USB2.0特性及USB單片機

一、 USB總線簡介

通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是由Intel等廠商制定的連接計算機與具有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)備越來越多，如鼠標(biāo)、鍵盤、數(shù)碼相機、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀、攝像機、電視及視頻抓取盒、音箱等。

USB總線最多可支持127個USB外設(shè)連接到計算機系統(tǒng)。USB的拓?fù)涫菢湫谓Y(jié)構(gòu)，有1個USB根集線器（root hub），下面還可有若干集線器。1個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)。線纜最大長度不超過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：FS為全速（高速）；LS為低速；R1=15kΩ，R2=15kΩ。USB外設(shè)可以采用計算機里的電源（+5V，500mA），也可外接USB電源。在所有的USB信道之間動態(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USB外設(shè)長時間（3ms以上）不使用時，就處于掛起狀態(tài)，這時只消耗 0.5mA電流。按USB1.0/1.1標(biāo)準(zhǔn)，USB的標(biāo)準(zhǔn)脈沖時鐘頻率為12MHz，而其總線時脈沖時鐘為1ms（1kHz），即每隔1ms，USB器件應(yīng)為USB線纜產(chǎn)生1個時鐘脈沖序列。這個脈沖系列稱為幀開始數(shù)據(jù)包（SOF）。高速外設(shè)長度為每幀12000bit(位)，而低速外設(shè)長度只有每幀 1500bit。1個USB數(shù)據(jù)包可包含0~1023字節(jié)數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)包的傳送都以1個同步字段開始。

二、USB 20特性

2000年生產(chǎn)的PC主機幾乎都有了USB插口，最新的PC機還有USB集線器（Hub）和4~6個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)）與單片機相連接。這時，單片機要處理許多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，這樣需要面對應(yīng)用和如何使用USB2.0兩方面的工作。這意味著設(shè)計者需要做更大的努力，并且產(chǎn)品上市時間長。此方法的好處是最終部件的價格低，因此對大批量生產(chǎn)是有價值的。

（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。用單片EZ|USB FX2開發(fā)USB2.0外設(shè)具有一定的優(yōu)勢，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（以下簡寫FX2）單芯片的原因。

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

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，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。這意味著設(shè)計時必須使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。因此，封裝的費用就占了總價格的相當(dāng)部分，則總系統(tǒng)的價格就更高。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)少是因為寬的數(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)勢可體現(xiàn)在性能、靈活性和價格方面。如上所述，寬數(shù)據(jù)總線在芯片內(nèi)，實際上能調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)高速度。

FX2部件的特點之一是采用低價的8051單片機，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的特點是內(nèi)有8位8051單片機內(nèi)核，它可工作在12，24或48MHz，這取決于應(yīng)用對象。圖4所示為FX2方框圖，它展示了芯片的集成特性。此單片機之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因為它能適應(yīng)各種功耗和應(yīng)用的要求，并能保持USB2.0高速度的特點。此外，USB的端點（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SIE直接轉(zhuǎn)向FIFO，然后，通過8或16位數(shù)據(jù)路徑，可與外部連接，存取數(shù)據(jù)。注意，這時在數(shù)據(jù)路徑上沒有單片機。