USB2.0控制器CY7C68013特點(diǎn)與應用

關(guān)鍵詞：USB2.0 高速模式 端點(diǎn)

本刊2002年到2、3期已對EZ-USB單片機的介紹。本文在此只重點(diǎn)介紹USB2.0的特殊之處以及芯片CY7C68013的主要特點(diǎn)。*

1 USB2.0的主要特點(diǎn)

USB協(xié)議的2.0版本于2000年4月推出。支持以下3種速度模式：

低速模式（low speed） 1.5Mb/s；

全速模式（full speed） 12Mb/s

高速模式（high speed） 480Mb/s

USB2.0協(xié)議支持現存的所有USB設備，既可以把USB1.1設備插入USB1.1的PC機接口，并且在電氣上兼容USB1.1的連接線(xiàn)。

1.1 數據包

USB傳輸的數據包的類(lèi)型用稱(chēng)之為Packet Ids（PIDs）的特定代碼來(lái)定義。USB包中共有4種PID類(lèi)型，如表1所列。

表1 USB2.0的數據包類(lèi)型

注：黑體字表示USB2.0增加的PID類(lèi)型。

在全速模式時(shí)，每個(gè)OUT傳輸發(fā)送OUT數據包，不考慮外設是否處于“忙”狀態(tài)而不能接收數據。針對這種浪費帶寬的情況，在高速模式時(shí)推薦使用新的PID類(lèi)型“PING”。主機先對OUT端點(diǎn)發(fā)出個(gè)較短的“PING”令牌，訪(fǎng)問(wèn)當前外設是否有數據文憑間來(lái)存放OUT的數據包。僅僅當外部設備回答“ACK”時(shí)，主機才發(fā)送較長(cháng)OUT數據包。

SETUP鄰牌只用于控制傳輸。它數據包中的前8個(gè)字節。通過(guò)這8個(gè)字節，外設對主機的設備請求進(jìn)行譯碼。

SOF令牌代表一個(gè)USB幀的開(kāi)始。

ACK（Acknowlegde）表示成功，數據接收無(wú)誤。

NAK（Negavite Acknowlegde）表示忙，得發(fā)。這并不是出錯，USB外設沒(méi)有應答表示出錯。

STALL表示未知錯誤，外設未能理解主機發(fā)出的設備請求，可能是外設端出錯，或是主機訪(fǎng)問(wèn)并存在的資源。USB協(xié)議提供了從stall狀態(tài)恢復的方法。

NYET（Not Yet）類(lèi)似于A(yíng)CK，表示數據接收無(wú)誤，并且指出外設還沒(méi)準備好接收下一個(gè)OUT數據包。NYET PID只用于在高速模式。

其它PID詳見(jiàn)參考文獻[1]。

1.2 幀結構

USB主機每毫秒向所有的USB設備發(fā)送1上SOF包（Start of Frame），以此來(lái)提供時(shí)間基準。SOF包括1個(gè)自增的11位幀序號。FX2隨時(shí)可以從寄存器中讀出這個(gè)范圍在[0～2047]的幀序號。

地高速模式下（480Mb/s），每個(gè)1ms長(cháng)的幀被分成了8個(gè)125μs長(cháng)的微幀。每個(gè)微幀也都由一個(gè)SOF包開(kāi)始。幀序號還是每個(gè)毫秒自增1次，所以這8個(gè)微幀都含有相同的幀序號。為了區別每個(gè)微幀FX2提供1個(gè)只讀的微幀計數器，并且FX2能在收到SOF包時(shí)產(chǎn)生1個(gè)中斷請求，即在全速模式下1ms/次，高速模式下125μs/次。

1.3 傳輸類(lèi)型

為了適用480 Mb/s的高速數據傳輸，USB.0協(xié)議擴大了各種傳輸類(lèi)型數據包長(cháng)度，與USB1.1的對照如表2所列。

表2 USB2.0與USB1.1數據包長(cháng)度的對照

1.4 高速模式和全速模式的檢測

USB2.0規范要求高速設備必須能在全速模式下枚舉。每個(gè)高速設備都在全速模式下開(kāi)始枚舉過(guò)程。當與主機達成“Chirp”協(xié)議后設備再切換到高速工作模式下。詳細內容見(jiàn)參考文獻[1]第7章。FX2能自動(dòng)檢測高速主機，并切換到高速模式下。

1.5 傳輸性能分析

以USB硬盤(pán)為例分析USB2.0的高速傳輸性能。圖1為USB2.0與硬盤(pán)接口的帶寬分析。

每分轉速7200帶有2MB緩存的ATA100硬盤(pán)，接口數據傳輸速率可達100MB/s，可持續的有效傳輸速率只有39MB/s。

USB2.0在每個(gè)上微幀中最大可傳輸13個(gè)塊傳輸包，而每個(gè)微幀長(cháng)固定為125μs，所以其最大傳輸速率為：5121381000=53MB/s。

2 EX-USB FX2的主要特點(diǎn)

2.1 芯片結構

EZ-USB FX2芯片包括1個(gè)8051處理器、1個(gè)串行接口引擎（SIE）、1個(gè)USB收發(fā)器、8.5KB片上RAM、4KB FIFO存儲器以及1個(gè)通用可編程接口（GPIF），如圖2所示。FX2是一個(gè)全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

EZ-USB FX2擁有1個(gè)獨特的架構，其中包括1個(gè)智能串行接口引擎（SIE）。它執行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU解放出來(lái)以用于實(shí)現專(zhuān)用的功能，并保證其持續的高性能的傳輸速率。FX2還包括2個(gè)通用可編程接口（GPIF），允許它“無(wú)膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進(jìn)行連接，并且它還支持所有通用總線(xiàn)標準，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。EZ-USB FX2完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。

FX2有3種封裝形式：56腳 SOPP、100腳的TQFF（薄形四方扁平封裝）、128腳的TQFP。引腳數的區別在于輸入、輸出引腳數的不同，以針對不同的應用要求。

2.2 結構特點(diǎn)

當大部分USB1.1器件都需要微控制器參與數據從端點(diǎn)FIFOs到應用環(huán)境轉移，如圖3所示。顯然，微控制器本身的工作頻率在相當程度上限制了帶寬的進(jìn)一步提高。雖然在12Mb/s的全速模式下，這種限制并不明顯，但當速度提升至480 Mb/s時(shí)，在成本嚴格控制下微控制器就必然成為整個(gè)系統的帶寬并頸。

EZ-USB FX2提供了一種獨持架構，使USB接口和應用環(huán)境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數據傳輸但允許以FIFO或RAM的方式訪(fǎng)問(wèn)這些共享FIFO，如圖4所示。這種被稱(chēng)之為“量子FIFO”（Quantum FIFO）的處理架構，較好地解決了USB高速模式的帶寬問(wèn)題。

具體來(lái)說(shuō)，如圖5所示，USB執行OUT傳輸，將EP2端點(diǎn)設成512字節重FIFO（如2.3小節所述）。在USB端和外部接口端都并不知道有四重FIFO?？磥?lái)，USB端只要有1個(gè)FIFO為“半滿(mǎn)”，就可以繼續發(fā)送數據。當膠操作的FIFO寫(xiě)“滿(mǎn)”時(shí)，FX2自動(dòng)將其轉換到外部接口端，排除等候讀??；并將USB接口隊列中下一個(gè)為“空”的FIFO轉移到USB接口上，供其繼續寫(xiě)數據。外部接口端與此類(lèi)似，只要1有個(gè)FIFO為“半滿(mǎn)”，就可以繼續讀取數據。當前操作的FIFO讀“空”時(shí)，FX2自動(dòng)將其轉換到USB接口端，排除等候寫(xiě)入；并將外部接口隊列中下一個(gè)為“滿(mǎn)”的FIFO轉移到外部接口上，供其繼續讀取數據。

2.3 端點(diǎn)緩存

USB協(xié)議定義了端點(diǎn)作為數據的接收器和發(fā)送器。主機發(fā)送4個(gè)bit的地址和1個(gè)bit的方向來(lái)選擇端點(diǎn)，因此USB最多可有32個(gè)端點(diǎn)定義：IN0～IN15和OUT0～OUT15。

FX2定義了7個(gè)端點(diǎn)，在高速模式下的端點(diǎn)緩存結構如圖6所示。EP0INOUT、EP1IN、EP1OUT是64byte的端點(diǎn)緩存。EP0是默認的控制傳輸端點(diǎn)，既是IN端點(diǎn)也是OUT端點(diǎn)。EP1IN、EP1OUT支持塊、中斷和同步傳輸。EP0、EP1IN和EP1OUT只能由FX2的固件訪(fǎng)問(wèn)；而EP2、4、6和8無(wú)需固件干涉即可同片外互傳高速數據。

FX2端點(diǎn)配置方式非常靈活。EP2、4、6和8是大容量高帶寬的數據傳輸端點(diǎn)，可設為IN或OUT端點(diǎn)的一種，能配置成多種形式以適應帶寬需要。在圖6中，每一列代表1種配置方式。帶陰影的方框可包括2、3、4個(gè)512或1024字節的緩存，分別表示端點(diǎn)可配置成雙重、三重和四重緩存。雙緩存是指USB可以讀或寫(xiě)1個(gè)數據包，而另一個(gè)數據包（同一個(gè)端點(diǎn)內另一個(gè)緩沖存儲器中的）可供外部接口操作；三重緩存加了第3個(gè)數據包存儲器可供USB和外部接口需要的一方使用；四重緩存增加了第4個(gè)數據包存儲器。多緩存的結構以在讀寫(xiě)雙方速度相似時(shí)有效地改善帶寬，平滑帶寬抖動(dòng)，減少雙方的互相等待時(shí)間。

3 EZ-USB FX2的接口方式

FX有2種接口方式：Slave FIFOs和可編程接口GPIF。

Slave FIFOs方式是從機方式，外部控制器可像普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)。FX2的Slave FIFOs工作方式可設為同步或異步；工作時(shí)鐘可選為內部產(chǎn)生或外部輸入；其它控制信號也可靈活地設置為高有效或低有效。

可編程接口GPIF是主機方式，可以軟件編程讀寫(xiě)控制波形，幾乎可以對任何8/16 bit接口的控制器、存儲器和總線(xiàn)進(jìn)行數據的主動(dòng)讀寫(xiě)，非常靈活。

4 EZ-USB FX2的開(kāi)發(fā)工具

如同EZ-USB系列的其它控制器一樣，Cypress公司對FX2也提供了較為完備的開(kāi)發(fā)套件CY3681。它包括帶128腳CY7C68013的硬件開(kāi)發(fā)板和相應的控制面板（Control panel）、GPIF代碼自動(dòng)生成軟件（GPIFTool）以及固件方面豐富的例子和大量的幫助文檔?？梢员M量節省學(xué)習時(shí)間，加快開(kāi)發(fā)速度。