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接口的多種外設之間通信的串行總線。目前，帶USB接口的設備越來越多，如鼠標、鍵盤、數碼相機、調制解調器、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外設連接到計算機系統。USB的拓撲是樹形結構，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+（數據）、D-（數據）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（低速外設的標準速率為1.5Mb/s，高速外設的標準速率為 12Mb/s）。圖1是典型的USB功能器件結構框圖，圖2是高速外設的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。當一臺USB外設長時間（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標準，USB的標準脈沖時鐘頻率為12MHz，而其總線時脈沖時鐘為1ms（1kHz），即每隔1ms，USB器件應為USB線纜產生1個時鐘脈沖序列。這個脈沖系列稱為幀開始數據包（SOF）。高速外設長度為每幀12000bit(位)，而低速外設長度只有每幀 1500bit。1個USB數據包可包含0~1023字節(jié)數據。每個數據包的傳送都以1個同步字段開始。

二、USB 2?0特性

2000年生產的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集線器的結構如圖3所示。但這些還是不能滿足對高速外設的要求。最近推出了USB2.0標準，其速度比USB1.0/1.1快40倍，達480Mb/s。使USB推廣到硬盤、電纜調制解調器、信息家電網絡產品和其他的快速外設成為可能。一些公司已開發(fā)出支持USB2.0的產品，其中，Cypress半導體公司是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 設計USB2.0系統的兩種方法

（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）與單片機相連接。這時，單片機要處理許多USB協議。自然，用建有芯片系統的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，這樣需要面對應用和如何使用USB2.0兩方面的工作。這意味著設計者需要做更大的努力，并且產品上市時間長。此方法的好處是最終部件的價格低，因此對大批量生產是有價值的。

（2） 單芯片方法

EZ-USB FX2的單芯片內有USB2.0物理層（PHY）電路和基于該公司的EZ|USB FX結構的8051單片機。用單片EZ|USB FX2開發(fā)USB2.0外設具有一定的優(yōu)勢，因此最好是用單芯片方法。這就是為什么Cypress半導體公司生產EZ|USB FX2（以下簡寫FX2）單芯片的原因。

Cypress公司指出，當運行在480Mb/s時，數字和模擬之間的接口會有更多的細致差別。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計。這意味著設計時必須使USB1.1和USB2.0兼容。

2? 良好的調整有助于產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結構的可能性。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問題:USB1.1的數據寬度是8位，而現在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部分，則總系統的價格就更高。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）。引腳數少是因為寬的數據引線都在芯片內部，封裝的引腳是作為外部接口用。

總之，單芯片方法的優(yōu)勢可體現在性能、靈活性和價格方面。如上所述，寬數據總線在芯片內，實際上能調整結構以適應高速度。

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，則體現在USB2.0的可編程接口能為特定的應用接口編程。 FX2的特點是內有8位8051單片機內核，它可工作在12，24或48MHz，這取決于應用對象。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用，是因為它能適應各種功耗和應用的要求，并能保持USB2.0高速度的特點。此外，USB的端點（endpoint）數據緩沖器以及從屬FIFO（先入先出寄存器），現在都與經典的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：數據進入收發(fā)器后，通過SIE直接轉向FIFO，然后，通過8或16位數據路徑，可與外部連接，存取數據。注意，這時在數據路徑上沒有單片機。

收發(fā)器與SIE（串行接口引擎）相連接，SIE直接與端點（endpoint）FIFO相連。僅當需要完成檢驗分組信息的工作時，單片機才與USB傳輸發(fā)生關系。

單片機仍可對FIFO進行存取。例如，它能根據信息分組（包）的頭標碼內容與因特網進行存取操作；但是，數據路徑的速度與單片機的處理速度無關，它有獨立的速度。這是調整了結構的1個例子。

Cypress USB2.0 SIE類似該公司以前的FX部件，能執(zhí)行USB2.0協議的大部分內容。設計師不必考慮所有三級處理這類事情，而全由智能SIE來完成。當用戶訂購該公司的開發(fā)板，并插入PC插槽時，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，使用戶應用時不需調整開發(fā)板。在啟動這部分工作時不會影響其他部分，USB就能立即傳輸數據。

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 SIE用USB下載。當單片機復位時，SIE就能做下載工作。因為USB2.0是新的，有許多問題要考慮。下載給設計師提供了一種容易升級的方法。在參數變化時，這是一個重要的優(yōu)點，因此減少了風險和不確定性，增加了產品上市快的優(yōu)勢。

USB2.0的分組長度是512字節(jié)。如果用經典的FIFO，當產生壞的CRC（循環(huán)校驗碼）時，所有的數據必然泛濫流出，因為它是壞數據。把FIFO作為RAM來執(zhí)行，它變得更像分組的 FIFO。整個分組信息能送入雙口存儲器。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。對外來說，它看起來仍然像FIFO，但代之以每次只傳送1個字或1個字節(jié)為立即傳送整個分組信息。

端點FIFO的其他部分與速度有關。因為數據流入很快，所以對分組來說，至少需要雙口緩沖器。 Cypress公司的器件因可編程而進了一步。端點緩沖器可能是雙、三或四緩沖器，與所需的數據量或靈活性有關。例如，批量存儲的外設，在高速時，要斷開 1個讀數據信道。然后讀/寫頭移到下一條路徑，在USB上發(fā)送數據。為保證此工作，需要四重緩沖。

實際上不需要了解FIFO對外是如何進行調整工作的，因為有FIFO滿標志、FIFO空標志以及可編程標志。事實上，這是一個“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，而數據是從USB輸出或輸入。數據穿過虛線進行交換（見圖5），達到I/O系統部分，這時能肯定整個分組是好的。8051單片機也對此存儲器存取有效，這在另一種分組協議時就要用到。如以太網，在應用之前，可能要對分組進行試驗。8051能視分組的頭標碼內容按需要進行處理。在任何給定時間，某些RAM塊都是在SIE（串行接口引擎）控制下，由USB數據充滿/空閑；而其他的RAM塊則可由8051單片機和（）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塊能構成單、雙、三或四緩沖。

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

“量子”FIFO思想是一個有創(chuàng)造性的方法，它把幾種功能都結合起來，以便FIFO能被外界看見；而端點緩沖器在芯片內部才能看見，但它們的作用都是相同的。在以前的結構中，存儲器都是分開的。作為分開的FIFO容易在不同的時間域保持。采用USB和對外部I/O執(zhí)行的方法，不同的時間域仍然是必要的，但這是更合理的方法。多芯片方法的設計師必然要回到兩個FIFO的布局，總體成本與這兩個大的器件有關。 FX2的靈活性由于有通用可編程接口（GPIF）而得到增強，它是一個可編程狀態(tài)機。它能產生全部控制信號，例如：作為ATAPI硬盤驅動、DSL（數字用戶線路）的Utopia接口或打印機的增強并行接口（EPP）。關鍵之處是能用相同的部件來尋址所有這些不同的接口，而不需要粘合連接邏輯。這也擴展到微處理器，如PowerPC、數字信號處理器（DSP）和PCMCIA（個人電腦存儲器卡國際協會）器件，其中的每一種都需要一個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能為這些設備的每一接口進行調節(jié)。

設計師必須編制GIPF（通用可編程接口）程序，但Cypress公司提供了編制適當接口的軟件工具，從而不必了解如何接口的具體過程。在此領域，公司還有幫助設計師的參考設計。

如前所述，FX2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。引腳數的區(qū)別在于輸入、輸出引腳數的不同。盡管Cypress公司的重點是在前兩種封裝，但128腳封裝正好適合設計師必須采用外部數據總線、地址總線和8KB RAM的情況。這使得結構可擴展，給了設計師一個增加路徑的空間。

三、USB單片機

下面介紹Infineon 8位和16位USB單片機的結構和性能特點。圖6是8位USB單片機C541的內部結構框圖；圖7是16位USB單片機SABC161的內部結構框圖。從圖中可見，其基本結構與普通單片機沒有多大區(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C541有44個引腳P-LCC 封裝及P-SDIP-52封裝。并口1（Port1）可作6位到8位的數字接口。快速USB總線，使開發(fā)的多媒體產品更具競爭力。

圖6 8位USB單片機C514的內部結構框圖

BRG:基本波特速率發(fā)生器ASC：異步串行通信DMA：直接存儲器存儲
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
RTC：實時時鐘JTAJ：測試聯合行動組織PEC：保護選通控制

圖7 16位USB單片機SABC161的內部結構框圖

　 　8位USB單片機C541性能特點：
　 　· 兼容USB1.1標準；
　 　· 與8051完全兼容；
　 　· 可高速及低速運行；
　 　· 內含USB收發(fā)模塊；
　 　· 內含看門狗；
　 　· VDD：4.25~5.5V；
　 　· 8KB OTP P-SDIP-52及P-LCC-44兩種封裝。

USB單片機C541還具有技術支援，包括C541U Starter Kit套件、核心軟件及USB總線應用程序。

USB單片機C541可應用于高級USB鍵盤、ISDN（綜合業(yè)務數據網）調制解調器、入機USB接口和所有USB接口。

16位USB單片機SABC161的性能特點：
　 　· 兼容USB1.1標準；
　 　· 18MIPS高速運算能力及55.5ns指令周期；
　 　· 實時時鐘； · 內含USB收發(fā)模塊；
　 　· 內含看門狗； · VDD：3.3V；
　 　· 3KB RAM及2M地址線；
　 　· DMA（直接存儲器存取）控制器；
　 　· USART（通用同步異步收發(fā)器）支持IrDA（紅外傳輸標準）功能；
　 　· TQFP-100及MQFP封裝。

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

USB單片機SABC161可應用于USB打印機、USB數碼相機和所有高級USB接口及適配器