分析研究典型USB控制器芯片性能

引言

為了方便PC與外設的連接，以Intel公司為首的7家公司于1994年11月推出了一種即插即用的USB通用串行總線(xiàn)協(xié)議規范。但由于USB是以主機為中心的分層的星狀總線(xiàn)拓撲結構，軟件比較復雜，對功率要求也比較高，所以在推出后的一段時(shí)期內，USB在基于PC的系統中得到了廣泛應用，而在嵌入式系統中應用不多。但是，在2000年發(fā)表的USB 2.0規范將USB接口的速度從12 Mbps提高到480 Mbps;2001年又發(fā)表了USB OTG補充規范，使外部設備可以擺脫PC機，實(shí)現在任何兩臺設備之間直接通信。經(jīng)過(guò)這兩次升級，隨著(zhù)有越來(lái)越多的帶USB接口的廉價(jià)外設可供使用，有越來(lái)越多的嵌入式系統工程師想把USB接口技術(shù)應用到嵌入式系統的設計中。這種需求也促進(jìn)了USB控制器芯片的研發(fā)，給開(kāi)發(fā)者提供了越來(lái)越多的選擇。僅在最近兩年內，就有多種新型的USB控制器芯片推出。然而這又給選擇帶來(lái)了困難，不同的USB控制器芯片有不同的性能和特點(diǎn)，以下對一些典型的USB控制器芯片進(jìn)行分析和比較，供選擇時(shí)決策參考。

幾款典型USB控制器芯片性能分析

從芯片大的構架來(lái)分，市面上所有的USB控制器芯片可以分為不需要外接微處理器的芯片和需要外接微處理器的芯片。不需要外接微處理器的芯片又可以分為USB接口專(zhuān)用芯片和嵌入通用微控制器內核的芯片。

USB接口專(zhuān)用芯片內部采用專(zhuān)用的微控制器，具有特定的指令集，如Cypress的USB M8系列和enCoRe USB系列的芯片。其所能實(shí)現的功能有限，但是因為指令集是專(zhuān)門(mén)為USB應用優(yōu)化的指令集，所以實(shí)現USB通信工作非常方便。

內嵌通用微控制器的USB控制芯片，一般是在通用微控制器的基礎上擴展了USB功能，其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)者熟悉這些通用微控制器的結構和指令集，相關(guān)資料豐富，易于進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如Cypress基于8051的EZ-USB系列，Microchip基于PIC的16C7x5，Motorola基于68HC08的68HC08JB8，Atmel基于A(yíng)VR的AT76C711等USB控制芯片。

需要外接微控制器的芯片，只處理與USB相關(guān)的通信工作，而且必須由外部微控制器對其控制才能正常工作，所以這些芯片必須提供一個(gè)串行或并行的數據總線(xiàn)與微控制器進(jìn)行連接。此外，還需要一個(gè)中斷引腳，當數據收到或發(fā)送完，這個(gè)中斷引腳會(huì )向微控制器發(fā)出中斷請求信號。其優(yōu)點(diǎn)是芯片價(jià)格便宜，而且便于用戶(hù)使用自己熟悉的微控制器進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

總之，USB芯片是一種集成了USB協(xié)議的微處理器，它能自動(dòng)對各種USB事件做出響應，以處理USB總線(xiàn)上的數據傳輸。USB芯片按功能可以分為USB主控制器芯片、USB集線(xiàn)器芯片和USB功能設備芯片。

在對USB控制器芯片性能進(jìn)行分析時(shí)，主要研究數據傳輸速度、功耗、電源、程序/數據存儲器容量、封裝及USB規范等通用的技術(shù)指標。另外，針對不同的功能類(lèi)型，還會(huì )有不同的要求。下面將對最新有代表性的USB控制芯片進(jìn)行分析比較。

1. USB主控制器芯片

USB主控制器芯片負責實(shí)現主機和USB設備間的物理數據傳輸，它是構成USB主機不可或缺的核心部件。隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，USB主機的嵌入式化是大勢所趨。在USB 2.0規范中也增加了On-The-Go(OTG)補充規范，它使得不同外設在無(wú)主機參與的情況下可直接互連通信。另外，雖然有的芯片是主機/設備控制器芯片，但是一般只將其作為主機控制器芯片使用，如SL811HS。所以，本部分討論的芯片包括USB主機芯片、OTG USB芯片和USB主機/設備芯片，不進(jìn)行特別的區分。

我們選取TDI公司的TD242LP芯片、Philips公司的ISP1761和Cypress公司的CY7C67200進(jìn)行比較分析。這三款芯片都是USB OTG 主機/設備控制器。表1是典型USB主控制器芯片特性的比較。

2.USB集線(xiàn)器芯片

USB集線(xiàn)器芯片負責將一個(gè)USB上行端口轉化為多個(gè)下行端口，它是構成USB集線(xiàn)器不可或缺的核心部件。它所需要關(guān)心的性能指標與USB主機的要求不完全相同，它所支持的下行端口的數目是一個(gè)很重要的指標。

我們選取Cypress公司的CY7C66113、Alcor Micro公司的AU9254 A21和Philips公司的ISP1251進(jìn)行比較分析。典型USB集線(xiàn)器芯片的特性如表2所示。

3.USB功能設備芯片

USB功能設備芯片負責實(shí)現功能設備和USB主機間的物理數據傳輸，它是構成USB功能設備的必需部件。通常這些USB芯片都含有多個(gè)驅動(dòng)外圍電路的I/O口，以實(shí)現USB設備的特殊功能。在這里，我們只考慮單一功能的USB設備芯片，不考慮ORG-USB和主機/設備USB芯片。

我們選取Cypress公司的CY7C68013a、NetChip公司的Net2280和Philips公司的ISP1583進(jìn)行比較分析。典型USB功能設備芯片特性如表3所示。

以上三種芯片的I/O接口各有自己的特點(diǎn)，但是都滿(mǎn)足USB的高速和全速傳輸的速率要求及傳輸類(lèi)型的需要，可以根據不同工程要求，選擇合適的芯片。

通過(guò)對上述按功能劃分的三大類(lèi)USB芯片的同一類(lèi)型芯片之間特性的比較分析和掌握相關(guān)的研究方法，我們就可以根據實(shí)際開(kāi)發(fā)項目的要求及設計的重點(diǎn)選擇合適的USB控制器芯片。

選擇USB芯片的其他相關(guān)因素

在進(jìn)行USB項目開(kāi)發(fā)時(shí)，除了需要針對不同功能的應用，對相應類(lèi)型的不同的USB芯片的特性進(jìn)行比較分析以選擇合適的USB芯片之外，還有許多因素值得我們考慮。為了更好更快地完成項目的開(kāi)發(fā)，一般情況下還必須遵循以下準則：

1. 需要熟悉芯片的硬件體系結構和相關(guān)的固件編程語(yǔ)言，以及詳盡的硬件文檔;

2. 要有良好的USB芯片的開(kāi)發(fā)工具包，便于進(jìn)行固件下載和調試的開(kāi)發(fā)系統;

3. 要有可以提供芯片固件的范例代碼、典型的USB設備驅動(dòng)程序和界面應用程序等，開(kāi)發(fā)人員只需在其基礎上稍加修改即可使用;

4. 關(guān)于USB芯片的價(jià)格，應盡量選擇性?xún)r(jià)比最高的芯片。對于批量生產(chǎn)的USB設備，可以選擇提供OTP(一次性編程)版本的USB芯片。

總之，正確的選擇是成功的開(kāi)始，可以節省大量的時(shí)間和金錢(qián)。

USB技術(shù)的新發(fā)展

USB總線(xiàn)系統是一種新興的標準，雖然具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是也具有不少的局限性。為了擴大USB的應用范圍，很多公司在USB規范的基礎上添加了新的功能，使得USB的應用更加廣泛。

根據USB規范，USB總線(xiàn)可為每個(gè)連接的外設提供+5V/500mA的電源，對于很多小功率的外設已能滿(mǎn)足要求，但是當外設需要超過(guò)500mA電流時(shí)，就需要外接電源。這不符合“即插即用”的思想。所以出現了解決這一問(wèn)題的PoweredUSB技術(shù)。