摘要：介紹USB2.0協(xié)議以及Cypress公司推出的USB2.0控制器CY7C68013。USB2.0協(xié)議提供480Mb/s的傳輸速度，向下完全兼容流行的USB1.1協(xié)議。CY7C68013是USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8.5KB片上RAM的高速8051單片機(jī)、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及通用可編程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和USB2.0收發(fā)器，無(wú)需外加芯片即可完成高速USB傳輸，性?xún)r(jià)比較高。

    關(guān)鍵詞：USB2.0 高速模式 端點(diǎn)

本刊2002年到2、3期已對(duì)EZ-USB單片機(jī)的介紹。本文在此只重點(diǎn)介紹USB2.0的特殊之處以及芯片CY7C68013的主要特點(diǎn)。*

1 USB2.0的主要特點(diǎn)

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U(xiǎn)SB1.1的PC機(jī)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(lèi)型用稱(chēng)之為Packet Ids（PIDs）的特定代碼來(lái)定義。USB包中共有4種PID類(lèi)型，如表1所列。

表1 USB2.0的數(shù)據(jù)包類(lèi)型

PID類(lèi)型	PID名稱(chēng)
令牌	IN，OUT，SOF，SETUP
數(shù)據(jù)	DATA0，DATA1，DATA2，MDATA
握手	ACK，NAK，STALL，NYET
特殊類(lèi)型	PRE，ERR，SPLIT，PIN

注：黑體字表示USB2.0增加的PID類(lèi)型。

在全速模式時(shí)，每個(gè)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(duì)這種浪費(fèi)帶寬的情況，在高速模式時(shí)推薦使用新的PID類(lèi)型“PING”。主機(jī)先對(duì)OUT端點(diǎn)發(fā)出個(gè)較短的“PING”令牌，訪問(wèn)當(dāng)前外設(shè)是否有數(shù)據(jù)文憑間來(lái)存放OUT的數(shù)據(jù)包。僅僅當(dāng)外部設(shè)備回答“ACK”時(shí)，主機(jī)才發(fā)送較長(zhǎng)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(gè)字節(jié)。通過(guò)這8個(gè)字節(jié)，外設(shè)對(duì)主機(jī)的設(shè)備請(qǐng)求進(jìn)行譯碼。

SOF令牌代表一個(gè)USB幀的開(kāi)始。

ACK（Acknowlegde）表示成功，數(shù)據(jù)接收無(wú)誤。

NAK（Negavite Acknowlegde）表示忙，得發(fā)。這并不是出錯(cuò)，USB外設(shè)沒(méi)有應(yīng)答表示出錯(cuò)。

STALL表示未知錯(cuò)誤，外設(shè)未能理解主機(jī)發(fā)出的設(shè)備請(qǐng)求，可能是外設(shè)端出錯(cuò)，或是主機(jī)訪問(wèn)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(lèi)似于ACK，表示數(shù)據(jù)接收無(wú)誤，并且指出外設(shè)還沒(méi)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)OUT數(shù)據(jù)包。NYET PID只用于在高速模式。

其它PID詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

1.2 幀結(jié)構(gòu)

USB主機(jī)每毫秒向所有的USB設(shè)備發(fā)送1上SOF包（Start of Frame），以此來(lái)提供時(shí)間基準(zhǔn)。SOF包括1個(gè)自增的11位幀序號(hào)。FX2隨時(shí)可以從寄存器中讀出這個(gè)范圍在[0～2047]的幀序號(hào)。

地高速模式下（480Mb/s），每個(gè)1ms長(zhǎng)的幀被分成了8個(gè)125μs長(zhǎng)的微幀。每個(gè)微幀也都由一個(gè)SOF包開(kāi)始。幀序號(hào)還是每個(gè)毫秒自增1次，所以這8個(gè)微幀都含有相同的幀序號(hào)。為了區(qū)別每個(gè)微幀F(xiàn)X2提供1個(gè)只讀的微幀計(jì)數(shù)器，并且FX2能在收到SOF包時(shí)產(chǎn)生1個(gè)中斷請(qǐng)求，即在全速模式下1ms/次，高速模式下125μs/次。

1.3 傳輸類(lèi)型

為了適用480 Mb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，USB.0協(xié)議擴(kuò)大了各種傳輸類(lèi)型數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，與USB1.1的對(duì)照如表2所列。

表2 USB2.0與USB1.1數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的對(duì)照

傳輸類(lèi)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(cè)

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(gè)高速設(shè)備都在全速模式下開(kāi)始枚舉過(guò)程。當(dāng)與主機(jī)達(dá)成“Chirp”協(xié)議后設(shè)備再切換到高速工作模式下。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]第7章。FX2能自動(dòng)檢測(cè)高速主機(jī)，并切換到高速模式下。

1.5 傳輸性能分析

以USB硬盤(pán)為例分析USB2.0的高速傳輸性能。圖1為USB2.0與硬盤(pán)接口的帶寬分析。

每分轉(zhuǎn)速7200帶有2MB緩存的ATA100硬盤(pán)，接口數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100MB/s，可持續(xù)的有效傳輸速率只有39MB/s。

USB2.0在每個(gè)上微幀中最大可傳輸13個(gè)塊傳輸包，而每個(gè)微幀長(zhǎng)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(diǎn)

2.1 芯片結(jié)構(gòu)

EZ-USB FX2芯片包括1個(gè)8051處理器、1個(gè)串行接口引擎（SIE）、1個(gè)USB收發(fā)器、8.5KB片上RAM、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及1個(gè)通用可編程接口（GPIF），如圖2所示。FX2是一個(gè)全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

EZ-USB FX2擁有1個(gè)獨(dú)特的架構(gòu)，其中包括1個(gè)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(lái)以用于實(shí)現(xiàn)專(zhuān)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(gè)通用可編程接口（GPIF），允許它“無(wú)膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進(jìn)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(duì)不同的應(yīng)用要求。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(diǎn)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(jìn)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(shí)，在成本嚴(yán)格控制下微控制器就必然成為整個(gè)系統(tǒng)的帶寬并頸。

EZ-USB FX2提供了一種獨(dú)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(wèn)這些共享FIFO，如圖4所示。這種被稱(chēng)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(wèn)題。

具體來(lái)說(shuō)，如圖5所示，USB執(zhí)行OUT傳輸，將EP2端點(diǎn)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。看來(lái)，USB端只要有1個(gè)FIFO為“半滿(mǎn)”，就可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)膠操作的FIFO寫(xiě)“滿(mǎn)”時(shí)，F(xiàn)X2自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換到外部接口端，排除等候讀??；并將USB接口隊(duì)列中下一個(gè)為“空”的FIFO轉(zhuǎn)移到USB接口上，供其繼續(xù)寫(xiě)數(shù)據(jù)。外部接口端與此類(lèi)似，只要1有個(gè)FIFO為“半滿(mǎn)”，就可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作的FIFO讀“空”時(shí)，F(xiàn)X2自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換到USB接口端，排除等候?qū)懭耄徊⑼獠拷涌陉?duì)列中下一個(gè)為“滿(mǎn)”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(diǎn)緩存

USB協(xié)議定義了端點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的接收器和發(fā)送器。主機(jī)發(fā)送4個(gè)bit的地址和1個(gè)bit的方向來(lái)選擇端點(diǎn)，因此USB最多可有32個(gè)端點(diǎn)定義：IN0～I(xiàn)N15和OUT0～OUT15。

FX2定義了7個(gè)端點(diǎn)，在高速模式下的端點(diǎn)緩存結(jié)構(gòu)如圖6所示。EP0IN&OUT、EP1IN、EP1OUT是64byte的端點(diǎn)緩存。EP0是默認(rèn)的控制傳輸端點(diǎn)，既是IN端點(diǎn)也是OUT端點(diǎn)。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(wèn)；而EP2、4、6和8無(wú)需固件干涉即可同片外互傳高速數(shù)據(jù)。

FX2端點(diǎn)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(diǎn)，可設(shè)為IN或OUT端點(diǎn)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(gè)512或1024字節(jié)的緩存，分別表示端點(diǎn)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(gè)數(shù)據(jù)包，而另一個(gè)數(shù)據(jù)包（同一個(gè)端點(diǎn)內(nèi)另一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器中的）可供外部接口操作；三重緩存加了第3個(gè)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)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(gè)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器。多緩存的結(jié)構(gòu)以在讀寫(xiě)雙方速度相似時(shí)有效地改善帶寬，平滑帶寬抖動(dòng)，減少雙方的互相等待時(shí)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(jī)方式，外部控制器可像普通FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)。FX2的Slave FIFOs工作方式可設(shè)為同步或異步；工作時(shí)鐘可選為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入；其它控制信號(hào)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(jī)方式，可以軟件編程讀寫(xiě)控制波形，幾乎可以對(duì)任何8/16 bit接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫(xiě)，非常靈活。

4 EZ-USB FX2的開(kāi)發(fā)工具

如同EZ-USB系列的其它控制器一樣，Cypress公司對(duì)FX2也提供了較為完備的開(kāi)發(fā)套件CY3681。它包括帶128腳CY7C68013的硬件開(kāi)發(fā)板和相應(yīng)的控制面板（Control panel）、GPIF代碼自動(dòng)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(shí)間，加快開(kāi)發(fā)速度。