USB2.0特性及USB單片機(jī)

一、 USB總線簡(jiǎn)介

通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是由Intel等廠商制定的連接計(jì)算機(jī)與具有USB接口的多種外設(shè)之間通信的串行總線。目前，帶USB接口的設(shè)備越來(lái)越多，如鼠標(biāo)、鍵盤、數(shù)碼相機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀、攝像機(jī)、電視及視頻抓取盒、音箱等。

USB總線最多可支持127個(gè)USB外設(shè)連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。USB的拓?fù)涫菢湫谓Y(jié)構(gòu)，有1個(gè)USB根集線器（root hub），下面還可有若干集線器。1個(gè)集線器下面可接若干USB接口。USB線纜包括4條線：Vbus(USB電源)、D+（數(shù)據(jù)）、D-（數(shù)據(jù)）和 Gnd(USB地)。線纜最大長(zhǎng)度不超過(guò)5m。USB1.1的傳輸速率最高為12Mb/s（低速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速率為1.5Mb/s，高速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速率為 12Mb/s）。圖1是典型的USB功能器件結(jié)構(gòu)框圖，圖2是高速外設(shè)的USB線纜與電阻的連接圖。圖2中：F?S為全速（高速）；LS為低速；R1=15kΩ，R2=1?5kΩ。USB外設(shè)可以采用計(jì)算機(jī)里的電源（+5V，500mA），也可外接USB電源。在所有的USB信道之間動(dòng)態(tài)地分配帶寬是USB總線的特征之一，這大大地提高了USB帶寬的利用率。當(dāng)一臺(tái)USB外設(shè)長(zhǎng)時(shí)間（3ms以上）不使用時(shí)，就處于掛起狀態(tài)，這時(shí)只消耗 0.5mA電流。按USB1.0/1.1標(biāo)準(zhǔn)，USB的標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘頻率為12MHz，而其總線時(shí)脈沖時(shí)鐘為1ms（1kHz），即每隔1ms，USB器件應(yīng)為USB線纜產(chǎn)生1個(gè)時(shí)鐘脈沖序列。這個(gè)脈沖系列稱為幀開始數(shù)據(jù)包（SOF）。高速外設(shè)長(zhǎng)度為每幀12000bit(位)，而低速外設(shè)長(zhǎng)度只有每幀 1500bit。1個(gè)USB數(shù)據(jù)包可包含0~1023字節(jié)數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳送都以1個(gè)同步字段開始。

二、USB 2?0特性

2000年生產(chǎn)的PC主機(jī)幾乎都有了USB插口，最新的PC機(jī)還有USB集線器（Hub）和4~6個(gè)USB插口。USB集線器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。但這些還是不能滿足對(duì)高速外設(shè)的要求。最近推出了USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，其速度比USB1.0/1.1快40倍，達(dá)480Mb/s。使USB推廣到硬盤、電纜調(diào)制解調(diào)器、信息家電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和其他的快速外設(shè)成為可能。一些公司已開發(fā)出支持USB2.0的產(chǎn)品，其中，Cypress半導(dǎo)體公司是USB控制器的帶頭者。該公司已開發(fā)出了稱為EZ|USB FX2的單芯片USB2.0。

1 設(shè)計(jì)USB2.0系統(tǒng)的兩種方法

（1） 多芯片方法

多芯片和ASIC（專用集成電路）方法：使用多芯片方法需要購(gòu)買USB2.0收發(fā)器和串行接口引擎（SIE），并把收發(fā)器（作為一種外設(shè)）與單片機(jī)相連接。這時(shí)，單片機(jī)要處理許多USB協(xié)議。自然，用建有芯片系統(tǒng)的ASIC并在它上面集成有全部必需的部件，這樣能獲得更高的集成度，但是，這樣需要面對(duì)應(yīng)用和如何使用USB2.0兩方面的工作。這意味著設(shè)計(jì)者需要做更大的努力，并且產(chǎn)品上市時(shí)間長(zhǎng)。此方法的好處是最終部件的價(jià)格低，因此對(duì)大批量生產(chǎn)是有價(jià)值的。

（2） 單芯片方法

EZ-USB FX2的單芯片內(nèi)有USB2.0物理層（PHY）電路和基于該公司的EZ|USB FX結(jié)構(gòu)的8051單片機(jī)。用單片EZ|USB FX2開發(fā)USB2.0外設(shè)具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此最好是用單芯片方法。這就是為什么Cypress半導(dǎo)體公司生產(chǎn)EZ|USB FX2（以下簡(jiǎn)寫FX2）單芯片的原因。

Cypress公司指出，當(dāng)運(yùn)行在480Mb/s時(shí)，數(shù)字和模擬之間的接口會(huì)有更多的細(xì)致差別。例如，噪聲熱容限會(huì)更小。USB2.0的電壓擺幅比USB1.1更小。例如，要建立1個(gè)100K（10萬(wàn)）門的IC，小的物理層（PHY）將會(huì)存在更大的挑戰(zhàn)。那樣做不是不可能，但肯定會(huì)影響上市時(shí)間。第1個(gè)ASIC必須分兩步走，這影響上市時(shí)間。

另外，USB2.0需要在USB1.1“全速度”（“full speed”）速率基礎(chǔ)上完成。換句話說(shuō)，USB2.0收發(fā)器和SIE（串行接口引擎）要做全速和高速率設(shè)計(jì)。這意味著設(shè)計(jì)時(shí)必須使USB1.1和USB2.0兼容。

2? 良好的調(diào)整有助于產(chǎn)品的快速上市和性能提高

Cypress相信它的單芯片方法給公司提供了1個(gè)USB2.0結(jié)構(gòu)的可能性。這是考慮了既要獲得所需的高性能I/O（輸入/輸出），又要保持480Mb/s的USB2.0高速率。

此外，該公司看到了USB1.1多芯片方法中存在的引腳數(shù)問(wèn)題:USB1.1的數(shù)據(jù)寬度是8位，而現(xiàn)在USB2.0的寬度至少是32位。這需要大的封裝，如 100和128引腳四方扁平封裝。按該公司的方法，這正好適合作為SIE（串行接口引擎）和PHY（物理層）用，但并不包括單片機(jī)。因此，封裝的費(fèi)用就占了總價(jià)格的相當(dāng)部分，則總系統(tǒng)的價(jià)格就更高。公司有3種芯片版本，最小的是56引腳的縮小外形輸出封裝（SSOP）。引腳數(shù)少是因?yàn)閷挼臄?shù)據(jù)引線都在芯片內(nèi)部，封裝的引腳是作為外部接口用。

總之，單芯片方法的優(yōu)勢(shì)可體現(xiàn)在性能、靈活性和價(jià)格方面。如上所述，寬數(shù)據(jù)總線在芯片內(nèi)，實(shí)際上能調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)高速度。

FX2部件的特點(diǎn)之一是采用低價(jià)的8051單片機(jī)，仍然能獲得很高的速度。至于靈活性，則體現(xiàn)在USB2.0的可編程接口能為特定的應(yīng)用接口編程。 FX2的特點(diǎn)是內(nèi)有8位8051單片機(jī)內(nèi)核，它可工作在12，24或48MHz，這取決于應(yīng)用對(duì)象。圖4所示為FX2方框圖，它展示了芯片的集成特性。此單片機(jī)之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗苓m應(yīng)各種功耗和應(yīng)用的要求，并能保持USB2.0高速度的特點(diǎn)。此外，USB的端點(diǎn)（endpoint）數(shù)據(jù)緩沖器以及從屬FIFO（先入先出寄存器），現(xiàn)在都與經(jīng)典的FIFO一樣。該緩沖器可與Cypress智能USB2.0 SIE（串行接口引擎）相連接。如圖4所示：數(shù)據(jù)進(jìn)入收發(fā)器后，通過(guò)SIE直接轉(zhuǎn)向FIFO，然后，通過(guò)8或16位數(shù)據(jù)路徑，可與外部連接，存取數(shù)據(jù)。注意，這時(shí)在數(shù)據(jù)路徑上沒有單片機(jī)。

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收發(fā)器與SIE（串行接口引擎）相連接，SIE直接與端點(diǎn)（endpoint）FIFO相連。僅當(dāng)需要完成檢驗(yàn)分組信息的工作時(shí)，單片機(jī)才與USB傳輸發(fā)生關(guān)系。

單片機(jī)仍可對(duì)FIFO進(jìn)行存取。例如，它能根據(jù)信息分組（包）的頭標(biāo)碼內(nèi)容與因特網(wǎng)進(jìn)行存取操作；但是，數(shù)據(jù)路徑的速度與單片機(jī)的處理速度無(wú)關(guān)，它有獨(dú)立的速度。這是調(diào)整了結(jié)構(gòu)的1個(gè)例子。

Cypress USB2.0 SIE類似該公司以前的FX部件，能執(zhí)行USB2.0協(xié)議的大部分內(nèi)容。設(shè)計(jì)師不必考慮所有三級(jí)處理這類事情，而全由智能SIE來(lái)完成。當(dāng)用戶訂購(gòu)該公司的開發(fā)板，并插入PC插槽時(shí)，不必寫入任何代碼，開發(fā)板就能工作。很明顯，這是由于有智能SIE之故，使用戶應(yīng)用時(shí)不需調(diào)整開發(fā)板。在啟動(dòng)這部分工作時(shí)不會(huì)影響其他部分，USB就能立即傳輸數(shù)據(jù)。

由智能SIE支持的另一工作是Cypress固件下載。由于固件是在FX2的RAM中，所以能通過(guò) SIE用USB下載。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，SIE就能做下載工作。因?yàn)閁SB2.0是新的，有許多問(wèn)題要考慮。下載給設(shè)計(jì)師提供了一種容易升級(jí)的方法。在參數(shù)變化時(shí)，這是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，因此減少了風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，增加了產(chǎn)品上市快的優(yōu)勢(shì)。

USB2.0的分組長(zhǎng)度是512字節(jié)。如果用經(jīng)典的FIFO，當(dāng)產(chǎn)生壞的CRC（循環(huán)校驗(yàn)碼）時(shí)，所有的數(shù)據(jù)必然泛濫流出，因?yàn)樗菈臄?shù)據(jù)。把FIFO作為RAM來(lái)執(zhí)行，它變得更像分組的 FIFO。整個(gè)分組信息能送入雙口存儲(chǔ)器。如果CRC是好的，則分組信息能從USB域交換到I/O（輸入/輸出）域。對(duì)外來(lái)說(shuō)，它看起來(lái)仍然像FIFO，但代之以每次只傳送1個(gè)字或1個(gè)字節(jié)為立即傳送整個(gè)分組信息。

端點(diǎn)FIFO的其他部分與速度有關(guān)。因?yàn)閿?shù)據(jù)流入很快，所以對(duì)分組來(lái)說(shuō)，至少需要雙口緩沖器。 Cypress公司的器件因可編程而進(jìn)了一步。端點(diǎn)緩沖器可能是雙、三或四緩沖器，與所需的數(shù)據(jù)量或靈活性有關(guān)。例如，批量存儲(chǔ)的外設(shè)，在高速時(shí)，要斷開 1個(gè)讀數(shù)據(jù)信道。然后讀/寫頭移到下一條路徑，在USB上發(fā)送數(shù)據(jù)。為保證此工作，需要四重緩沖。

實(shí)際上不需要了解FIFO對(duì)外是如何進(jìn)行調(diào)整工作的，因?yàn)橛蠪IFO滿標(biāo)志、FIFO空標(biāo)志以及可編程標(biāo)志。事實(shí)上，這是一個(gè)“量子”FIFO（公司這樣稱呼），分組的換入、換出是完全透明的。

“量子”FIFO就是有256×16位的雙口RAM塊，如圖5所示。它們放置在USB這邊，而數(shù)據(jù)是從USB輸出或輸入。數(shù)據(jù)穿過(guò)虛線進(jìn)行交換（見圖5），達(dá)到I/O系統(tǒng)部分，這時(shí)能肯定整個(gè)分組是好的。8051單片機(jī)也對(duì)此存儲(chǔ)器存取有效，這在另一種分組協(xié)議時(shí)就要用到。如以太網(wǎng)，在應(yīng)用之前，可能要對(duì)分組進(jìn)行試驗(yàn)。8051能視分組的頭標(biāo)碼內(nèi)容按需要進(jìn)行處理。在任何給定時(shí)間，某些RAM塊都是在SIE（串行接口引擎）控制下，由USB數(shù)據(jù)充滿/空閑；而其他的RAM塊則可由8051單片機(jī)和（）或I/O控制單元使用。在USB域，RAM塊是單口；在8051的I/O單元域，RAM塊是雙口。RAM塊能構(gòu)成單、雙、三或四緩沖。

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通過(guò)USB1.1和USB2.0的比較，明確了哪些東西是不用去學(xué)習(xí)研究的。需要考慮的是如何執(zhí)行USB2.0的總體結(jié)構(gòu)。如果Cypress公司仍停留在使用原來(lái)的結(jié)構(gòu)，則USB將包括：在I/O一邊的FIFO和另一邊的端點(diǎn)緩沖器。但是，因?yàn)?strong>USB2.0工作非?？?，以至于這兩種緩沖器將會(huì)是巨大的，從而增加了器件的成本。

“量子”FIFO思想是一個(gè)有創(chuàng)造性的方法，它把幾種功能都結(jié)合起來(lái)，以便FIFO能被外界看見；而端點(diǎn)緩沖器在芯片內(nèi)部才能看見，但它們的作用都是相同的。在以前的結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)器都是分開的。作為分開的FIFO容易在不同的時(shí)間域保持。采用USB和對(duì)外部I/O執(zhí)行的方法，不同的時(shí)間域仍然是必要的，但這是更合理的方法。多芯片方法的設(shè)計(jì)師必然要回到兩個(gè)FIFO的布局，總體成本與這兩個(gè)大的器件有關(guān)。 FX2的靈活性由于有通用可編程接口（GPIF）而得到增強(qiáng)，它是一個(gè)可編程狀態(tài)機(jī)。它能產(chǎn)生全部控制信號(hào)，例如：作為ATAPI硬盤驅(qū)動(dòng)、DSL（數(shù)字用戶線路）的Utopia接口或打印機(jī)的增強(qiáng)并行接口（EPP）。關(guān)鍵之處是能用相同的部件來(lái)尋址所有這些不同的接口，而不需要粘合連接邏輯。這也擴(kuò)展到微處理器，如PowerPC、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和PCMCIA（個(gè)人電腦存儲(chǔ)器卡國(guó)際協(xié)會(huì)）器件，其中的每一種都需要一個(gè)不同的部件作粘合連接。因此，采用單芯片方法可以降低成本。通用可編程接口使FX2能為這些設(shè)備的每一接口進(jìn)行調(diào)節(jié)。

設(shè)計(jì)師必須編制GIPF（通用可編程接口）程序，但Cypress公司提供了編制適當(dāng)接口的軟件工具，從而不必了解如何接口的具體過(guò)程。在此領(lǐng)域，公司還有幫助設(shè)計(jì)師的參考設(shè)計(jì)。

如前所述，F(xiàn)X2有三種封裝形式：一是56腳的SOPP；二是100腳的TQFP（薄形四方扁平封裝）；三是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。盡管Cypress公司的重點(diǎn)是在前兩種封裝，但128腳封裝正好適合設(shè)計(jì)師必須采用外部數(shù)據(jù)總線、地址總線和8KB RAM的情況。這使得結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展，給了設(shè)計(jì)師一個(gè)增加路徑的空間。

三、USB單片機(jī)

下面介紹Infineon 8位和16位USB單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。圖6是8位USB單片機(jī)C541的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖7是16位USB單片機(jī)SABC161的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可見，其基本結(jié)構(gòu)與普通單片機(jī)沒有多大區(qū)別，只是左下角增加了USB收發(fā)模塊（包括鎖相環(huán)PLL）。8位USB單片機(jī)C541有44個(gè)引腳P-LCC 封裝及P-SDIP-52封裝。并口1（Port1）可作6位到8位的數(shù)字接口。快速USB總線，使開發(fā)的多媒體產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。

圖6 8位USB單片機(jī)C514的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

BRG:基本波特速率發(fā)生器ASC：異步串行通信DMA：直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)
USART：通用同步異步收發(fā)器SCU：串行控制單元OCDS：操作控制文件系統(tǒng)
RTC：實(shí)時(shí)時(shí)鐘JTAJ：測(cè)試聯(lián)合行動(dòng)組織PEC：保護(hù)選通控制

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圖7 16位USB單片機(jī)SABC161的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　 　8位USB單片機(jī)C541性能特點(diǎn)：
　 　· 兼容USB1.1標(biāo)準(zhǔn)；
　 　· 與8051完全兼容；
　 　· 可高速及低速運(yùn)行；
　 　· 內(nèi)含USB收發(fā)模塊；
　 　· 內(nèi)含看門狗；
　 　· VDD：4.25~5.5V；
　 　· 8KB OTP P-SDIP-52及P-LCC-44兩種封裝。

USB單片機(jī)C541還具有技術(shù)支援，包括C541U Starter Kit套件、核心軟件及USB總線應(yīng)用程序。

USB單片機(jī)C541可應(yīng)用于高級(jí)USB鍵盤、ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)）調(diào)制解調(diào)器、入機(jī)USB接口和所有USB接口。

16位USB單片機(jī)SABC161的性能特點(diǎn)：
　 　· 兼容USB1.1標(biāo)準(zhǔn)；
　 　· 18MIPS高速運(yùn)算能力及55.5ns指令周期；
　 　· 實(shí)時(shí)時(shí)鐘； · 內(nèi)含USB收發(fā)模塊；
　 　· 內(nèi)含看門狗； · VDD：3.3V；
　 　· 3KB RAM及2M地址線；
　 　· DMA（直接存儲(chǔ)器存?。┛刂破?；
　 　· USART（通用同步異步收發(fā)器）支持IrDA（紅外傳輸標(biāo)準(zhǔn)）功能；
　 　· TQFP-100及MQFP封裝。

USB單片機(jī)SABC161還具有技術(shù)支援，包括SABC161 Starter Kit套件、核心軟件和仿真器與C++編譯器。

USB單片機(jī)SABC161可應(yīng)用于USB打印機(jī)、USB數(shù)碼相機(jī)和所有高級(jí)USB接口及適配器