USB接口研究与硬件电路设计

1、USB概述
• 概述
由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需 求，因此，USB总线技术应运而生。
USB（Universal Serial Bus) 翻 译 为 中 文 就 是 通 用 串 行 总 线 ， 是 由 Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC 和 Northen Telecom 等 公司 为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器， 它支持各种PC与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。
毕业论文
USB接口研究与硬件电路设计
作 者：林 啸 指导老师：章亚明
2002.6.17
山东大学物理与微电子学院
摘要
USB作为一种新型的接口技术，以其简单易用、速度快等特 点而备受青睐。
本文简要介绍USB 接口的特点、硬件结构、数据流传送以及 外设控制器的实现方式。并详细说明利用51单片机结合PHILIPS 公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件，设计带DMA工 作模式的可供视频信号传输的多功能USB接口电路的过程。
– USB DEVICE （USB设备）
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。
– USB HUB （USB集线器）
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。
2、USB结构与工作原理
• USB的数据流传输
• 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。
现在生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT 以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对 USB的支持。
1、USB概述
• USB的主要优点：
– 使用方便。连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔，而 不必关闭主机电源
– 速度快。USB支持三种设备传输速率：1.5 Mb/s（低速设备）、 12 Mb/s（中速设备）和480 Mb/s（高速设备）。
正是由于USB的这些特点，使其获得了广泛的应用。到目前为止，USB已经 在PC机的多种外设上得到应用，包括扫描仪，数码相机，数码摄像机、音频系统、 显示器、输入设备等。对于广大的工程设计人员来说，USB是设计外设接口时理 想的总线。
引言
• 设计内容
对于USB接口芯片，通常分为普通和DMA（直接存储器存取）两种工作模式。相 对于普通模式，DMA数据传输模式传输速率更快，更适合于视频数字信号等高速、实 时信号的传送。
• USB物理总线的拓扑
一个USB系统包含三类硬件设备: USB HOST(USB主机)、 USB DEVICE(USB设备)、 USB HUB(USB集线器)。
2、USB结构与工作原理
• USB物理总线的拓扑
– USB HOST（USB主机）
在一个USB系统中，仅有一个USB HOST，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。
• 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。
3、ຫໍສະໝຸດ BaiduSB外设控制器的两种实现方式
– 独立供电。USB接口提供了内置电源。 – 连接灵活。一个USB口理论上可以连接127个USB设备。连接
的方式也十分灵活，既可以使用 串行连接，也可以使用集线 器Hub，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。 – 成本低。为了把外设连接到PC上，USB提供了一种低成本的 解决方案。
2、USB结构与工作原理
引言
• USB简介
USB的英文全称为Universal Serial Bus,中文含义是通用串行总线，它是一种快 速的，双向的，同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。
USB接口使用方便，它可以连接多个不同的设备，而过去的串口和并口只能 接一个设备。速度快是USB技术的突出特点之一。全速USB接口的最高传输率可 达12Mb/s,比串口快了整整100倍，而执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达 到了480Mb/s.这使得高分辨率、真彩色的大容量图象的实时传送成为可能。普通 的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要。
• 连接方式
USB芯片在外设领域的应用面很广。USB控制器一般有两种类型：一种是MCU集成在芯 片里面的，如 CYPRESS的EZ-USB；另一种就是纯粹的USB接口芯片，仅处理 USB通信，如 PHILIPS的PDIUSBD12,National Semiconductor的USBN9604等。
集成MCU的USB控制芯片 优点是CPU与控制器在同一片芯片里，CPU只需要访问一系列寄 存器和存储器，便可实现USB口的数据传输，最大限度的发挥USB高速的特点。而且简化了 程序的设计，极大地降低了USB外设的开发难度。缺点是灵活性不够高，开发成本较大。
但遗憾的是，国内市场上提供的各种USB接口电路板大部分仅工作在普通模式，缺 少对DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD数字摄像机USB接口这样的需要工作 在DMA模式下的设计开发。
为了解决这个问题，我们对USB的原理进行了研究，尝试着利用51单片机结合 PHILIPS公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件,设计带DMA工作模式的可供视 频信号传输的多功能USB接口电路，现已设计出了完整的硬件电路。