USB接口技术分析及电路设计

文章摘要：(1)USB HOST在一个USB系统中，当且仅当有一个USB HOST时，USB HOST有以下功能:◇ 管理USB系统;◇ 每毫秒产生一帧数据;◇ 发送配置请求对USB设备进行配置操作;◇ 对总线上的错误进行管理和恢复。(2)USB DEVICE在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超过127个。USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包;若地址相符，则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输。(3)USB HUBUSB HUB用于设备扩展连接，所有USB

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　　(1)USB HOST

　　在一个USB系统中，当且仅当有一个USB HOST时，USB HOST有以下功能:

　　◇ 管理USB系统;

　　◇ 每毫秒产生一帧数据;

　　◇ 发送配置请求对USB设备进行配置操作;

　　◇ 对总线上的错误进行管理和恢复。

　　(2)USB DEVICE

　　在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超过127个。USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包;若地址相符，则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输。

　　(3)USB HUB

　　USB HUB用于设备扩展连接，所有USB DEVICE都连接在USB HUB的端口上。一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。USB HUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用。同时，USB HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应USB HOST的数据包把端口状态汇报给USB HOST。一般来说，USB设备与USB HUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级(包括ROOT HUB)。

　　USB总线最多可支持127个USB外设连接到计算机系统。USB的拓扑是树形结构，有1个USB根集线器(root hub)，下面还可有若干集线器。1个集线器下面可接若干USB接口。USB线缆包括4条线：Vbus(USB电源)、D+(数据)、D-(数据)和 Gnd(USB地)。线缆最大长度不超过5m。USB1.1的传输速率最高为12Mb/s(低速外设的标准速率为1.5Mb/s，高速外设的标准速率为 12Mb/s)。图2-1是典型的USB功能器件结构框图，图2-3是高速外设的USB线缆与电阻的连接图。图2-3中：FS为全速(高速);LS为低速;R1=15kΩ，R2=15kΩ。USB外设可以采用计算机里的电源(+5V，500mA)，也可外接USB电源。在所有的USB信道之间动态地分配带宽是USB总线的特征之一，这大大地提高了USB带宽的利用率。当一台USB外设长时间(3ms以上)不使用时，就处于挂起状态，这时只消耗0.5mA 电流。按USB1.0/1.1标准，USB的标准脉冲时钟频率为12MHz，而其总线时脉冲时钟为1ms(1kHz)，即每隔1ms，USB器件应为 USB线缆产生1个时钟脉冲序列。这个脉冲系列称为帧开始数据包(SOF)。高速外设长度为每帧12000bit(位)，而低速外设长度只有每帧 1500bit。1个USB数据包可包含0~1023字节数据。每个数据包的传送都以1个同步字段开始。

　　2.2 USB的数据流传输

　　主控制器负责主机和USB设备间数据流的传输。这些传输数据被当作连续的比特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口，每个接口由0个或多个管道组成，它们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数据。USBD为主机软件的现实需求建立了接口和管道，当提出配置请求时，主控制器根据主机软件提供的参数提供服务。

　　USB支持四种基本的数据传输模式：控制传输，等时传输，中断传输及数据块传输。每种传输模式应用到具有相同名字的终端，则具有不同的性质。

　　控制传输类型：支持外设与主机之间的控制，状态，配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令/状态信息。等时传输类型：支持有周期性，有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输，支持像计算机-电话集成系统(CTI)和音频系统与主机的数据传输。

　　中断传输类型：支持像游戏手柄，鼠标和键盘等输入设备，这些设备与主机间数据传输量小，无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。

　　数据块传输类型：支持打印机，扫描仪，数码相机等外设，这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。

　　USB采用分块带宽分配方案，若外设超过当前带宽分配或潜在的要求,则不能进入该设备。同步和中断传输类型的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率传送。集中和控制终端按可用的最佳带宽来传输传输数据。

　　3、USB外设控制器的两种实现方式

　　USB芯片在外设领域的应用面很广。USB外设控制芯片通常包括USB收发器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外设功能等四个模块(SIE 主要以硬件方式处理大多数USB协议，USB控制器负责与PC交互通信信息)。USB控制器一般有两种类型：一种是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等公司的产品;另一种就是纯粹的USB接口芯片，仅处理 USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD11(I2C接口)、 PDIUSBP11A、PDIUSBD12(并行接口)，National Semiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9*等。

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