1 通用串行總線和數(shù)字音頻
1.1 通用串行總線
　　通用串行總線(USB)是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接總線，用于支持寬范圍的PC外設(shè)的設(shè)計。USB拓?fù)溆腥齻€元素：主機(jī)(Host)，集線器(Hub)和功能塊(Function)。PC是主機(jī)，而外設(shè)是功能塊。外設(shè)通過USB電纜和協(xié)議與主機(jī)PC接口。為使能外設(shè)的多樣性，USB協(xié)議定義了4種傳輸類型：控制、同步、中斷和塊。
　　每種外設(shè)都應(yīng)支持控制傳送以便配置和命令/狀態(tài)信息流能在主機(jī)PC和外設(shè)之間流動。同步傳送提供可靠的總線訪問和恒定的數(shù)據(jù)率以支持CTI(Computer Telephony Integration)和音頻系統(tǒng)。中斷傳送支持像游戲桿、鼠標(biāo)和鍵盤之類的HID(Human Input Device)，這些設(shè)備不經(jīng)常地傳送少量的數(shù)據(jù)，但帶有確定的服務(wù)周期。塊傳送支持像打印機(jī)和數(shù)字相機(jī)之類的外設(shè)，這些設(shè)備當(dāng)總線帶寬有效時傳送大量數(shù)據(jù)給PC。
　　USB實行一種分塊的帶寬分配方案，如果外設(shè)超過當(dāng)前帶寬分配或等待時間要求，那么將拒絕訪問外設(shè)。在同步和中斷傳輸中可使用高達(dá)90%的總線帶寬，剩余的10%被保留用于控制傳輸。塊傳輸只能在帶寬有效時進(jìn)行。
1.2 Intel8x930Ax/Hx USB控制器
　　計算機(jī)外設(shè)的豐富及消費電子設(shè)備與計算機(jī)連接的實現(xiàn)，擴(kuò)展了PC機(jī)的應(yīng)用空間，同時外設(shè)的日益豐富也給用戶造成了連接上的困難。USB技術(shù)的提出是基于采用通用連接技術(shù)實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC機(jī)連接外設(shè)的范圍之目的。USB外設(shè)需通過USB與PC接口，8x930Ax/Hx便是一種將PC和外設(shè)溝通的器件。8x930Ax/Hx芯片是INTEL公司開發(fā)的具有USB功能的微控制器，既符合USB規(guī)范，又具有USB器件的某些結(jié)構(gòu)特征。它基于INTEL MCS251微控制器內(nèi)核，其高性能和低價格的組合使它成為PC圖象外設(shè)、數(shù)字音頻、PC電話及存儲設(shè)備的理想解決方案。
　　8x930Ax和8x930Hx這兩類芯片除了與USB的接口有點不同外，其余的功能完全相同。它們都為PC外設(shè)提供了一個USB接口。另外，8x930Hx還提供了Hub功能，允許連接另外的PC外設(shè)或HUB。下面以8x930Ax為例說明其功能和特性。
　　Intel8x930Ax USB外設(shè)控制器除集成了USB的特征外還提供了高性能大存儲器合裝和尋址、低功耗、低噪聲、有效的高級語言支持和增強(qiáng)的指令集以及綜合的特性和功能。Intel8x930Ax芯片為68引腳的PLCC封裝，其引腳排列如圖1所示，8x930Ax中的USB結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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1.2.1 收發(fā)器
　　USB電纜只包含4根電線：Vbus、D+、D－和GND。數(shù)據(jù)以12Mbs的全速信號率或1.5Mbs的低速率在D+和D－線上被差分驅(qū)動。收發(fā)器建在芯片上，不需要外部電路，除了在D+或D－線上用來選擇全速或低速設(shè)備的上拉限定電阻之外。
1.2.2 SIE
　　SIE(Serial Interface Engine)通過包排序、信號產(chǎn)生/檢測、CRC產(chǎn)生/校驗、NRZI數(shù)據(jù)編碼、位填充和包標(biāo)識(PID)產(chǎn)生/解碼來處理USB通信協(xié)議，并保證傳送到USB電纜上的數(shù)據(jù)字節(jié)以LSb開頭。
1.2.3 FIU
　　FIU(Function Interface Unit)管理基于傳送類型和FIFO狀態(tài)來接收和發(fā)送USB數(shù)據(jù)。它監(jiān)視事務(wù)狀態(tài)、管理FIFO和通過中斷請求轉(zhuǎn)播控制事件給8x930Ax的CPU。
1.2.4 FIFO
　　8x930Ax CPU控制器總共有8個FIFO：4個發(fā)送FIFO和4個接收FIFO。發(fā)送/接收FIFO支持4個功能塊端點(0～3)。端點0為16字節(jié)，專門用于控制傳送。端點1可配置到1024個字節(jié)，端點2和3每個為16字節(jié)，它們可用于中斷、同步或塊傳送。發(fā)送和接收FIFO是循環(huán)存放的堆棧，支持兩個大小可變的分立數(shù)據(jù)組和作為存放數(shù)據(jù)組中的字節(jié)數(shù)用的一字節(jié)計數(shù)寄存器。FIFO還有檢測FIFO空或滿的標(biāo)記且具有重新發(fā)送和接收當(dāng)前數(shù)據(jù)組的能力。
1.2.5 Firmware
　　Firmware是USB和用戶應(yīng)用代碼之間的接口。8x930Ax的代碼可使用Intel MCS51指令集以保護(hù)用戶以往的軟件投資、也可用MCS251指令集以便使應(yīng)用得到最佳的性能。
　　8x930Ax具有的其它特征為：
　　·256K字節(jié)外部代碼/數(shù)據(jù)存儲器；
　　·1K字節(jié)片上數(shù)據(jù)RAM；
　　·CPU中40字節(jié)通用目的寄存器；
　　·增強(qiáng)的串口(MCS51 UART)；
　　·3個16位定時器/計數(shù)器；
　　·硬件看門狗計時器(WDT)；
　　·4個8位I/O口；
　　·2種節(jié)電模式：空閑和掉電；
　　·256K字節(jié)地址空間；
　　·外部總線(復(fù)合)
　　地址：16、17或18位
　　數(shù)據(jù)：8位
　　·0、8或16K字節(jié)片上ROM；
　　·1024字節(jié)片上RAM；
　　·40字節(jié)寄存器文件；
　　·8個中斷矢量，與USB相關(guān)的有4個；
　　·用戶可選配置：外部地址范圍、等待狀態(tài)、頁模式；
　　·實時等待狀態(tài)；
　　·MCS51和MCS251微控制器代碼級兼容；
　　8x930Ax USB控制器的可編程計數(shù)陣列(PCA)，為要求實時比較/捕獲、高速I/O及脈寬調(diào)制(PWM)功能的應(yīng)用增加了靈活性。集成在8x930Ax芯片上的外設(shè)有多樣的組合，使之成為功能強(qiáng)大的微控制器。
1.3 USB音頻
　　目前用PC產(chǎn)生音頻有兩種方法。第一種是CD音頻，與家庭立體聲壓縮光盤播放機(jī)類似，CD－ROM驅(qū)動讀壓縮光盤和產(chǎn)生模擬信號輸出。此模擬信號輸入PC聲卡，經(jīng)進(jìn)一步處理后，用標(biāo)準(zhǔn)RCA插頭從PC機(jī)輸出。通過PC產(chǎn)生音頻的第二種方法是通過從內(nèi)存讀文件給聲卡來完成，聲卡完成解碼或處理，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量，并用標(biāo)準(zhǔn)RCA插頭從PC輸出此模擬信號，這是當(dāng)一個用戶下載一個音頻文件或從硬件驅(qū)動播放時的使用過程。
　　使用PC聲卡可能存在下列缺點：在將聲卡裝入PC插槽時，聲卡將占用像中斷、端口地址一樣的PC資源。另外，聲卡必須被插入PC機(jī)箱內(nèi)，因此必須重新配置，這在許多用戶看來是困難的。機(jī)箱內(nèi)還有電磁干擾(EMI)噪聲，這會限制機(jī)箱內(nèi)音頻方案的聲音質(zhì)量。在從CD－ROM到聲卡的過程中存在模擬信號，因為設(shè)計的復(fù)雜性，聲卡限制了通道數(shù)目。這會妨礙它們的音階能力，而且在沒有給音箱增加功率時無法在多通道環(huán)繞聲系統(tǒng)中使用。
　　USB位于機(jī)箱外，因此很適合于音頻應(yīng)用。音頻數(shù)據(jù)在PC機(jī)內(nèi)是數(shù)字的，它轉(zhuǎn)換為模擬量時恰好位于音箱放大電路前面，這將改善聲音的質(zhì)量。數(shù)字音頻具有更高的逼真性，這在音頻的高端更明顯。基于USB的音頻方案很容易被改變以允許音箱廠商在主機(jī)PC和USB控制器之間不用增加任何硬件就可提高音頻的質(zhì)量。例如，具有多于兩個音頻數(shù)據(jù)通道是可能的，以豐富用戶的多媒體終端。類似地，易于即插即用的特性使USB結(jié)構(gòu)更吸引人。這樣，數(shù)據(jù)處理可在主機(jī)上完成，為音箱制造商提供了一個降低存儲成本的方法，用戶只需買一對有USB兼容能力的音箱即可。
　　USB也具有處理音頻應(yīng)用要求的帶寬，CD具有44.1kHz的采樣率，每個采樣為16位。因為USB的幀速率是10ms內(nèi)，音頻外設(shè)將接收包含44個采樣的9幀數(shù)據(jù)及包含45個采樣的1幀數(shù)據(jù)。也就是說，在10ms的時間周期內(nèi)，外設(shè)將接收9×44+45＝441個采樣，平均每毫秒接收44.1個采樣，等于44.1kHz的采樣率。
　　假設(shè)音頻數(shù)據(jù)為二個通道，加上協(xié)議開銷10個字節(jié)，和最壞情況下16%的位填充，播放系統(tǒng)需控制(45×16×2+10)×1.16＝1682位/ms，或接近210字節(jié)/ms。每個USB幀具有1024字節(jié)的數(shù)據(jù)負(fù)荷。因此，立體聲音頻信號的播放大約會消耗可用USB帶寬的20%。每個210字節(jié)包中，有(45×16×2)/8＝180字節(jié)的原始音頻數(shù)據(jù)。
2 8x930Ax/Hx接口
2.1 8x930Ax/Hx與USB的接口
　　8x930Ax/Hx與USB除了上述接口外，對于音頻應(yīng)用還具有以下特點：①對于給定數(shù)據(jù)有效載荷大小，音頻應(yīng)用將使用8x930Ax/Hx的端點1，且8x930Ax/Hx端點1的1024字節(jié)FIFO將被配置成2個512字節(jié)。②數(shù)據(jù)傳送類型采用同步傳送。在音頻流發(fā)送期間，從幀X來的數(shù)據(jù)將被讀入A。在幀(X+1)的開始點，A中的數(shù)據(jù)將變?yōu)闊o效，而從主機(jī)來的數(shù)據(jù)被讀入B。在幀(X+2)的開始點，B中的數(shù)據(jù)無效，從主機(jī)來的數(shù)據(jù)將覆蓋A。需注意的是，在同步傳送中不使用重新發(fā)送的特性。③USB協(xié)議要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須以LSb和LSB開頭。在一個給定字節(jié)內(nèi)由SIE負(fù)責(zé)從LSb到MSb進(jìn)行發(fā)送，因此用戶不必?fù)?dān)心LSb開頭，但用戶需保證多字節(jié)數(shù)據(jù)包以LSB開頭進(jìn)行傳送。
2.2 8x930Ax/Hx與音頻編解碼器的接口
　　一旦數(shù)據(jù)從USB電纜上俘獲進(jìn)入收發(fā)器FIFO，有二種方法將數(shù)據(jù)從8x930Ax/Hx傳送到音頻編解碼器。第一種是通過串行I/O端口。第二種是通過系統(tǒng)總線(8位I/O端口0和2)。對于同步傳送，8x930Ax/Hx被配置成高速設(shè)備，運行在12MHz。
　　串行I/O端口支持與Modem和其它外部外設(shè)的通信。它能工作在3個全雙工異步模式或1個半雙工同步模式。在半雙工模式(模式0)，時鐘由RXD引腳輸出，同時數(shù)據(jù)也由RXD引腳發(fā)送和接收。通過使用串行端口控制(SCON)和串行緩沖(SBUFF)寄存器來控制傳送。與發(fā)送/接收FIFO類似，數(shù)據(jù)以LSb開頭傳送。
　　另外的接口信號通過使用剩余的I/O端口(端口1和3)來控制，SCON寄存器中的TI位能被登記以決定一個數(shù)據(jù)采樣傳送的完成，由此觸發(fā)LRCLK信號。因為8x930Ax/Hx只有一個串行I/O口，控制信息的傳送需被明確編程。系統(tǒng)總線(端口0和2)用來與外部存儲器進(jìn)行通信。外部總線通過使用接口的8位端口支持16位尋址和8位數(shù)據(jù)。一個端口用于8位地址信息而另8位端口則是地址和數(shù)據(jù)復(fù)合使用的，從音頻編解碼的觀點來看，不管8x930Ax/Hx是否被配置成頁模式或非頁模式。
　　使用并行接口的音頻編解碼器可看作是第二個存儲設(shè)備。音頻編解碼器可使用控制接口請求數(shù)據(jù)樣品或控制信息，在控制器檢測到請求后，它把數(shù)據(jù)寫入到系統(tǒng)總線上。應(yīng)特別注意地址解碼和總線定時。
　　8x930Ax/Hx的第17和18位尋址模式是非常有用的。外部PAL或邏輯門能解碼這二個信號以產(chǎn)生音頻編解碼器的使能信號。控制信號的傳送可用端口1和3來進(jìn)行。與串口I/O方法類似，在這些引腳上的信號轉(zhuǎn)換都應(yīng)被明確編程。
　　8x930Ax/Hx與Analog Device公司16位并行立體聲音頻編解碼器AD1845的接口框圖如圖3所示。