| 通用串行總線USB是PC機和外圍設備實現連接的規(guī)格,近年來,發(fā)展十分迅速,以USB連接的外圍設備愈來愈多,如存儲設備、掃描儀、打印機乃至數碼相機等。于是,USB用LSI電路的市場需求也與日俱增。本文在簡介USB發(fā)展經緯的基礎上,以NEC的芯片產品為例,重點介紹USB2.0用的主要LSI電路的特點、結構及其應用。
發(fā)展回顧
Intel為推行USB,專門成立有USB-IF（Implementers Forum）,共有7家成員企業(yè)。日本NEC是其中之一,從USB規(guī)格策化到開發(fā)一直參與其中,而且積極推進USB用LSI芯片產品化。USB-IF最先發(fā)表USB1.0版本,隨后改進為USB1.1版本。由于在Microsoft公司的Windows95里,USB并不OS的標準支持項目,所以當時USB在PC機里并未獲得廣泛應用,主要用于人機接口設備,例如以USB連接鼠標器和鍵盤。但是,自從1998年Microsoft公司發(fā)表Windows98以后,USB相關的驅動程序都已變成OS的標準,利用USB連接外圍設備開始為廣大用戶認同。隨之而來的問題是用戶對于USB1.1規(guī)定的低速LS（Low Speed）和全速FS（Full Speed）數據傳送速度不滿,于是,USB2.0應運而生,數據傳送出現高速（High Speed,480Mbps）模式,從而也更加速了USB2.0的應用普及。
USB2.0概要
USB2.0是PC機和外圍設備之間的接口規(guī)格USB1.1的向上兼容規(guī)格,具備如下新特點?lt;1> 在USB1.1規(guī)格的基礎上,數據傳送速度激增,例如,有LS模式（1.5Mbps）、FS模式（12Mbps）和HS模式（480Mbps）,可供選擇使用;<2> USB2.0仍然使用USB1.1規(guī)格的4芯電纜/接插連接器（差動數據傳送線和+5V/500mA電源線,共計4線）,簡化連接;<3> 在USB2.0主機（Host）/集線器（Hub）里,USB2.0集線器（Hub）/功能部件（Function）和以往的USB1.1集線器/功能部件,都可以混合在一起使用。而且,USB1.1的固有特點在USB2.0里都保存繼承下來,包括：<1> 由于采用主機為指導的事務處理控制,為此USB功能部件結構簡單而且成本低廉;<2> 提供大容量、中斷、控制和等時共4種數據傳送模式,結合具體應用可自由選擇;<3> 接入總線的設備可以實現帶電插拔（Hot plug）,總線系統(tǒng)可自動識別,實現即插即用（plug & play）。
由于這些特點,對以往的USB1.1產品性能提高作出貢獻,同時,USB2.0的出現使高質量視頻,大容量存儲設備以及高速網絡等新應用成為可能。下面以NEC的芯片產品為例,介紹USB2.0用的主要LSI電路及其應用。
主機控制器用LSI（μPD720100）
主機控制器用LSI（μPD720100）是以增強型主機控制器接口EHCI（Enhanced Host Controller Interface）為基準的USB2.0用功能電路,它在USB總線和主機接口PCI總線之間發(fā)揮橋接作用。
1. μPD720100電路特點
<1>在該功能電路內設置1個處理USB2.0用的EHCI機芯,另外還內置2個用于處理USB1.1用的OHCI（Open Host Controller Interface）機芯;<2>內置有5個USB端口,根據基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS,可以設定邏輯端口;<3>具備作為以主機接口的PCI2.2規(guī)格為基準的32位33MHz PCI總線,也支持PCI電力管理規(guī)格（Release）;<4>需要3.3V/5V電源,5V電源專供PCI接口用;<5>作為系統(tǒng)時鐘,30/48MHz可任意選用;<6>該電路采用160腳LQFP/176腳FPBGA封裝,均有現貨。
2. 電路結構
USB2.0用主機控制器（μPD720100）的電路內部結構包括：設置有PCI接口、仲裁、路由集線器、物理層部件、開放主機控制器接口OHCI和增強型主機控制器接口EHCI等部件,相互間聯系的詳細情況如圖1所示。其中,<1> PCI IF部件--把3個主機控制器（包括EHCI和2個OHCI）作為多功能器件處理,把它同PC機的PCI總線進行連接;<2> 仲裁部件--對3個主機控制器各自的主控讀/寫（Master Read/Write）操作進行仲裁;<3> 路由集線器--對每個端口的HS-Classic-HC切換進行控制;<4> 物理層部件--它包括很多細微的電路,諸如支持USB2.0電氣規(guī)格的5個端口USB接收/發(fā)送驅動器,產生各種邏輯的鎖相環(huán)PLL,由480MHz差動數據信號中分離出時鐘脈沖信號的CDR和在物理層內使用的如像產生恒定電流/電壓的模擬電路;<5> OHCI機芯--μPD720100芯片內置有2個以開放主機控制器接口OHCI為基準的機芯電路;<6> EHCI機芯--該部分是用于處理USB2.0的機芯電路。
集線器（Hub）用LSI（μPD720110）
μPD720110是以USB2.0為基準的集線器用LSI電路。它像以往的USB1.1集線器一樣,具備上游端口（Upstream Port）和下游端口（Downstream Port）之間按同一數據傳送速度進行信息包中繼轉發(fā)（Packet Repeater）功能;此外,它還備有事務處理翻譯器TT（Transaction Translator）,可把由上游端口發(fā)送過來的高速HS（High Speed）事務處理轉換成下游端口的全速FS/低速LS事務處理。
1. 電路特點
USB2.0集線器μPD720110電路具有如下諸多特點：<1> 內置有上游端口和下游端口,支持全部所有傳送速度的數據傳送,如像高速HS、全速FS和低速LS的數據傳送;<2> 采用3.3V電源供電;<3> 每個端口都有發(fā)光二極管LED控制;<4> 時鐘頻率33MHz;<5> 采用100引腳PQFP封裝。
2. 電路結構
USB2.0集線器μPD720110是由多個功能電路構成的,詳細情況如圖2所示。其中,<1> 事務處理翻譯器--它能把端口傳送過來的高速HS事務處理數據轉換成下游端口所需要的FS/LS事務處理數據;值得注意的是USB1.1規(guī)格的外圍設備經由安裝有TT的集線器接入USB2.0總線系統(tǒng),并不會影響USB2.0總線系統(tǒng)的吞吐能力。<2> 集線中繼轉發(fā)器--對HS/FS/LS傳送的信息進行中繼轉發(fā);<3> HS中繼轉發(fā)器（HS Repeater）裝備有和USB2.0主機控制器同等的CDR/Elastic Buffer(伸縮緩存)。<4> 下游端口（Down Stream Port）--它包含有對4個下游端口進行收發(fā)信息用的USB接收/發(fā)送器（Transceiver）。<5> 上游端口--它包含有對上游端口（Up Stream Port）進行信息收發(fā)用USB接收/發(fā)送器。<6> 集線器狀態(tài)部件（Hub State Machine）--它包含有上游/下游端口的主機控制部件/幀定時器等各種狀態(tài)部件。<7> 集線控制器（Hub Controller）--它包含有處理缺省的終點"0"（End Point"0"）和狀態(tài)變化的終點"1"（End Point"1"）的部件。
USB2.0功能用物理層LSI
μPD720120是USB2.0功能物理層LSI電路。若想把外圍設備接入USB2.0總線系統(tǒng),則只要把設備里附加μPD720120電路即可接入系統(tǒng)。
電路特點
在μPD720120電路里,具備如下特點：<1> 具備實現USB2.0總線系統(tǒng)實用化所必要的高速/模擬電路;<2> 裝備有USB2.0的處理事務處理器/信息包編碼/譯碼器所用的全部邏輯電路;<3> 用戶邏輯接口是16位/30MHz。
電路結構
USB2.0功能用物理層LSI電路結構相對簡單,可使外圍設備接入USB2.0總線系統(tǒng)非常容易和成本低廉。該LSI電路包括以下7個部件：<1> USB I/O部件--以USB2.0為基準的USB接收/發(fā)送器;<2> 模擬電路部件--鎖相環(huán)PLL和生成在USB接收/發(fā)送器里使用的基準電壓/電流;<3> 鎖相環(huán)PLL--它用以生成在各部分里使用的480/240/120/60/30 MHz時鐘脈沖;30/60 MHz時鐘由芯片外部供給;<4> CDR--用于從480MHz的差動數據信號中抽出時鐘信號;<5> SERDES--用于信息包處理。例如,在發(fā)送信息過程中,向信息包上附加上包起始位SOP（Start of Packet）和包終止位EOP（End of Packet）;在接收信息過程中,用于脫掉SOP和EOP。<6> SIE--執(zhí)行包括CRC（Cyclic Redundancy Check）在內的事務處理任務。<7> 端口邏輯-- 一面執(zhí)行復位/中止/恢復（Reset）/線性調頻脈沖（Chirp）檢測,輸出Reset/chirp,一面對SIE工作模式（HS/FS）或USB接收/發(fā)送操作進行控制。
USB2.0用LSI的應用
自從2000年4月USB-IF公布USB2.0以來,日本NEC公司立刻響應,首先在世界推出USB2.0主機控制器,同年6月又推出USB2.0集線器芯片（Hub Controller）,同年11月獲得USB-IF最先認定許可。現在,NEC的USB2.0用LSI系列電路在市場上已廣為流通,并且Ratoc System公司利用USB2.0主機控制器(μPD720100)制造出USB2.0 PC卡（REX-CBU2）新產品投放市場。
USB2.0 PC Card的出現,為廣大PC機用戶利用USB2.0總線連接多種外圍設備提供方便。PC機用戶只要購置USB2.0 PC卡,插入PC機內的卡插槽中,便擁有USB2.0總線系統(tǒng);凡是安裝有USB2.0功能控制器（USB2.0功能用物理層LSI）μPD720120芯片的外圍設備（掃描儀、打印機和數碼相機等）,通過規(guī)定的USB用4芯電纜連接便能接入USB2.0總線系統(tǒng)。如若你的PC機需要連接更多的外圍設備,則在PC機的USB2.0主機控制器處下接USB2.0集線控制器芯片μPD720110,便可擴充連接外圍設備用的USB端口,可供連接更多外圍設備。
USB2.0 Host Controller和USB2.0 Hub Controller之間可以形成高達480Mbps的高速總線,而USB2.0 Hub Controller和USB1.1外圍設備之間可形成12Mbps的總線。例如,通過USB2.0 Hub Controller組合可具備40個端口,每一端口都能連接1臺USB1.1規(guī)格的外圍設備;也就是說,這時PC機USB2.0總線系統(tǒng),通過USB2.0 Hub可形成40個12Mbps的總線。
如今USB2.0用LSI系列（μPD720100/110/120）已大量上市,可為包括多功能PDA和掌上電腦用戶在內的廣大用戶,提供簡單方便的連接多種外圍設備的新方法并開拓新應用
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