usb接口芯片

usb接口芯片 第7章 USB接口芯片 7.1 USB接口芯片分类 USB专用的器件大致可以分为以下类型: , USB主控制器 , USB根集线器， , 微处理器接口的USB专用接口芯片 , 具有USB接口的微处理器 , USB桥芯片 , OTG专用芯片 其中前两类用于计算机，一般集成于计算机的芯片组中。在实际的开发中大多项目是针对USB外部设备，用于USB设备的芯片主要是USB专用接口芯片和具有USB接口的微处理器。 USB专用接口芯片内部不包含通用微处理器，提供与通用微处理器的接口电路，可以与大多数微处理器连接，固件的编程在微处理器完成，主要用于基于微处理器的计算机外部设备开发。 USB桥芯片，可以将USB接口转换成为串行接口、并行接口、IrDA等其他接口，这类芯片不需要固件编程。 7.2 微处理器接口的USB专用接口器件 具备微处理器接口的USB接口芯片与微处理器的接口是不统一的，根据芯片的设计的不同，可以通过通用的串行接口、并行接口、SPI等接口和微处理器连接。USB接口芯片主要由以下部分组成: , USB收发器 , SIE(Serial Interface Engine) , 数据缓冲存储器FIFO , 时钟及控制逻辑 , 微处理器接口逻辑 这类芯片常用的有Philips公司的PDIUSBD11和PDIUSBD12;National Semiconductor公司的USBN9602、9603和9604;MAXIM公司的MAX3420、MAX3421等。下表是几种常见的USB专用接口芯片的基本情况。 芯片 PDIUSBD12 USBN9603/9604 MAX3420E 制造厂商 Philips NS MAXIM 总线速度 全速 全速 全速 1个控制端点 1个控制端点 1个控制端点 端点 3个输入端点 1个中断/批量输出 4个传输端点 3个输出端点 2个中断/批量输入 控制端点16 控制端点64 控制端点8 FIFO(字节) 中断/批量端点2X64 2个端点2X64 其他端点64 实时端点2X128 1个端点64 微处理器接口 并行 并行 SPI 162 计算机高级接口实践 DMA支持 支持 支持 不支持 供电 3.3V / 5V 3.3V / 5V 3.3V SO28 SLB28AA TQFN24 封装 TSSOP28 SO28 LQFP32 下面对这几款芯片的硬件作简要介绍。 7.2.1 Philips的PDIUSBD12 Philips的D12是使用很广泛的USB控制器，主要的特点包括: , 支持控制、中断、批量和实时四种传输模式，批量和实时模式可以达到1MB/sec 的传输速率; , 集成了总共320字节的FIFO，并且在不同的模式下可以灵活分配。对于中断和 批量模式支持2X64字节的双缓冲，对于实时模式支持2X128字节的双缓冲; , 支持完全自动的DMA接口; , 并行方式的微处理器接口，可以达到最大2MB/sec的传输速率。并适合大多数微 处理器的连接; , 可以采用3.3V / 5V供电，内部集成电压调整器; , 芯片可以输出一个可编程的时钟，可以提供给微处理器使用; , 芯片提供一个GoodLink引脚，可以直接连接LED，在传输时驱动LED发光; , 提供两种表贴封装形式，方便选用。 TSSOP28封装 SO28封装 图6-25 PDIUSBD12引脚和封装 下面介绍一个使用D12设计的接口电路，如图6-26。该电路采用3.3V供电，通过并行接口与微处理器连接，其中INT为中断信号，连接到微处理器的一个中断输入端。如果数据线A0、RD和WR不再连接其他器件，也可以将SC直接接地。RESET可以连接到微处理器的复位端。发光二极管LED1用于指示电路连接到USB主机，同时产生USB-OK信号，如果需要，可以将该信号连接到微处理器。LED2连接到D12的GoodLink，在数据传输时点亮发光二极管。 第7章 USB接口芯片 163 微处理器 图6-26 PDIUSBD12接口电路 Philips的另一款USB控制器芯片PDIUSBD11和PDIUSBD12的内部结构相似，不2同的是微处理器接口，PDIUSBD11采用的是IC接口，引脚要少了许多，封装形式为SO16。 7.2.2 NS的USBN9603/9604 National Semiconducto公司的USB控制器包括9602、9603和9604几款，其中9602是较早的版本，9603和9604是9602的更新版本芯片。9603和9604的主要差别只是硬件复位信号对内部的时钟发生器的控制不一样。 USBN9603/9604的主要特点包括: , 除控制节点0之外，具有独立的3个输入节点和3个输出节点; , 输入节点和输出节点都具备独立的64字节FIFO; , 针对不同的微处理器提供了三种接口方式，具备两种时序的并行方式接口和 MICRIWIRE标准的串行方式接口(MICROWIRE是NS开发的同步串行接口标 准，其是SPI的子集，连接线与SPI兼容); , 支持自动的DMA传输方式; , 3.3V供电; , 两种封装形式，标准的表贴封装SO28和NS的SLB封装。 下图是National Semiconductor公司提供的9603/9604的内部结构图。 164 计算机高级接口实践 图6-27 USBN9603/9604的内部结构(NS公司提供) SLB28AA封装 SO28封装 图6-28 USBN9603/9604引脚和封装 7.2.3 MAXIM的MAX3420E MAX3420E是MAXIM公司设计的用于USB外设的专用控制芯片，其主要特点包括: , 采用3线或4线的同步串行SPI接口标准与微处理器连接，串行传输时钟速率可 以达到26MHz。不提供并行的微处理器接口; , 集成一个控制端点(EP0)、一个批量/中断输出端点(EP1、EP2)和两个批量/ 中断输入端点(EP3); , 控制端点具有64字节的FIFO，输出节点和一个输入端点(EP2)具有2X64字 节的双缓冲FIFO，另一个输入端点(EP3)具有64字节FIFO; 第7章 USB接口芯片 165 , 提供4条通用输入引脚和4条通用输出引脚，主机可以通过对特定的寄存器(R20) 的读写实现对这些引脚的访问; , 采用3.3V供电; , 提供TQFN24和LQFP32两种封装形式。 下图是MAXIM公司提供的MAX3420E的内部结构。 图6-29 MAX3420E内部结构(MAXIM提供) 166 计算机高级接口实践 图6-30 MAX3420E封装(MAXIM提供) 如果外部设备可以通过USB主机供电，下图是MAX3420E的芯片书上推荐的电路，通过USB插座为MAX3420E和微处理器供电。 图6-31 通过USB供电的MAX3420E接口电路(MAXIM提供) MAXIM公司的USB控制器还有MAX3421E，MAX3421E即可以用于外设，也可以用于主机。 第7章 USB接口芯片 167 7.3 带有USB接口的微处理器 带有USB接口的微处理器是USB接口器件中品种最繁多的一类，原因是微处理器的种类和厂商很多，USB标准提出来后，大部分微处理器厂商都推出了带有USB接口的微处理器。提供带有USB接口的微处理器的厂商主要有:Atmel、Cypress Semiconductor、Motorola、Cygnal、Microchip Technology、ScanLogic等。 该类微处理器在使用大多是通用型的，在原有的微处理器结构下添加USB接口，并不面向特定的应用。但也有一部分产品是面向特定应用的，在带有USB接口的微处理器增加了面向特定应用的部件。如Atmel公司的AT89C51SDN 1C/2C是面向MP3播放器开发的，ScanLogic公司的SL11RIDE带有USB到ATAPI/IDE的转换接口。 当开发的硬件系统必须要微处理器支持并具备USB接口时，就需要在微处理器+USB接口器件和带USB接口的微处理器两个中选择，与微处理器+USB接口器件方案相比，带USB接口的微处理器方案可以消除由于与USB接口器件之间的传输可能存在的瓶颈。尤其是在全速和高速传输模式，由于USB传输的速度很高，微处理器和USB接口器件之间的传输速度可能受到接口速度、微处理器速度和程序控制方式等方面的影响，难以达到USB接口的最高传输速度。 下面就典型的带USB接口的微处理器作一简要介绍。 7.3.1 Cypress的CY7C63000A系列 CY7C63000A系列是Cypress低端的USB微处理器，属于Cypress的M8系列，提供USB1.0/1.1标准的1.5Mbps的低速传输模式，属于低成本的USB微处理器，适合鼠标器一类的简单USB外设。具体的型号包括CY7C63000A、CY7C63001A、CY7C63100A和CY7C63101A。其主要特点包括: , 微处理器内核是8位的RISC结构，比较简单的指令集，只有35条指令。内核 的工作频率为12MHz; , 内部含有128字节RAM; , 程序存储器为2KB(CY7C63000A, CY7C63100A)或 4KB(CY7C63001A, CY7C63101A); , USB支持2个端点，一个地址端点和、一个数据端点; , 通用I/O端口(GPIO)为12个(CY7C63000A, CY7C63001A)或 16个(CY7C63100A, CY7C63101A) , 采用5V供电(4.0~5.25V); , 封装形式，20pin的PDIP/SOIC(CY7C63000A, CY7C63001A)和 24pin的SOIC/QSOP(CY7C63100A, CY7C63101A) 厂家提供的内部结构如下图: 168 计算机高级接口实践 7.3.2 Cypress的CY7C63612和CY7C63613 这两款微处理器属于低速模式USB芯片，其主要特点包括: , 微处理器内核是8位的RISC结构，简单的指令集，只有39条指令。内核的工 作频率为12MHz; , 支持USB1.1标准的1.5Mbps的低速传输模式，支持HID设备; , 内部含有256字节RAM; , 程序存储器为EPROM 6KB(CY7C63612)或8KB(CY7C63613); , USB支持4个端点，一个地址0端点和、3个数据端点; , 通用I/O端口(GPIO)为16个; , 采用5V供电(4.0~5.25V); , 采用24pin SOIC封装 厂家提供的内部结构如下图: 第7章 USB接口芯片 169 7.3.3 Cypress的EZ-USB系列 EZ-USB是Cypress公司的一个带USB接口的微处理器的构架，简单的说EZ-USB 系列微处理器是EZ-USB构架和一个增强版的8051微处理器的集成。EZ-USB是一个种 170 计算机高级接口实践 类繁多的家族，几乎涵盖了全速模式的各种应用。另外EZ-USB的后续系列是EZ-USB FX，以及支持USB2.0的高速模式的EZ-USB FX2系列。 EZ-USB系列芯片使用增强的、智能化的SIE/USB接口，能实现大部分USB的协议，可以有效地简化微处理器的编程。 EZ-USB系列芯片采用3.3V供电，这使得芯片的供电可以方便的使用USB接口的+5V电源，下图是EZ-USB芯片AN2131Q的内部结构。 EZ-USB芯片内部采用增强的8051兼容微处理器，和普通的Intel 8051相比性能要提高很多，其时钟频率为24MHz，指令周期为4个时钟周期，比12MHz的Intel 8051(12MHz，指令周期为12个时钟周期)快6倍。和8051的其他差别见下表。 8051 EZ-USB 项目 ROM 4KB N/A RAM 128B 4/8 KB Timer 2 3 UART 1 2 5 13 中断源 12MHz 时钟频率 12、24MHz EPROM EEPROM 内部ROM 64K RAM 外部RAM 64K EPROM、Flash 5V 3.3V 供电 指令周期 12个时钟周期 4个时钟周期 7.3.4 Atmel的AT89C5131 AT89C5131是Atmel公司生产的8051兼容指令集8位单片微处理器，其主要特点如下: , 具有80C52X2内核;最大时钟频率48MHz(X1模式)和24MHz(X2 模式) 11个中断源的4优先级中断系统; 3个16位通用定时器; 5通道15位可编程定时器阵列，能提供PWM输出; 第7章 USB接口芯片 171 上电复为或USB复位，Watchdog复位功能; , 存储器:片内256字节存储器。以及芯片内置的1KB的扩展RAM。 内置4KB EEPROM存储空间，其中3KB分配给Bootloader，其 余1KB作为数据存储区;16KB片内Flash存储器作为程序存储器，可 以通过USB或UART进行在线编程。 , USB支持:支持USB1.1和USB2.0协议，提供全速传输，具有7个 带FIFO的传输端点: EP0:32字节FIFO，支持控制传输，控制端点; EP1~3:32字节FIFO，支持中断、批量和实时传输; EP4~5:64X2字节双缓冲FIFO，支持中断、批量和实时传输; EP6:512X2字节双缓冲FIFO，支持中断、批量和实时传输; , 其他外部接口: SPI接口; TWI接口，400KB/s传输速率; 增强性UART接口; 支持中断的键盘接口。 34个普通I/O端口。 , 3.0~3.6V供电，40MHz工作时最大30mA电流，在Power-down模式 下只有100uA电流。 , 提供PLCC52、VQFP64、MLF48和SO28共4种封装形式。 AT80C5131的内部结构如下图: 7.3.5 Microchip的PIC 16C745/765 172 计算机高级接口实践 Microchip公司的微处理器的主要特点是高速度、低功耗、低价格。采用独特的RISC指令集，大多是指令在单一周期完成。PIC 16C745和PIC 16C765是Microchip带USB接口的微处理器，其主要特点是: , 高性能的RISC结构，工作在6MHz或24MHz。35条RISC指令，除 程序分支指令外全部为单周期指令。8级堆栈。可编程的代码保护; , 12个中断源，自动上电复位功能，内部Watchdog功能; , 具有22个(16C745)/33个(16C765)GPIO。其中4个具备电平中 断功能。B端口具备SLEEP唤醒功能; , 3个定时器，2个8位，1个16位，2个捕捉、比较和PWM模块; , 8K字程序存储器(14位/字)，256字节RAM; , 5(16C745)/8(16C765)通道8位ADC; , 提供USB1.1标准的低速模式，只支持控制和中断传输。提供3个双向 的端点号，共6个端点。具备64字节的双端口RAM供USB使用; , 4.35~5.25V供电，24MHz工作时最大16mA电流，在Power-down模 式下只有100uA电流。 下图是Microchip公司提供的PIC 16C745/765的内部结构。 第7章 USB接口芯片 173 7.3.6 Signal的C8051F320/321 C8051F320和C8051F321是Signal公司的C8051F系列微处理器中带有USB接口的芯片。Signal的微处理器具有8051兼容的指令集，但速度比传统的8051快得多。内部集成的资源非常丰富。主要特点包括: • 高速的8051兼容指令集的CPU内核，70%的指令执行时间为1或2个时钟周期， 处理速度达到25MIPS(25MHz); • 内部集成了最大误差为0.25%的时钟振荡器，可以外接晶体振荡器，也可以外接 阻容原件构成振荡器; • 内部集成10位200Ksps的ADC，最多17个外部输入通道。其参考电压可以取 自内部、外部和电源，具有一个内部的温度传感部件; • USB功能支持2.0标准兼容的全速和低速传输模式，8个端点，以及总共1KB的 FIFO; • 2304字节(1K+256+1K USB FIFO)内部RAM。16KB Flash程序存储器; • 25个(C8051F321为21个)普通I/O端口。集成了增强的UART、增强的API 174 计算机高级接口实践 和SMBus接口; • 4个16位通用定时器/计数器，1个16位可编程的定时器阵列。 • 具有上电复位、电源监测和丢失时钟检测等电路机制; • C8051F320采用32 pin LQFP封装，C8051F321采用28 pin MLP封装。 Signal公司提供的C8051F320的内部结构如下图。 Signal公司提供的C8051F320和C8051F321的封装图如下。 第7章 USB接口芯片 175 7.4 USB桥 USB桥芯片实现USB接口与一个特定的其他接口的转接，在芯片中不但集成了两个接口需要的全部功能，还具备协议处理部件，实现不同接口之间的协议转换。 7.4.1 FTDI的USB-UART桥FT232R FT232R是FTDI(Future Technology Devices International Ltd.,公司生产的USB- UART桥芯片，实现USB接口与UART的转换连接，可以外接不同的电平转换或收发器芯片，可以实现USB到RS-232C、USB到RS-485、USB到RS-422接口的转换。该芯片不需要微处理器的支持，也不需要固件编程，可以方便的通过计算机的USB接口与UART设备的通信。 其主要特征包括: , 内部实现USB协议，支持USB1.1/USB2.0的全速传输模式; , 支持USRT的7或8位数据，1或2位停止位，以及奇校验、偶校验、空校验等 校验方式。 , 芯片提供了串行接口上的全部联络线; , 支持UART的硬件流控和Xon/Xoff软件流控; , 具有相对于USB端的256字节的接收FIFO缓冲区和128字节的发送FIFO缓冲 区。UART端具有FIFO控制器，与UART数据寄存器连接; , 对于USB转RS-232可以达到1Mbps的传输速度，对于USB转RS-422/485可 以达到3Mbps的传输速度; , 具有多个可编程的通用CBUS(Control BUS) I/O端; , 内部具有1024位的EEPROM用于存储USB的VID、PID、产品序列号、产品 描述字符串以及CBUS I/O设置; , 工作采用批量模式，兼容主机的OHCI、UHCI和EHCI三种主机控制器类型; , 芯片内部集成了3.3V电压调整器、USB线路电阻、上电复位机制等; , 3.3~5.25V供电电压，提供28pin SSOP和QFN-32两种封装形式。 FT232R的内部结构如下图。 176 计算机高级接口实践 通过FT232R连接设备到主机，可以通过FTDI网站(www.ftdichip.com)上下载的驱动程序实现与设备的连接。应用程序可以通过两种方式与设备通信: , 虚拟串行口方式(VCP)，安装CVP驱动程序后在系统中添加了一个串行口， 该串行口并不是硬件上存在的串行口，而是一个虚拟的设备。应用程序可以通过 对该串行口的编程实现与连接的设备的通信。 第7章 USB接口芯片 177 , D2XX驱动程序方式，该驱动程序的接口方式采用DLL接口，安装驱动程序后， 应用程序 应用程序接口 FTD2XX .DLL FTDI DLL Interface FTDI WDM Driver Interface FTD2XX .SYS FTDI WDM Driver Windows USB接口 Windows USB Drivers USB Driver Stack USB物理层 FT232R 可以采用多种高级语言开发应用程序，应用程序通过对FTD2XX.DLL提供的函数 与WDM方式的设备驱动程序连接。 除了上面介绍的FT232R外，相同功能的芯片还有Cygnal公司的CP1201，Prolific的PL-2303等。 7.4.2 FTDI的USB-并行桥FT245BM FT245BM是FTDI公司生产的一款USB到并行接口的FIFO方式传输芯片，该芯片实现一个并行方式的读写访问接口，通过这个接口，可以方便的连接微处理器、FPGA等芯片，实现数据传输。 FT245BM内部具有较大的FIFO存储器，用于暂存向USB主机传输和来自USB主机的数据，并通过输出的状态线说明输入和输出FIFO的状态。 由FT245BM实现的外部设备不需要固件编程，连接的微处理器或FPGA等控制芯片可以通过FT245BM提供的4条联络信号线实现与FT245BM交换数据。 在主机端，应用程序可以通过VCP或D2XX驱动程序方式访问主机的USB接口，通过主机USB接口实现与FT245BM的连接。 FT245BM的主要特点: • 实现的传输速度:在VCP驱动方式下为300KB/s，在D2XX驱动方式下为1MB/s; • 283字节发送FIFO，128字节接收FIFO; • 支持USB1.1和2.0兼容的全速模式。可以采用USB的批量传输，可以实现同步 传输; • 可以实现设备的挂起和唤醒; 178 计算机高级接口实践 • 可以将8条数据设置成普通的I/O端口使用; • 具有外部EEPROM芯片接口，用于存储USB的VID、PID、产品序列号、产品 描述字符串等。可以通过USB接口实现对EEPROM的编程。 • 芯片内部集成了3.3V电压调整输出，可以为3.3V的数字器件供电。 • 单一5V供电，封装形式为LQFP-32。 FT245BM的内部结构如图。 在并行接口一端提供了4条联络线: RD# (IN):FIFO读控制信号。控制FT245BM将接收FIFO的数据发送到数据线 第7章 USB接口芯片 179 D0~D7上，同时，从接收FIFO中删除该字节数据。 WR(IN):FIFO写控制信号。将数据线D0~D7上的数据写入到FT245BM的发送FIFO中。 TXE#(OUT):发送FIFO状态。低电平表示可以向FT245BM的发送FIFO写数据，高电平禁止写数据。 RXF#(OUT):接收FIFO状态。低电平表示接收FIFO中有数据，可以从FT245BM读取数据，高电平表示接收FIFO空或暂时不能读取数据。 7.4.3 SigmaTel的USB-IrDA桥STIr4200 STIr4200是由SigmaTel公司生产的USB-IrDA桥芯片，实现USB与IrDA红外线接口的桥接。主要特点如下。 , 支持USB1.1标准; , 红外接口支持IrDA1.3，2400bps~4Mbps的传输速率; , 完全实现USB1.1、IrDA1.3之间的协议转换; , 可以连接标准的IrDA收发器，实现红外接口; , 内部实现了一个控制端点，以及一个批量模式输入端点和一个批量模式输出端 点。 , 低功耗，可以采用USB供电; , 内部集成4KB的FIFO; , 采用3.1~3.6V供电，提供28pin SSOP封装; SigmaTel公司提供的STIr4200的内部结构如下图。 STIr4200主要由两部分组成，即USB控制器和数字化的IrDA收发器接口。USB控制器提供控制传输、批量输入和批量输出模式连接USB主机。IrDA收发器接口用于连接普通的红外收发二极管。 180 计算机高级接口实践