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(多图) USB2.0特性及USB单片机

来源:单片机与嵌入式系统应用 / 作者: 电子科技大学 陈汝全?? 2006年08月06日 ?? 收藏0

?????? 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?盨为全速(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。

?典型USB功能器件结构框图
图1 典型USB功能器件结构框图

?高速外设的USB线缆与电阻的连接图
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。

USB的Hub(集线器)结构

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

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USB? 单片机? 特性?

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