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USB3.0接口技術與電路設計

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摘要： USB作為一種新型的接口技術，以其簡單易用、速度快等特點而備受青睞。本文簡要介紹USB 接口的特點、硬件結構、數據流傳送以及外設控制器的實現方式。并詳細說明利用51單片機結合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸的多功能USB接口電路的過程。

關鍵詞： 接口IC USB3.0接口 DMA傳輸 51單片機

Abstract：

Key words :

　　引言

　　USB的英文全稱為Universal Serial Bus,中文含義是通用串行總線，它是一種快速的，雙向的，同步傳輸的廉價的并可以進行熱拔插的串行接口。USB接口使用方便，它可以連接多個不同的設備，而過去的串口和并口只能接一個設備。速度快是USB技術的突出特點之一。全速USB接口的最高傳輸率可達12Mb/s,比串口快了整整100倍，而執行USB2.0標準的高速USB接口速率更是達到了480Mb/s.這使得高分辨率、真彩色的大容量圖象的實時傳送成為可能。USB接口支持多個不同設備的串列連接，一個USB接口理論上可以連接127個USB設備。連接方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器(Hub)把多個設備連接在一起，再同PC機的USB接口相接。普通的使用串口、并口的設備都需要單獨的供電系統，而USB設備則不需要。正是由于USB的這些特點，使其獲得了廣泛的應用。到目前為止，USB已經在PC機的多種外設上得到應用，包括掃描儀，數碼相機，數碼攝像機、音頻系統、顯示器、輸入設備等。對于廣大的工程設計人員來說，USB是設計外設接口時理想的總線。

　　對于USB接口芯片，通常分為普通和DMA(直接存儲器存取)兩種工作模式。相對于普通模式，DMA數據傳輸模式傳輸速率更快，更適合于視頻數字信號等高速、實時信號的傳送。但遺憾的是，國內市場上提供的各種USB接口電路板大部分僅工作在普通模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設計開發。為了解決這個問題，我們對USB的原理進行了研究，嘗試著利用51單片機結合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸的多功能USB接口電路，現已設計出了完整的硬件電路。

　　1、USB概述

　　由于多媒體技術的發展對外設與主機之間的數據傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術應運而生。USB(Universal Serial Bus)翻譯為中文就是通用串行總線，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司為簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設之間的連接，還可實現數字多媒體集成。現在生產的PC幾乎都配備了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統都增加了對 USB的支持。

　　USB的主要優點：

　　l 使用方便。連接外設不必再打開機箱;允許外設熱插拔，而不必關閉主機電源。

　　l 速度快。USB支持三種設備傳輸速率：1.5 Mb/s(低速設備)、12 Mb/s(中速設備)和480 Mb/s(高速設備)。

　　l 獨立供電。USB接口提供了內置電源。

　　l 連接靈活。一個USB口理論上可以連接127個USB設備。連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器Hub，把多個設備連接在一起，再同PC機的USB口相接。

　　l 成本低。為了把外設連接到PC上，USB提供了一種低成本的解決方案。

　　現在滿足USB要求的外設有：調制解調器，鍵盤，鼠標，光驅，游戲手柄，軟驅，掃描儀，音箱等。USB總線標準由1.1版升級到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了480Mbps，更換介質后連接距離由原來的5米增加到近百米。基于這點，USB也可以做生產ISDN以及基于視頻的產品。USB 總線結構簡單，信號定義僅由2條電源線，2條信號線組成。

　　2、USB結構與工作原理

　　一個USB系統可以從三個方面加以描述

　　(1)USB互聯。

　　(2)USB設備。

　　(3)USB主機。

　　USB互聯是指一個USB設備與USB主機相聯并和其通信的方式,它包括：

　　(1)總線拓撲結構：USB主機和USB設備的連接模型。

　　(2)層間關系：USB在系統中的每一層都要完成一定的任務。

　　(3)數據流模型：USB系統中信源和信息之間的數據傳送方式。

　　(4)任務規劃：USB提供可以共享的互聯機制。通過規劃對互連機制的訪問，可以支

　　持同步數據傳輸。

　　下面簡要討論USB硬件結構和數據流傳輸。

　　2.1 USB硬件結構

　　一個USB系統包含三類硬件設備: USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)、USB集線器(USB HUB)。參見圖2-1。

　　(1)USB HOST

　　在一個USB系統中，當且僅當有一個USB HOST時，USB HOST有以下功能:

　　◇ 管理USB系統;

　　◇ 每毫秒產生一幀數據;

　　◇ 發送配置請求對USB設備進行配置操作;

　　◇ 對總線上的錯誤進行管理和恢復。

　　(2)USB DEVICE

　　在一個USB系統中，USB DEVICE和USB HUB總數不能超過127個。USB DEVICE接收USB總線上的所有數據包，通過數據包的地址域來判斷是不是發給自己的數據包：若地址不符，則簡單地丟棄該數據包;若地址相符，則通過響應USB HOST的數據包與USB HOST進行數據傳輸。

　　(3)USB HUB

　　USB HUB用于設備擴展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。一個USB HOST總與一個根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時，USB HUB可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過響應USB HOST的數據包把端口狀態匯報給USB HOST。一般來說，USB設備與USB HUB間的連線長度不超過5m，USB系統的級聯不能超過5級(包括ROOT HUB)。

　　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2-1是典型的USB功能器件結構框圖，圖2-3是高速外設的USB線纜與電阻的連接圖。圖2-3中：FS為全速(高速);LS為低速;R1=15kΩ，R2=15kΩ。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，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字節數據。每個數據包的傳送都以1個同步字段開始。

　　2.2 USB的數據流傳輸

　　主控制器負責主機和USB設備間數據流的傳輸。這些傳輸數據被當作連續的比特流。每個設備提供了一個或多個可以與客戶程序通信的接口，每個接口由0個或多個管道組成，它們分別獨立地在客戶程序和設備的特定終端間傳輸數據。USBD為主機軟件的現實需求建立了接口和管道，當提出配置請求時，主控制器根據主機軟件提供的參數提供服務。

　　USB支持四種基本的數據傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸及數據塊傳輸。每種傳輸模式應用到具有相同名字的終端，則具有不同的性質。

　　控制傳輸類型：支持外設與主機之間的控制，狀態，配置等信息的傳輸，為外設與主機之間提供一個控制通道。每種外設都支持控制傳輸類型，這樣主機與外設之間就可以傳送配置和命令/狀態信息。

　　等時傳輸類型：支持有周期性，有限的時延和帶寬且數據傳輸速率不變的外設與主機間的數據傳輸。該類型無差錯校驗，故不能保證正確的數據傳輸，支持像計算機-電話集成系統(CTI)和音頻系統與主機的數據傳輸。

　　中斷傳輸類型：支持像游戲手柄，鼠標和鍵盤等輸入設備，這些設備與主機間數據傳輸量小，無周期性，但對響應時間敏感，要求馬上響應。

　　數據塊傳輸類型：支持打印機，掃描儀，數碼相機等外設，這些外設與主機間傳輸的數據量大，USB在滿足帶寬的情況下才進行該類型的數據傳輸。

　　USB采用分塊帶寬分配方案，若外設超過當前帶寬分配或潛在的要求,則不能進入該設備。同步和中斷傳輸類型的終端保留帶寬，并保證數據按一定的速率傳送。集中和控制終端按可用的最佳帶寬來傳輸傳輸數據。

　　3、USB外設控制器的兩種實現方式

　　USB芯片在外設領域的應用面很廣。USB外設控制芯片通常包括USB收發器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外設功能等四個模塊(SIE 主要以硬件方式處理大多數USB協議，USB控制器負責與PC交互通信信息)。USB控制器一般有兩種類型：一種是MCU集成在芯片里面的，如 Intel的8X930AX、CYPRESS的EZ-USB、SIEMENS的C541U以及 MOTOLORA、National Semiconductors等公司的產品;另一種就是純粹的USB接口芯片，僅處理 USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD11(I2C接口)、 PDIUSBP11A、PDIUSBD12(并行接口)，National Semiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。

　　集成MCU的USB控制芯片優點是CPU與控制器在同一片芯片里，CPU只需要訪問一系列寄存器和存儲器，便可實現USB口的數據傳輸，最大限度的發揮 USB高速的特點。而且簡化了程序的設計，極大地降低了USB外設的開發難度。缺點是靈活性不夠高，開發成本較大。

　　純粹的USB接口芯片的優點是系統組成靈活，可根據不同的系統需求，搭配不同的MCU，具有較高的性能價格比。但因為USB控制器是通過串行口或并行口與MCU連接，在傳輸速度方面和開發難度方面不如集成了MCU的控制芯片。

　　不同的實現方式在設計開銷、上市時間、元器件開銷和引腳數方面各有優劣，選擇不同的方案意味著在以上各項指標中進行取舍。

　　本文主要介紹PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。該芯片是一款性價比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統中實現與微控制器進行通信的高速通用并行接口，設計者可根據需要選擇合適的微控制器，靈活性較大，適用于開發低成本且高效的USB外圍設備。

　　4、應用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設計

　　目前，市場上提供的USB接口電路板很多，但大部分僅使用普通的工作模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設計開發。

　　所謂的DMA傳送方式，全名叫直接存儲器存取(Direct Memory Access)數據傳送方式，是指采用專門的硬件(DMA控制器)來執行數據傳送。DMA控制器可以從CPU那里接管系統總線的控制權，并且由本身發出存儲器地址信號以及訪問存儲器和I/O設備的讀/寫脈沖等控制信號，使得數據通過總線，直接在存儲器和I/O設備之間(或I/O設備與存儲器之間，存儲器與存儲器之間)進行傳送。在DMA接管總線執行數據傳送過程中，CPU暫停工作。

　　由于DMA傳送方式僅僅在需要占用總線傳送數據時才暫停CPU的操作，CPU的工作效率極高，傳輸數據可由硬件自身控制，大大提高了傳送速率，十分適合于高速數據的采集。

　　下面就介紹一下我們利用51單片機結合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸的多功能USB接口電路。

　　4.1 系統概況

　　該系統主要實現USB的接口功能，通過它，外設與計算機之間可以實現USB方式的連接。外設接口1用于DMA方式數據的傳送，可與CCD攝像頭等設備相連。外設接口2采用了標準的IDE接口方式，可直接于硬盤等大容量存儲器相連，傳輸海量數據，也可以通過接口轉換，與其他功能的外設相連，具有較廣的適用性。

　　下面說明了此多功能USB接口電路的框圖：

　　這個框圖顯示了兩種接口方案：普通模式和DMA模式。

　　(1)方案一：普通模式

　　圖4-2是該USB接口電路普通模式的框圖，該框圖說明了連接外設的一種簡單模式，所有寄存器和數據的讀寫都是通過8051 的I/O 來仿真的，因此數據吞吐速率較低，適合間歇式數據的傳送。

　　(2)方案二：DMA模式

　　數據傳送以DMA方式，直接由D12傳送到計算機里，MCU只完成DMA的初始化工作，傳輸速度快，適合于視頻數字信號等高速實時傳送。

　　系統詳細的電原理圖和電路板結構圖參見附錄。

　　4.2 系統主要部件及電路

　　該系統主要由89C51控制電路、PDIUSBD12 接口電路、數據選擇電路、串并轉換電路、掛起復位電路、IDE擴展接口電路等組成，下面分述各部分的功能和特點。

　　4.2.1 89C51控制電路

　　89C51是該接口電路的控制核心，其中P0,P2口用做16位數據I/O口，P1,P3口用做控制。

　　89C51的晶振頻率為24MHz,每個機器周期為0.5us.

　　4.2.2 PDIUSBD12 接口電路

　　PDIUSBD12是一個性能優化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統并與微控制器通過高速通用并行接口進行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實現一個 USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統微控制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發時間、風險和成本，是開發低成本且高效的USB外圍設備解決方案的一種最快途徑。 PDIUSBD12完全符合USB1.1規范，也能適應大多數設備類規范的設計，如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設備等，因此，PDIUSBD12 非常適合做很多外圍設備，如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器( Zip驅動器)和數碼相機等。現在用SCSI實現的很多設備如果用 USB來實現可以直接降低成本。

　　PDIUSBD12掛起時的低功耗以及LazyClock輸出符合ACPI 、OnNOW和USB電源管理設備的要求。低功耗工作允許實現總線供電的外圍設備。

　　PDIUSBD12還集成了像SoftConnect、GoodLink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統實現時節省成本，同時在外圍設備上很容易實現更高級的 USB功能。

　　(1)內部結構

　　① 模擬收發器。集成的收發器直接通過終端電阻與USB電纜接口。

　　② 電壓調整器。片上集成的1個3.3 V電壓調整器為模擬收發器供電，也提供連接到外部1.5 kΩ上拉電阻的輸出電壓。作為選擇，PDIUSBD12提供集成1.5 kΩ上拉電阻的SoftConnect技術。

　　③ PLL。片上集成1個6~48 MHz的倍頻PLL(鎖相環)，允許使用6 MHz的晶振，EMI也由于使用低頻晶振而減小。PLL的工作不需要外部器件。

　　④ 位時鐘恢復。位時鐘恢復電路用4倍過采樣原理從輸入的USB 數據流中恢復時鐘，能跟蹤USB規范中指出的信號抖動和頻率漂移。

　　⑤ PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全實現USB協議層。考慮到速度，它是全硬件的，不需要固件(微程序)介入。這個模塊的功能包括：同步模式識別、并 /串轉換、位填充/不填充、CRC校驗、PID確認、地址識別以及握手鑒定。

　　⑥ SoftConnect。高速設備與USB的連接是靠把D+通過1個1.5 kΩ的上拉電阻接到高電平來建立的。在PDIUSBD12中，這個上拉電阻是集成在芯片內的，缺省是沒有連接到VDD，這個連接是靠外部 MCU發一個命令來建立的。這使得系統微處理器可以在決定建立 USB連接之前完成初始化。重新初始化USB總線連接也可以不用拔掉電纜來完成。

　　⑦ GoodLink。GoodLink是靠一個引腳接發光二極管實現的。在 USB設備枚舉時LED指示燈將立即閃亮;當PDIUSBD12被成功枚舉并配置時， LED指示燈將會始終亮;經過PDIUSBD12的USB數據傳輸過程中， LED將一閃一閃，傳輸成功后LED熄滅;在掛起期間，LED熄滅。這種特性可以使我們知道 PDIUSBD12的狀態，方便電路調試。

　　⑧ 存儲器管理單元MMU和集成RAM。MMU和集成RAM能緩沖USB(工作在 12Mb/s)數據傳輸和微控制器之間并行接口之間的速度差異，這允許微控制器以自己的速度讀寫USB包。

　　⑨ 并行和DMA接口。并行接口容易使用、速度快并且能直接與主微控制器接口。對于微控制器，PDIUSBD12可以看成是一個有8位數據總線和1位地址線的存儲設備。 PDIUSBD12支持多路復用和非多路復用的地址和數據總線。在主端點(端點 2)和局部共享存儲器之間也可使用DMA(直接存儲器存取)傳輸。它支持單周期模式和塊傳送模式兩種DMA傳輸。

　　(2)PDIUSBD12引腳說明

　　(3)PDIUSBD12的典型連接

　　PDIUSBD12與80C51的連接電路如圖4-6 所示。在這個例子中， ALE始終接低電平，說明采用單獨地址和數據總線配置。A0 腳接80C51的任何I/O引腳，控制是命令還是數據輸入到PDIUSBD12 。80C51的P0口直接與PDIUSBD12的數據總線相連接，CLKOUT 時鐘輸出為80C51提供時鐘輸入。

　　(4)PDIUSBD12的DMA 傳輸

　　直接存儲器尋址允許在主端點和本地共享存儲器間實現數據塊的有效傳輸.使用DMA控制器,PDIUSBD12 的主端點和本地共享存儲器間的數據傳輸可自主進行而不需要本地CPU 的干預.要處理任何DMA傳輸,本地CPU 從主機接收必要的建立信息并對DMA控制器進行相應的編程.典型的對DMA控制器的傳輸模式、字節計數寄存器和地址計數器進行正確的編程。在該模式下， PDIUSBD12 發出請求時開始傳輸，當字節計數器減少為零時終止。在DMA 控制器編程之后，本地CPU 在初始化傳輸時將PDIUSBD12 中的DMA使能位置位。

　　PDIUSBD12 可編程為單周期DMA或突發模式DMA。在單周期DMA 中，DMREQ在每單個應答后直到被DMACK_N 重新激活之前保持無效。在突發模式DMA 中，DMREQ 在器件中突發編程時一直保持有效。該過程持續到PDIUSBD12 通過EOT_N 接收到一個DMA 終止信息。這時產生一個中斷指示本地CPU ，DMA操作已經完成。

　　在DMA 讀操作時，DMREQ 僅當緩沖區完全表示主機成功的發送了一個信息包到PDIUSBD12 時才有效。由于具有雙緩沖配置主機可以在第一個緩沖區被讀出時對第二個緩沖區進行填充。這種并行的處理有效的增加了數據吞吐量。當主機沒有完全填滿緩沖區的情況下(單向ISO 配置時小于64 或128 字節)。DMREQ 會在緩沖區的最后一個字節時無效，而不管當前的DMA突發計數。在更新了DMA突發計數的下一個包發送時，DMREQ 再次被激活。

　　DMA的寫操作與之相似，當緩沖區未裝滿時，DMREQ 一直有效。當緩沖區填滿時，在下一個IN 標志將信息包送入主機。當傳輸完成之后DMREQ 變為無效。同樣的，雙緩沖配置在這也改善了數據的吞吐量。在非同步傳輸中(批量模式和中斷)，在數據被發送到主機之前，緩沖區需要通過DMA寫操作完全裝滿。唯一的例外是，在DMA傳輸結束時，EOT_N 接收的信號將會停止DMA寫操作并且在下一個IN 標志置位時將緩沖區的內容傳送到主機。

　　在同步模式中，本地CPU 和DMA 控制器必須保證它們在一個USB 幀(1ms )中能夠吞吐的最大信息包的規模。DMACK_N 的激活將自動選擇主端點(端點2 )而不管當前選擇的端點。PDIUSBD12的DMA操作可通過普通的I/O 對其它端點的存取實現交叉存取。DMA操作可通過以下方式終止：復位DMA使能寄存器位或EOT_N 加上DMACK_N 以及RD_N/WR_N的激活。

　　PDIUSBD12 支持單地址模式中的DMA傳輸，也可以在DMA 控制器的雙地址模式中工作。在單地址模式中，DMA 通過DREQ ，DMACK_N，EOT_N，WR_N 和RD_N 控制線實現傳輸。在雙地址模式中，DMREQ,DMACK_N和EOT_N未用，取而代之的是CS_N,WR_N和RD_N控制信號。需要遵循 PDIUSBD12的I/O 模式傳輸協議。在讀周期中對DMAC 信號源進行訪問，在寫周期對目標進行訪問。傳輸需要兩個單獨的總線周期來儲存暫存在DMAC 中的數據。

　　4.2.3 DMA方式數據傳輸電路

　　上面詳細介紹了PDIUSBD12芯片的原理和工作方式，下面將介紹接口電路板工作在DMA方式的原理。該傳輸方式的原理框圖參看圖4-3。

　　當外設接口1接入要求DMA傳輸的設備，51單片機向D12發出DMA傳送的指令，并通過控制口線使157數據選擇電路里74164傳送過來的并行數據直接與D12的并行接口相連，不在進入51單片機，在完成了對D12 DMA傳送初始化以后，MCU不再控制傳送，而由計數器滿8向D12發送一個讀信號，使D12 讀取164內存儲的8個字節的數據，如此反復，整個傳輸過程由硬件完成，不受MCU 的速率限制，從而實現了DMA傳輸。

　　此工作方式適用于視頻數字信號的傳輸，下面是連接CCD攝像頭的電路示意圖：

　　CCD_IN為經過A/D轉化或二值化處理的視頻數字信號，CCD_CLK1為脈沖同步信號，CCD_CLK2為行同步信號，CCD_CLK3為場同步信號。計數器對CCD_CLK1進行計數，滿8個脈沖向D12的讀端發一個低電平，通知D12對164里面的數據進行讀取。

　　4.2.4 數據選擇電路

　　數據選擇電路是由兩片74H157搭建而成，數據選擇DATA_SEL端連到了51的控制口線上，由51控制D12的并行數據I/O口是和51的P0口相連還是和74HC93串并轉換輸出的并行數據線相連，從而到達了數據選擇的作用。

　　4.2.5 串并轉換及計數器電路

　　電路中74HC164起了串并轉換的作用，在DMA工作方式下，通過接入數據同步脈沖，把外設接口1送入的串行數據轉化成并行數據，供D12直接讀取。

　　計數器74HC93負責對CCD_CLK1進行計數，滿8個脈沖向D12的讀端發一個低電平，通知D12對164里面的數據進行讀取。

　　4.2.6 復位掛起電路

　　復位掛起電路

　　掛起和復位電路被設計在一起，允許器件進入掛起模式還可以達到在USB 規格Rev.1.1 中所陳述的掛起限制電流。

　　執行此功能以后將強迫MCU 進入掉電模式，MCU 振蕩器停止工作。只有硬件復位才能喚醒MCU工作。從這個電路中，復位信號是連接到復位電路的，當上位PC 機從掛起狀態恢復時，將導致D12 觸發掛起信號，并通過上面的電路而產生復位信號。

　　4.2.7 外設接口2