USB3.0接口技術(shù)與電路設計

　　引 言

　　USB的英文全稱(chēng)為Universal Serial Bus,中文含義是通用串行總線(xiàn)，它是一種快速的，雙向的，同步傳輸的廉價(jià)的并可以進(jìn)行熱拔插的串行接口。USB接口使用方便，它可以連接多個(gè)不同的設備，而過(guò)去的串口和并口只能接一個(gè)設備。速度快是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)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(shí)時(shí)傳送成為可能。USB接口支持多個(gè)不同設備的串列連接，一個(gè)USB接口理論上可以連接127個(gè)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(xiàn)器(Hub)把多個(gè)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(diǎn)，使其獲得了廣泛的應用。到目前為止，USB已經(jīng)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(lái)說(shuō)，USB是設計外設接口時(shí)理想的總線(xiàn)。

　　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(shí)時(shí)信號的傳送。但遺憾的是，國內市場(chǎng)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(kāi)發(fā)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們對USB的原理進(jìn)行了研究，嘗試著(zhù)利用51單片機結合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線(xiàn)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(shù)的發(fā)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(xiàn)技術(shù)應運而生。USB(Universal Serial Bus)翻譯為中文就是通用串行總線(xiàn)，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司為簡(jiǎn)化PC與外設之間的互連而共同研究開(kāi)發(fā)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(shí)現數字多媒體集成?，F在生產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)：

　　l 使用方便。連接外設不必再打開(kāi)機箱;允許外設熱插拔，而不必關(guān)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(gè)USB口理論上可以連接127個(gè)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(xiàn)器Hub，把多個(gè)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(mǎn)足USB要求的外設有：調制解調器，鍵盤(pán)，鼠標，光驅?zhuān)螒蚴直?，軟驅?zhuān)瑨呙鑳x，音箱等。USB總線(xiàn)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(zhì)后連接距離由原來(lái)的5米增加到近百米?；谶@點(diǎn)，USB也可以做生產(chǎn)ISDN以及基于視頻的產(chǎn)品。USB 總線(xiàn)結構簡(jiǎn)單，信號定義僅由2條電源線(xiàn)，2條信號線(xiàn)組成。

　　2、USB結構與工作原理

　　一個(gè)USB系統可以從三個(gè)方面加以描述

　　(1)USB互聯(lián)。

　　(2)USB設備。

　　(3)USB主機。

　　USB互聯(lián)是指一個(gè)USB設備與USB主機相聯(lián)并和其通信的方式,它包括：

　　(1)總線(xiàn)拓撲結構：USB主機和USB設備的連接模型。

　　(2)層間關(guān)系：USB在系統中的每一層都要完成一定的任務(wù)。

　　(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(wù)規劃：USB提供可以共享的互聯(lián)機制。通過(guò)規劃對互連機制的訪(fǎng)問(wèn)，可以支

　　持同步數據傳輸。

　　下面簡(jiǎn)要討論USB硬件結構和數據流傳輸。

　　2.1 USB硬件結構

　　一個(gè)USB系統包含三類(lèi)硬件設備: USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)、USB集線(xiàn)器(USB HUB)。參見(jiàn)圖2-1。

　　(1)USB HOST

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

　　◇ 管理USB系統;

　　◇ 每毫秒產(chǎn)生一幀數據;

　　◇ 發(fā)送配置請求對USB設備進(jìn)行配置操作;

　　◇ 對總線(xiàn)上的錯誤進(jìn)行管理和恢復。

　　(2)USB DEVICE

　　在一個(gè)USB系統中，USB DEVICE和USB HUB總數不能超過(guò)127個(gè)。USB DEVICE接收USB總線(xiàn)上的所有數據包，通過(guò)數據包的地址域來(lái)判斷是不是發(fā)給自己的數據包：若地址不符，則簡(jiǎn)單地丟棄該數據包;若地址相符，則通過(guò)響應USB HOST的數據包與USB HOST進(jìn)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(gè)USB HOST總與一個(gè)根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個(gè)端口提供100mA電流供設備使用。同時(shí)，USB HUB可以通過(guò)端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過(guò)響應USB HOST的數據包把端口狀態(tài)匯報給USB HOST。一般來(lái)說(shuō)，USB設備與USB HUB間的連線(xiàn)長(cháng)度不超過(guò)5m，USB系統的級聯(lián)不能超過(guò)5級(包括ROOT HUB)。

　　USB總線(xiàn)最多可支持127個(gè)USB外設連接到計算機系統。USB的拓撲是樹(shù)形結構，有1個(gè)USB根集線(xiàn)器(root hub)，下面還可有若干集線(xiàn)器。1個(gè)集線(xiàn)器下面可接若干USB接口。USB線(xiàn)纜包括4條線(xiàn)：Vbus(USB電源)、D+(數據)、D-(數據)和 Gnd(USB地)。線(xiàn)纜最大長(cháng)度不超過(guò)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(xiàn)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(dòng)態(tài)地分配帶寬是USB總線(xiàn)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(cháng)時(shí)間(3ms以上)不使用時(shí)，就處于掛起狀態(tài)，這時(shí)只消耗0.5mA 電流。按USB1.0/1.1標準，USB的標準脈沖時(shí)鐘頻率為12MHz，而其總線(xiàn)時(shí)脈沖時(shí)鐘為1ms(1kHz)，即每隔1ms，USB器件應為 USB線(xiàn)纜產(chǎn)生1個(gè)時(shí)鐘脈沖序列。這個(gè)脈沖系列稱(chēng)為幀開(kāi)始數據包(SOF)。高速外設長(cháng)度為每幀12000bit(位)，而低速外設長(cháng)度只有每幀 1500bit。1個(gè)USB數據包可包含0~1023字節數據。每個(gè)數據包的傳送都以1個(gè)同步字段開(kāi)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(gè)設備提供了一個(gè)或多個(gè)可以與客戶(hù)程序通信的接口，每個(gè)接口由0個(gè)或多個(gè)管道組成，它們分別獨立地在客戶(hù)程序和設備的特定終端間傳輸數據。USBD為主機軟件的現實(shí)需求建立了接口和管道，當提出配置請求時(shí)，主控制器根據主機軟件提供的參數提供服務(wù)。

　　USB支持四種基本的數據傳輸模式：控制傳輸，等時(shí)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(zhì)。

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

　　等時(shí)傳輸類(lèi)型：支持有周期性，有限的時(shí)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(lèi)型無(wú)差錯校驗，故不能保證正確的數據傳輸，支持像計算機-電話(huà)集成系統(CTI)和音頻系統與主機的數據傳輸。

　　中斷傳輸類(lèi)型：支持像游戲手柄，鼠標和鍵盤(pán)等輸入設備，這些設備與主機間數據傳輸量小，無(wú)周期性，但對響應時(shí)間敏感，要求馬上響應。

　　數據塊傳輸類(lèi)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(mǎn)足帶寬的情況下才進(jìn)行該類(lèi)型的數據傳輸。

　　USB采用分塊帶寬分配方案，若外設超過(guò)當前帶寬分配或潛在的要求,則不能進(jìn)入該設備。同步和中斷傳輸類(lèi)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(lái)傳輸傳輸數據。

　　3、USB外設控制器的兩種實(shí)現方式

　　USB芯片在外設領(lǐng)域的應用面很廣。USB外設控制芯片通常包括USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外設功能等四個(gè)模塊(SIE 主要以硬件方式處理大多數USB協(xié)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(lèi)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(chǎn)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(yōu)點(diǎn)是CPU與控制器在同一片芯片里，CPU只需要訪(fǎng)問(wèn)一系列寄存器和存儲器，便可實(shí)現USB口的數據傳輸，最大限度的發(fā)揮 USB高速的特點(diǎn)。而且簡(jiǎn)化了程序的設計，極大地降低了USB外設的開(kāi)發(fā)難度。缺點(diǎn)是靈活性不夠高，開(kāi)發(fā)成本較大。

　　純粹的USB接口芯片的優(yōu)點(diǎn)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(jià)格比。但因為USB控制器是通過(guò)串行口或并行口與MCU連接，在傳輸速度方面和開(kāi)發(fā)難度方面不如集成了MCU的控制芯片。

　　不同的實(shí)現方式在設計開(kāi)銷(xiāo)、上市時(shí)間、元器件開(kāi)銷(xiāo)和引腳數方面各有優(yōu)劣，選擇不同的方案意味著(zhù)在以上各項指標中進(jìn)行取舍。

　　本文主要介紹PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。該芯片是一款性?xún)r(jià)比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統中實(shí)現與微控制器進(jìn)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(kāi)發(fā)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(chǎng)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(kāi)發(fā)。

　　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(zhuān)門(mén)的硬件(DMA控制器)來(lái)執行數據傳送。DMA控制器可以從CPU那里接管系統總線(xiàn)的控制權，并且由本身發(fā)出存儲器地址信號以及訪(fǎng)問(wèn)存儲器和I/O設備的讀/寫(xiě)脈沖等控制信號，使得數據通過(guò)總線(xiàn)，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(jìn)行傳送。在DMA接管總線(xiàn)執行數據傳送過(guò)程中，CPU暫停工作。

　　由于DMA傳送方式僅僅在需要占用總線(xiàn)傳送數據時(shí)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(xiàn)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(shí)現USB的接口功能，通過(guò)它，外設與計算機之間可以實(shí)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(pán)等大容量存儲器相連，傳輸海量數據，也可以通過(guò)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(shuō)明了此多功能USB接口電路的框圖：

　　這個(gè)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(shuō)明了連接外設的一種簡(jiǎn)單模式，所有寄存器和數據的讀寫(xiě)都是通過(guò)8051 的I/O 來(lái)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(shí)時(shí)傳送。

　　系統詳細的電原理圖和電路板結構圖參見(jiàn)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(diǎn)。

　　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(gè)機器周期為0.5us.

　　4.2.2 PDIUSBD12 接口電路

　　PDIUSBD12是一個(gè)性能優(yōu)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(guò)高速通用并行接口進(jìn)行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實(shí)現一個(gè) 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(kāi)發(fā)時(shí)間、風(fēng)險和成本，是開(kāi)發(fā)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(lèi)規范的設計，如成像類(lèi)、大容量存儲類(lèi)、通信類(lèi)、打印類(lèi)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(dòng)器)和數碼相機等?，F在用SCSI實(shí)現的很多設備如果用 USB來(lái)實(shí)現可以直接降低成本。

　　PDIUSBD12掛起時(shí)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(shí)現總線(xiàn)供電的外圍設備。

　　PDIUSBD12還集成了像SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)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(shí)現時(shí)節省成本，同時(shí)在外圍設備上很容易實(shí)現更高級的 USB功能。

　　(1)內部結構

　?、?模擬收發(fā)器。集成的收發(fā)器直接通過(guò)終端電阻與USB電纜接口。

　?、?電壓調整器。片上集成的1個(gè)3.3 V電壓調整器為模擬收發(fā)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(shù)。

　?、?PLL。片上集成1個(gè)6~48 MHz的倍頻PLL(鎖相環(huán))，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。

　?、?位時(shí)鐘恢復。位時(shí)鐘恢復電路用4倍過(guò)采樣原理從輸入的USB 數據流中恢復時(shí)鐘，能跟蹤USB規范中指出的信號抖動(dòng)和頻率漂移。

　?、?PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全實(shí)現USB協(xié)議層?？紤]到速度，它是全硬件的， 不需要固件(微程序)介入。這個(gè)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。

　?、?SoftConnect。高速設備與USB的連接是靠把D+通過(guò)1個(gè)1.5 kΩ的上拉電阻接到高電平來(lái)建立的。在PDIUSBD12中，這個(gè)上拉電阻是集成在芯片 內的，缺省是沒(méi)有連接到VDD，這個(gè)連接是靠外部 MCU發(fā)一個(gè)命令來(lái)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(xiàn)連接也可以不用拔掉電纜來(lái)完成。

　?、?GoodLink。GoodLink是靠一個(gè)引腳接發(fā)光二極管實(shí)現的。在 USB設備枚舉時(shí)LED指示燈將立即閃亮;當PDIUSBD12被成功枚舉并配置時(shí)， LED指示燈將會(huì )始終亮;經(jīng)過(guò)PDIUSBD12的USB數據傳輸過(guò)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(tài)，方便電路調試。

　?、?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(xiě)USB包。

　?、?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(gè)有8位數據總線(xiàn)和1位地址線(xiàn)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(xiàn)。在主端點(diǎn)(端點(diǎn) 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(shuō)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(gè)例子中， ALE始終接低電平，說(shuō)明采用單獨地址和數據總線(xiàn)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(xiàn)相連接，CLKOUT 時(shí)鐘輸出為80C51提供時(shí)鐘輸入。

　　(4)PDIUSBD12的DMA 傳輸

　　直接存儲器尋址 允許在主端點(diǎn)和本地共享存儲器間實(shí)現數據塊的有效傳輸.使用DMA控制器,PDIUSBD12 的主端點(diǎn)和本地共享存儲器間的數據傳輸可自主進(jìn)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(jìn)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(jìn)行正確的編程。在該模式下， PDIUSBD12 發(fā)出請求時(shí)開(kāi)始傳輸，當字節計數器減少為零時(shí)終止。在DMA 控制器編程之后，本地CPU 在初始化傳輸時(shí)將PDIUSBD12 中的DMA使能位置位。

　　PDIUSBD12 可編程為單周期DMA或突發(fā)模式DMA。在單周期DMA 中，DMREQ在每單個(gè)應答后直到被DMACK_N 重新激活之前保持無(wú)效。在突發(fā)模式DMA 中，DMREQ 在器件中突發(fā)編程時(shí)一直保持有效。該過(guò)程持續到PDIUSBD12 通過(guò)EOT_N 接收到一個(gè)DMA 終止信息。這時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷指示本地CPU ，DMA操作已經(jīng)完成。

　　在DMA 讀操作時(shí)，DMREQ 僅當緩沖區完全表示主機成功的發(fā)送了一個(gè)信息包到PDIUSBD12 時(shí)才有效。由于具有雙緩沖配置主機可以在第一個(gè)緩沖區被讀出時(shí)對第二個(gè)緩沖區進(jìn)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(méi)有完全填滿(mǎn)緩沖區的情況下(單向ISO 配置時(shí)小于64 或128 字節)。DMREQ 會(huì )在緩沖區的最后一個(gè)字節時(shí)無(wú)效，而不管當前的DMA突發(fā)計數。在更新了DMA突發(fā)計數的下一個(gè)包發(fā)送時(shí)，DMREQ 再次被激活。

　　DMA的寫(xiě)操作與之相似，當緩沖區未裝滿(mǎn)時(shí)，DMREQ 一直有效。當緩沖區填滿(mǎn)時(shí)，在下一個(gè)IN 標志將信息包送入主機。當傳輸完成之后DMREQ 變?yōu)闊o(wú)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(fā)送到主機之前，緩沖區需要通過(guò)DMA寫(xiě)操作完全裝滿(mǎn)。唯一的例外是，在DMA傳輸結束時(shí)，EOT_N 接收的信號將會(huì )停止DMA寫(xiě)操作并且在下一個(gè)IN 標志置位時(shí)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(gè)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(dòng)選擇主端點(diǎn)(端點(diǎn)2 )而不管當前選擇的端點(diǎn)。PDIUSBD12的DMA操作可通過(guò)普通的I/O 對其它端點(diǎn)的存取實(shí)現交叉存取。DMA操作可通過(guò)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(guò)DREQ ，DMACK_N，EOT_N，WR_N 和RD_N 控制線(xiàn)實(shí)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(xié)議。在讀周期中對DMAC 信號源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，在寫(xiě)周期對目標進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。傳輸需要兩個(gè)單獨的總線(xiàn)周期來(lái)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(fā)出DMA傳送的指令，并通過(guò)控制口線(xiàn)使157數據選擇電路里74164傳送過(guò)來(lái)的并行數據直接與D12的并行接口相連，不在進(jìn)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(mǎn)8向D12發(fā)送一個(gè)讀信號，使D12 讀取164內存儲的8個(gè)字節的數據，如此反復，整個(gè)傳輸過(guò)程由硬件完成，不受MCU 的速率限制，從而實(shí)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(jīng)過(guò)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(chǎng)同步信號。計數器對CCD_CLK1進(jìn)行計數，滿(mǎn)8個(gè)脈沖向D12的讀端發(fā)一個(gè)低電平，通知D12對164里面的數據進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(jìn)行計數，滿(mǎn)8個(gè)脈沖向D12的讀端發(fā)一個(gè)低電平，通知D12對164里面的數據進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(gè)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(tài)恢復時(shí)，將導致D12 觸發(fā)掛起信號，并通過(guò)上面的電路而產(chǎn)生復位信號。

　　4.2.7 外設接口2

　　采用標準的IDE接口連線(xiàn)方式的外設接口2電路

　　外設接口2采用了標準的IDE接口連線(xiàn)方式，可直接與計算機硬盤(pán)、光驅、光盤(pán)刻錄機等相連，用于傳輸海量數據，使用方便。

　　由于采取了51接口擴展的方式，通過(guò)對接口的轉換，也可以與其他更多的外設相連，用途比較廣泛。

　　4.2.8 其他器件

　　l 按下按鈕SW1 ：復位或恢復系統

　　l LED D1 ： USB 接口連接成功指示器：當此LED 點(diǎn)亮時(shí)表示USB 主機和USB 器件已經(jīng)裝配和枚舉。如果它正在閃爍表示數據已經(jīng)發(fā)送或接收。

　　l JP2： 外設接口1，用于與CCD相連，為4接口的接插件

　　l CON1： USB CON 用于與USB電纜相聯(lián)。

　　結束語(yǔ)

　　USB為計算機外設輸入輸出提供了新的接口標準。它使設備具有熱插拔，即插即用，自動(dòng)配置的能力，并標準化設備連接。USB的級聯(lián)星型拓撲結構大大擴充了外設數量，使增加，使用外設更加便捷，快速。而新提出的USB2.0標準更是將數據傳輸速率提高到了一個(gè)新的高度，這是具有美好的應用前景。