACK，表示數(shù)據(jù)接收無誤，并且指出外設(shè)還沒準(zhǔn)備好接收下一個OUT數(shù)據(jù)包。NYET PID只用于在高速模式。
其它PID詳見參考文獻[1]。
1.2 幀結(jié)構(gòu)
USB主機每毫秒向所有的USB設(shè)備發(fā)送1上SOF包（Start of Frame），以此來提供時間基準(zhǔn)。SOF包括1個自增的11位幀序號。FX2隨時可以從寄存器中讀出這個范圍在[0～2047]的幀序號。
地高速模式下（480Mb/s），每個1ms長的幀被分成了8個125μs長的微幀。每個微幀也都由一個SOF包開始。幀序號還是每個毫秒自增1次，所以這8個微幀都含有相同的幀序號。為了區(qū)別每個微幀F(xiàn)X2提供1個只讀的微幀計數(shù)器，并且FX2能在收到SOF包時產(chǎn)生1個中斷請求，即在全速模式下1ms/次，高速模式下125μs/次。
1.3 傳輸類型
為了適用480 Mb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，USB.0協(xié)議擴大了各種傳輸類型數(shù)據(jù)包長度，與USB1.1的對照如表2所列。
表2 USB2.0與USB1.1數(shù)據(jù)包長度的對照
| 傳輸類型 | 數(shù)據(jù)包度/B | |
| USB1.1 | USB2.0 | |
| 控制傳輸 | 8，16，32，64 | 64 |
| 塊傳輸 | 8，16，32，64 | 512 |
| 中斷傳輸 | 1～64 | 1024 |
| 同步傳輸 | 1023 | 1024 |
1.4 高速模式和全速模式的檢測
USB2.0規(guī)范要求高速設(shè)備必須能在全速模式下枚舉。每個高速設(shè)備都在全速模式下開始枚舉過程。當(dāng)與主機達成“Chirp”協(xié)議后設(shè)備再切換到高速工作模式下。詳細內(nèi)容見參考文獻[1]第7章。FX2能自動檢測高速主機，并切換到高速模式下。
1.5 傳輸性能分析
以USB硬盤為例分析USB2.0的高速傳輸性能。
圖1為USB2.0與硬盤接口的帶寬分析。
每分轉(zhuǎn)速7200帶有2MB緩存的ATA100硬盤，接口數(shù)據(jù)傳輸速率可達100MB/s，可持續(xù)的有效傳輸速率只有39MB/s。
USB2.0在每個上微幀中最大可傳輸13個塊傳輸包，而每個微幀長固定為125μs，所以其最大傳輸速率為：512×13×8×1000=53MB/s。
2 EX-USB FX2的主要特點
2.1 芯片結(jié)構(gòu)
EZ-USB FX2芯片包括1個8051處理器、1個串行接口引擎（SIE）、1個USB收發(fā)器、8.5KB片上RAM、4KB FIFO存儲器以及1個通用可編程接口（GPIF），如圖2所示。FX2是一個全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開發(fā)時間。
EZ-USB FX2擁有1個獨特的架構(gòu)，其中包括1個智能串行接口引擎（SIE）。它執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU解放出來以用于實現(xiàn)專用的功能，并保證其持續(xù)的高性能的傳輸速率。FX2還包括2個通用可編程接口（GPIF），允許它“無膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進行連接，并且它還支持所有通用總線標(biāo)準(zhǔn)，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。EZ-USB FX2完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。
FX2有3種封裝形式：56腳 SOPP、100腳的TQFF（薄形四方扁平封裝）、128腳的TQFP。引腳數(shù)的區(qū)別在于輸入、輸出引腳數(shù)的不同，以針對不同的應(yīng)用要求。
2.2 結(jié)構(gòu)特點
當(dāng)大部分USB1.1器件都需要微控制器參與數(shù)據(jù)從端點FIFOs到應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)移，如圖3所示。顯然，微控制器本身的工作頻率在相當(dāng)程度上限制了帶寬的進一步提高。雖然在12Mb/s的全速模式下，這種限制并不明顯，但當(dāng)速度提升至480 Mb/s時，在成本嚴格控制下微控制器就必然成為整個系統(tǒng)的帶寬并頸。
EZ-USB FX2提供了一種獨持架構(gòu)，使USB接口和應(yīng)用環(huán)境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)试S以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO，如圖4所示。這種被稱之為“量子FIFO”（Quantum FIFO）的處理架構(gòu)，較好地解決了USB高速模式的帶寬問題。
具體來說，如圖5所示，USB執(zhí)行OUT傳輸，將EP2端點設(shè)成512字節(jié)重FIFO（如2.3小節(jié)所述）。在USB端和外部接口端都并不知道有四重FIFO?？磥?，USB端只要有1個FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)膠操作的FIFO寫“滿”時，F(xiàn)X2自動將其轉(zhuǎn)換到外部接口端，排除等候讀??；并將USB接口隊列中下一個為“空”的FIFO轉(zhuǎn)移到USB接口上，供其繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。外部接口端與此類似，只要1有個FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作的FIFO讀“空”時，F(xiàn)X2自動將其轉(zhuǎn)換到USB接口端，排除等候?qū)懭?；并將外部接口隊列中下一個為“滿”的FIFO轉(zhuǎn)移到外部接口上，供其繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。
2.3 端點緩存
USB協(xié)議定義了端點作為數(shù)據(jù)的接收器和發(fā)送器。
主機發(fā)送4個bit的地址和1個bit的方向來選擇端點，因此USB最多可有32個端點定義：IN0～IN15和OUT0～OUT15。
FX2定義了7個端點，在高速模式下的端點緩存結(jié)構(gòu)如圖6所示。EP0IN&OUT、EP1IN、EP1OUT是64byte的端點緩存。EP0是默認的控制傳輸端點，既是IN端點也是OUT端點。EP1IN、EP1OUT支持塊、中斷和同步傳輸。EP0、EP1IN和EP1OUT只能由FX2的固件訪問；而EP2、4、6和8無需固件干涉即可同片外互傳高速數(shù)據(jù)。
FX2端點配置方式非常靈活。EP2、4、6和8是大容量高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸端點，可設(shè)為IN或OUT端點的一種，能配置成多種形式以適應(yīng)帶寬需要。在圖6中，每一列代表1種配置方式。帶陰影的方框可包括2、3、4個512或1024字節(jié)的緩存，分別表示端點可配置成雙重、三重和四重緩存。雙緩存是指USB可以讀或?qū)?個數(shù)據(jù)包，而另一個數(shù)據(jù)包（同一個端點內(nèi)另一個緩沖存儲器中的）可供外部接口操作；三重緩存加了第3個數(shù)據(jù)包存儲器可供USB和外部接口需要的一方使用；四重緩存增加了第4個數(shù)據(jù)包存儲器。多緩存的結(jié)構(gòu)以在讀寫雙方速度相似時有效地改善帶寬，平滑帶寬抖動，減少雙方的互相等待時間。
3 EZ-USB FX2的接口方式
FX有2種接口方式：Slave FIFOs和可編程接口GPIF。
Slave FIFOs方式是從機方式，外部控制器可像普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進行讀寫。FX2的Slave FIFOs工作方式可設(shè)為同步或異步；工作時鐘可選為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入；其它控制信號也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效。
可編程接口GPIF是主機方式，可以軟件編程讀寫控制波形，幾乎可以對任何8/16 bit接口的控制器、存儲器和總線進行數(shù)據(jù)的主動讀寫，非常靈活。
4 EZ-USB FX2的開發(fā)工具
如同EZ-USB系列的其它控制器一樣，Cypress公司對FX2也提供了較為完備的開發(fā)套件CY3681。它包括帶128腳CY7C68013的硬件開發(fā)板和相應(yīng)的控制面板（Control panel）、GPIF代碼自動生成軟件（GPIFTool）以及固件方面豐富的例子和大量的幫助文檔?？梢员M量節(jié)省學(xué)習(xí)時間，加快開發(fā)速度。
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