USB3.0接口技术与电路设计

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USB的英文全称为Universal Serial Bus，中文意思是通用串行总线，它是一种高速的，双向的，同步传输的廉价的并能够举行热拔插的串行接口。USB接口运用简约，它能够衔接多个不一样的配备，而从前的串口和并口只好接一个配备。

速度快是USB技术的突出特征之一。全速USB接口的最高传输率可达12Mb/s，比串口快了整整100倍，而执行USB2.0规范的高速USB接口速率更是抵达了480Mb/s.这使得高分辨率、真多彩的大容量图象的及时传送成为能够。

USB接口支持多个不一样配备的串列衔接，一个USB接口实际上能够衔接127个USB配备。衔接方式也十分灵敏，既能够运用串行衔接，也可以够运用集线器(Hub)把多个配备衔接在一同，再同PC机的USB接口相接。普通的运用串口、并口的配备都须要单独的供电系统，而USB配备则不须要。正是由于USB的这些特征，使其获得了普遍的使用。到当前为止，USB曾经在PC机的多种外设上得到使用，包含扫描仪，数码相机，数码摄像机、音频系统、显示器、输进配备等。关于广阔的工程设计人员来说，USB是设计外设接口时理想的总线。

关于USB接口芯片，通常分为普通和DMA(直接存储器存取)两种任务方式。绝关于普通方式，DMA数据传输方式传输速率更快，更适宜于视频数字信号等高速、及时信号的传送。但遗憾的是，内地市场上提供的各种 USB接口电路板大局部仅任务在普通方式，缺少对DMA任务方式的支持，不能直接用于象CCD数字摄像机USB接口这样的须要任务在DMA方式下的设计开发。为了处置这个疑问，我们对USB的原理举行了揣摩，尝试着使用51单片机结合PHILIPS公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件设计带DMA任务方式的可供视频信号传输的多功用USB接口电路，现已设计出了完壁的硬件电路。

1、USB概述

由于多媒体技术的成长对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因而，USB总线技术应运而生。 USB(Universal Serial Bus)翻译为中文就是通用串行总线，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同揣摩开发的一种不花钱的规范化衔接器，它支持各种PC与外设之间的衔接，还可完成数字多媒体集成。如今生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等盛行操作系统都添加了对 USB的支持。
USB的首要优点：

   

• 运用简约。衔接外设不用再翻开机箱;准许外设热插拔，而不用关闭主机电源。   
  
• 速度快。USB支持三种配备传输速率：1.5 Mb/s(低速配备)、12 Mb/s(中速配备)和480 Mb/s(高速配备)。   
  
• 独立供电。USB接口提供了内置电源。   
  
• 衔接灵敏。一个USB口实际上能够衔接127个USB配备。衔接的方式也十分灵敏，既能够运用 串行衔接，也可以够运用集线器Hub，把多个配备衔接在一同，再同PC机的USB口相接。   
  
• 本钱低。为了把外设衔接到PC上，USB提供了一种低本钱的处置方案。
  

如今满足USB要求的外设有：调制解调器，键盘，鼠标，光驱，游戏手柄，软驱，扫描仪，音箱等。USB总线规范由1.1版晋级到2.0版后，传输率由12Mbps添加到了480Mbps，更换介质后衔接距离由原来的5米添加到近百米。基于这点，USB也可以够做生产ISDN以及基于视频的产品。USB 总线构造容易，信号定义仅由2条电源线，2条信号线组成。

2、USB构造与任务原理

一个USB系统能够从三个方面加以描画

   

• USB互联。   
  
• USB配备。   
  
• USB主机。
  

USB互联是指一个USB配备与USB主机相联并和其通讯的方式,它包含：

   

• 总线拓扑构造：USB主机和USB配备的衔接模型。   
  
• 层间联系：USB在系统中的每一层都要完成必须的职务。   
  
• 数据流模型：USB系统中信源和信息之间的数据传送方式。   
  
• 职务谋划：USB提供能够共享的互联机制。议决谋划对互连机制的访问，能够支持同步数据传输。
  

下面扼要探讨USB硬件构造和数据传达输。

2.1 USB硬件构造

一个USB系统包含三类硬件配备: USB主机(USB HOST)、 USB配备(USB DEVICE)、USB集线器(USB HUB)。参见图2-1。

(1)USB HOST
在一个USB系统中，当且仅当有一个USB HOST时，USB HOST有以下功用:

   

• 维护USB系统;   
  
• 每毫秒发生一帧数据;   
  
• 发送配置央求对USB配备举行配置操作;   
  
• 对总线上的错误举行维护和恢复。
  

(2)USB DEVICE

在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超越127个。USB DEVICE接纳USB总线上的一切数据包，议决数据包的地址域来判别是不是发给自己的数据包：若地址不符，则容易地丢弃该数据包;若地址相符，则议决照应USB HOST的数据包与USB HOST举行数据传输。

(3)USB HUB

USB HUB用于配备扩展衔接，一切USB DEVICE都衔接在USB HUB的端口上。一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。USB HUB为其每个端口提供100mA电流供配备运用。同时，USB HUB能够议决端口的电气改动诊断出配备的插拔操作，并议决照应USB HOST的数据包把端口形态汇报给USB HOST。普通来说，USB配备与USB HUB间的连线长度不超越5m，USB系统的级联不能超越5级(包含ROOT HUB)。

USB总线最多可支持127个USB外设衔接到计算机系统。USB的拓扑是树形构造，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线缆包含4条线：Vbus(USB电源)、D+(数据)、D-(数据)和 Gnd(USB地)。线缆最大长度不超越5m。USB1.1的传输速率最高为12Mb/s(低速外设的规范速率为1.5Mb/s，高速外设的规范速率为 12Mb/s)。图2-1是典型的USB功用器件构造框图，图2-3是高速外设的USB线缆与电阻的衔接图。图2-3中：FS为全速(高速);LS为低速;R1=15kΩ，R2=15kΩ。USB外设能够采用计算机里的电源(+5V，500mA)，也可外接USB电源。在一切的USB信道之间静态地分配带宽是USB总线的特征之一，这大大地提高了USB带宽的使用率。当一台USB外设长时间(3ms以上)不运用时，就处于挂起形态，这时只消耗0.5mA 电流。按USB1.0/1.1规范，USB的规范脉冲时钟频率为12MHz，而其总线时脉冲时钟为1ms(1kHz)，即每隔1ms，USB器件应为 USB线缆发生1个时钟脉冲序列。这个脉冲系列称为帧开端数据包(SOF)。高速外设长度为每帧12000bit(位)，而低速外设长度只需每帧 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个同步字段开端。

2.2 USB的数据传达输

主控制器担任主机和USB配备间数据流的传输。这些传输数据被当作延续的比特流。每个配备提供了一个或多个能够与客户顺序通讯的接口，每个接口由0个或多个管道组成，它们辨别独立地在客户顺序和配备的特定终端间传输数据。USBD为主机软件的真实需求树立了接口和管道，当提出配置央求时，主控制器依据主机软件提供的参数提供服务。

   

• USB支持四种根本的数据传输方式：控制传输，等时传输，中缀传输及数据块传输。每种传输方式使用到具有类似名字的终端，则具有不一样的性质。形态，配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就能够传送配置和命令/形态信息。   
  
• 等时传输类型：支持有周期性，有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无过失校验，故不能保证正确的数据传输，支持像计算机-电话集成系统(CTI)和音频系统与主机的数据传输。   
  
• 中缀传输类型：支持像游戏手柄，鼠标和键盘等输进配备，这些配备与主机间数据传输量小，无周期性，但对照应时间敏感，要求立刻照应。   
  
• 数据块传输类型：支持打印机，扫描仪，数码相机等外设，这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才举行该类型的数据传输。
  

USB采用分块带宽分配方案，若外设超越现在带宽分配或潜在的要求,则不能进入该配备。同步和中缀传输类型的终端保管带宽，并保证数据按必须的速率传送。集中和控制终端按可用的最好带宽来传输传输数据。

3、USB外设控制器的两种完成方式

USB芯片在外设范围的使用面很广。USB外设控制芯片通常包含USB收发器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外设功用等四个模块(SIE 首要以硬件方式处置大非少数USB协议，USB控制器担任与PC交互通讯信息)。USB控制器普通有两品种型：一种是MCU集成在芯片内部的，如 Intel的8X930AX、CYPRESS的EZ-USB、SIEMENS的C541U以及 MOTOLORA、National SemicondUCtors 等公司的产品;另一种就是地道的USB接口芯片，仅处置 USB通讯，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控制芯片优点是CPU与控制器在同一片芯片里，CPU只须要访问一系列存放器和存储器，便可完成USB口的数据传输，最大限制的发扬 USB高速的特征。并且简化了顺序的设计，极大地降低了USB外设的开发难度。缺陷是灵敏性不够高，开发本钱较大。

地道的USB接口芯片的优点是系统组成灵敏，可依据不一样的系统需求，搭配不一样的MCU，具有较高的功用价钱比。但由于USB控制器是议决串行口或并行口与MCU衔接，在传输速度方面和开发难度方面不如集成了MCU的控制芯片。

不一样的完成方式在设计开支、上市时间、元器件开支和引脚数方面各有优劣，挑选不一样的方案意味着在以上各项目标中举行取舍。

本文首要引见PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。该芯片是一款性价比很高的USB器件，它通常用作微控制器系统中完成与微控制器举行通讯的高速通用并行接口，设计者可依据须要挑选适宜的微控制器，灵敏性较大，适用于开发低本钱且高效的USB外围配备。

4、使用：带DMA视频信号接口功用的USB接口电路设计

当前，市场上提供的USB接口电路板许多，但大局部仅运用普通的任务方式，缺少对DMA任务方式的支持，不能直接用于象CCD数字摄像机USB接口这样的须要任务在DMA方式下的设计开发。

所谓的DMA传送方式，全名叫直接存储器存取(Direct Memory Access) 数据传送方式，是指采用专门的硬件(DMA控制器)来执行数据传送。DMA控制器能够从CPU那里接收系统总线的控制权，并且由本身发出存储器地址信号以及访问存储器和I/O配备的读/写脉冲等控制信号，使得数据议决总线，直接在存储器和I/O配备之间(或I/O配备与存储器之间，存储器与存储器之间)举行传送。在DMA接收总线执行数据传送流程中，CPU暂停任务。

由于DMA传送方式仅仅在须要占用总线传送数据时才暂停CPU的操作，CPU的任务效率极高，传输数据可由硬件本身控制，大大提高了传送速率，十分适宜于高速数据的采集。