2006-05-11 09:50:03
USB2.0特性及USB单片机
摘要：对USB总线的基本特性，特别是对USB2.0标准进行比较详细的介绍，并对新型8位和16位USB单片机的结构和性能特点进行了介绍。 关键词：USB总线 USB单片机 USB2.0 标准 一、 USB总线简介 　 　通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种外设之间通信的串行总线。目前，带USB接口的设备越来越多，如鼠标、键盘、数码相机、调制解调器、扫描仪、摄像机、电视及视频抓取盒、音箱等。
　 　USB总线最多可支持127个USB外设连接到计算机系统。USB的拓扑是树形结构，有1个USB根集线器（root hub），下面还可有若干集线器。1个集线器下面可接若干USB接口。USB线缆包括4条线：Vbus(USB电源)、D+（数据）、D-（数据）和Gnd(USB地)。线缆最大长度不超过5m。USB1.1的传输速率最高为12Mb/s（低速外设的标准速率为1.5Mb/s，高速外设的标准速率为12Mb/s）。图1是典型的USB功能器件结构框图，图2是高速外设的USB线缆与电阻的连接图。图2中：FS为全速（高速）；LS为低速；R1=15kΩ，R2=15kΩ。USB外设可以采用计算机里的电源（+5V，500mA），也可外接USB电源。在所有的USB信道之间动态地分配带宽是USB总线的特征之一，这大大地提高了USB带宽的利用率。当一台USB外设长时间（3ms以上）不使用时，就处于挂起状态，这时只消耗0.5mA电流。按USB1.0/1.1标准，USB的标准脉冲时钟频率为12MHz，而其总线时脉冲时钟为1ms（1kHz），即每隔1ms，USB器件应为USB线缆产生1个时钟脉冲序列。这个脉冲系列称为帧开始数据包（SOF）。高速外设长度为每帧12000bit(位)，而低速外设长度只有每帧1500bit。1个USB数据包可包含0~1023字节数据。每个数据包的传送都以1个同步字段开始。
图1 典型USB功能器件结构框图

图2 高速外设的USB线缆与电阻的连接图 二、 USB 20特性
　 2000年生产的PC主机几乎都有了USB插口，最新的PC机还有USB集线器（Hub）和4~6个USB插口。USB集线器的结构如图3所示。但这些还是不能满足对高速外设的要求。最近推出了USB2.0标准，其速度比USB1.0/1.1快40倍，达480Mb/s。使USB推广到硬盘、电缆调制解调器、信息家电网络产品和其他的快速外设成为可能。 一些公司已开发出支持USB2.0的产品，其中，Cypress半导体公司是USB控制器的带头者。该公司已开发出了称为EZ/|USB FX2的单芯片USB2.0。

图3 USB的Hub（集线器）结构
　 1 设计USB2.0系统的两种方法
　 （1） 多芯片方法
　 　多芯片和ASIC（专用集成电路）方法：使用多芯片方法需要购买USB2.0收发器和串行接口引擎（SIE），并把收发器（作为一种外设）与单片机相连接。这时，单片机要处理许多USB协议。 自然，用建有芯片系统的ASIC并在它上面集成有全部必需的部件，这样能获得更高的集成度，但是，这样需要面对应用和如何使用USB2.0两方面的工作。这意味着设计者需要做更大的努力，并且产品上市时间长。此方法的好处是最终部件的价格低，因此对大批量生产是有价值的。
　 （2） 单芯片方法
　 EZ-USB FX2的单芯片内有USB2.0物理层（PHY）电路和基于该公司的EZ/|USB FX结构的8051单片机。用单片EZ/|USB FX2开发USB2.0外设具有一定的优势，因此最好是用单芯片方法。这就是为什么Cypress半导体公司生产EZ/|USB FX2（以下简写FX2）单芯片的原因。
Cypress公司指出，当运行在480Mb/s时，数字和模拟之间的接口会有更多的细致差别。例如，噪声热容限会更小。USB2.0的电压摆幅比USB1.1更小。例如，要建立1个100K（10万）门的IC，小的物理层（PHY）将会存在更大的挑战。那样做不是不可能，但肯定会影响上市时间。第1个ASIC必须分两步走，这影响上市时间。
　 　另外，USB2.0需要在USB1.1“全速度”（“full speed”）速率基础上完成。换句话说，USB2.0收发器和SIE（串行接口引擎）要做全速和高速率设计。这意味着设计时必须使USB1.1和USB2.0兼容。
　 　2 良好的调整有助于产品的快速上市和性能提高
Cypress相信它的单芯片方法给公司提供了1个USB2.0结构的可能性。这是考虑了既要获得所需的高性能I/O（输入/输出），又要保持480Mb/s的USB2.0高速率。
此外，该公司看到了USB1.1多芯片方法中存在的引脚数问题:USB1.1的数据宽度是8位，而现在USB2.0的宽度至少是32位。这需要大的封装，如100和128引脚四方扁平封装。按该公司的方法，这正好适合作为SIE（串行接口引擎）和PHY（物理层）用，但并不包括单片机。因此，封装的费用就占了总价格的相当部分，则总系统的价格就更高。公司有3种芯片版本，最小的是56引脚的缩小外形输出封装（SSOP）。引脚数少是因为宽的数据引线都在芯片内部，封装的引脚是作为外部接口用。
总之，单芯片方法的优势可体现在性能、灵活性和价格方面。如上所述，宽数据总线在芯片内，实际上能调整结构以适应高速度。
　 　FX2部件的特点之一是采用低价的8051单片机，仍然能获得很高的速度。至于灵活性，则体现在USB2.0的可编程接口能为特定的应用接口编程。 FX2的特点是内有8位8051单片机内核，它可工作在12，24或48MHz，这取决于应用对象。图4所示为FX2方框图，它展示了芯片的集成特性。此单片机之所以得到广泛的应用，是因为它能适应各种功耗和应用的要求，并能保持USB2.0高速度的特点。此外，USB的端点（endpoint）数据缓冲器以及从属FIFO（先入先出寄存器），现在都与经典的FIFO一样。该缓冲器可与Cypress智能USB2.0 SIE（串行接口引擎）相连接。如图4所示：数据进入收发器后，通过SIE直接转向FIFO，然后，通过8或16位数据路径，可与外部连接，存取数据。注意，这时在数据路径上没有单片机。 图4 EZ-USB FX2方框图 　 　收发器与SIE（串行接口引擎）相连接，SIE直接与端点（endpoint）FIFO相连。仅当需要完成检验分组信息的工作时，单片机才与USB传输发生关系。
　 　单片机仍可对FIFO进行存取。例如，它能根据信息分组（包）的头标码内容与因特网进行存取操作；但是，数据路径的速度与单片机的处理速度无关，它有独立的速度。这是调整了结构的1个例子。
　 　Cypress USB2.0 SIE类似该公司以前的FX部件，能执行USB2.0协议的大部分内容。设计师不必考虑所有三级处理这类事情，而全由智能SIE来完成。当用户订购该公司的开发板，并插入PC插槽时，不必写入任何代码，开发板就能工作。很明显，这是由于有智能SIE之故，使用户应用时不需调整开发板。在启动这部分工作时不会影响其他部分，USB就能立即传输数据。
由智能SIE支持的另一工作是Cypress固件下载。由于固件是在FX2的RAM中，所以能通过SIE用USB下载。当单片机复位时，SIE就能做下载工作。因为USB2.0是新的，有许多问题要考虑。下载给设计师提供了一种容易升级的方法。在参数变化时，这是一个重要的优点，因此减少了风险和不确定性，增加了产品上市快的优势。
　 　端点（endpoint）FIFO的关键之处是它按双口RAM来执行。USB是分组协议，它可立即发送整个分组信息。USB2.0的分组长度是512字节。如果用经典的FIFO，当产生坏的CRC（循环校验码）时，所有的数据必然泛滥流出，因为它是坏数据。把FIFO作为RAM来执行，它变得更像分组的FIFO。整个分组信息能送入双口存储器。如果CRC是好的，则分组信息能从USB域交换到I/O（输入/输出）域。对外来说，它看起来仍然像FIFO，但代之以每次只传送1个字或1个字节为立即传送整个分组信息。
端点FIFO的其他部分与速度有关。因为数据流入很快，所以对分组来说，至少需要双口缓冲器。 Cypress公司的器件因可编程而进了一步。端点缓冲器可能是双、三或四缓冲器，与所需的数据量或灵活性有关。例如，批量存储的外设，在高速时，要断开1个读数据信道。然后读/写头移到下一条路径，在USB上发送数据。为保证此工作，需要四重缓冲。
　 　实际上不需要了解FIFO对外是如何进行调整工作的，因为有FIFO满标志、FIFO空标志以及可编程标志。事实上，这是一个“量子”FIFO（公司这样称呼），分组的换入、换出是完全透明的。
“量子”FIFO就是有256×16位的双口RAM块，如图5所示。它们放置在USB这边，而数据是从USB输出或输入。数据穿过虚线进行交换（见图5），达到I/O系统部分，这时能肯定整个分组是好的。8051单片机也对此存储器存取有效，这在另一种分组协议时就要用到。如以太网，在应用之前，可能要对分组进行试验。8051能视分组的头标码内容按需要进行处理。在任何给定时间，某些RAM块都是在SIE（串行接口引擎）控制下，由USB数据充满/空闲；而其他的RAM块则可由8051单片机和（）或I/O控制单元使用。在USB域，RAM块是单口；在8051的I/O单元域，RAM块是双口。RAM块能构成单、双、三或四缓冲。
图5 256×16位的双口RAM块

　 　通过USB1.1和USB2.0的比较，明确了哪些东西是不用去学习研究的。需要考虑的是如何执行USB2.0的总体结构。如果Cypress公司仍停留在使用原来的结构，则USB将包括：在I/O一边的FIFO和另一边的端点缓冲器。但是，因为USB2.0工作非常快，以至于这两种缓冲器将会是巨大的，从而增加了器件的成本。
　 　“量子”FIFO思想是一个有创造性的方法，它把几种功能都结合起来，以便FIFO能被外界看见；而端点缓冲器在芯片内部才能看见，但它们的作用都是相同的。在以前的结构中，存储器都是分开的。作为分开的FIFO容易在不同的时间域保持。采用USB和对外部I/O执行的方法，不同的时间域仍然是必要的，但这是更合理的方法。多芯片方法的设计师必然要回到两个FIFO的布局，总体成本与这两个大的器件有关。 FX2的灵活性由于有通用可编程接口（GPIF）而得到增强，它是一个可编程状态机。它能产生全部控制信号，例如：作为ATAPI硬盘驱动、DSL（数字用户线路）的Utopia接口或打印机的增强并行接口（EPP）。关键之处是能用相同的部件来寻址所有这些不同的接口，而不需要粘合连接逻辑。这也扩展到微处理器，如PowerPC、数字信号处理器（DSP）和PCMCIA（个人电脑存储器卡国际协会）器件，其中的每一种都需要一个不同的部件作粘合连接。因此，采用单芯片方法可以降低成本。通用可编程接口使FX2能为这些设备的每一接口进行调节。
　 　设计师必须编制GIPF（通用可编程接口）程序，但Cypress公司提供了编制适当接口的软件工具，从而不必了解如何接口的具体过程。在此领域，公司还有帮助设计师的参考设计。
如前所述，FX2有三种封装形式：一是56脚的SOPP；二是100脚的TQFP（薄形四方扁平封装）；三是128脚的TQFP。引脚数的区别在于输入、输出引脚数的不同。尽管Cypress公司的重点是在前两种封装，但128脚封装正好适合设计师必须采用外部数据总线、地址总线和8KB RAM的情况。这使得结构可扩展，给了设计师一个增加路径的空间。 三、 USB单片机 　 　下面介绍Infineon 8位和16位USB单片机的结构和性能特点。图6是8位USB单片机C541的内部结构框图；图7是16位USB单片机SABC161的内部结构框图。从图中可见，其基本结构与普通单片机没有多大区别，只是左下角增加了USB收发模块（包括锁相环PLL）。8位USB单片机C541有44个引脚P-LCC封装及P-SDIP-52封装。并口1（Port1）可作6位到8位的数字接口。快速USB总线，使开发的多媒体产品更具竞争力。
图6 8位USB单片机C514的内部结构框图
BRG:基本波特速率发生器 ASC：异步串行通信 DMA：直接存储器存储USART：通用同步异步收发器 SCU：串行控制单元 OCDS：操作控制文件系统RTC：实时时钟 JTAJ：测试联合行动组织 PEC：保护选通控制 图7 16位USB单片机SABC161的内部结构框图 　 　8位USB单片机C541性能特点：
　 　· 兼容USB1.1标准；
　 　· 与8051完全兼容；
　 　· 可高速及低速运行；
　 　· 内含USB收发模块；
　 　· 内含看门狗；
　 　· VDD：4.25~5.5V；
　 　· 8KB OTP P-SDIP-52及P-LCC-44两种封装。
　 　USB单片机C541还具有技术支援，包括C541U Starter Kit套件、核心软件及USB总线应用程序。
　 　USB单片机C541可应用于高级USB键盘、ISDN（综合业务数据网）调制解调器、入机USB接口和所有USB接口。
　 　16位USB单片机SABC161的性能特点：
　 　· 兼容USB1.1标准；
　 　· 18MIPS高速运算能力及55.5ns指令周期；
　 　· 实时时钟； · 内含USB收发模块；
　 　· 内含看门狗； · VDD：3.3V；
　 　· 3KB RAM及2M地址线；
　 　· DMA（直接存储器存取）控制器；
　 　· USART（通用同步异步收发器）支持IrDA（红外传输标准）功能；
　 　· TQFP-100及MQFP封装。
　 　USB单片机SABC161还具有技术支援，包括SABC161 Starter Kit套件、核心软件和仿真器与C++编译器。
　 　USB单片机SABC161可应用于USB打印机、USB数码相机和所有高级USB接口及适配器。