USB通用串行总线接口.ppt

一、USB简介 二、USB的性能特点与基本特性 USB的物理接口和电气特性、USB系统组成及拓扑结构 三、USB的传输方式 四、USB接口芯片,3.2 USB通用串行总线接口,一、USB 简介,USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及Northern Telecom等7家公司联合开发的一种流行的外设接口标准,1994年开始研究， 1996年 USB 1.0 速度只有1.5Mb/s 1998年 USB 1.1版本 传输速率（两种模式）：低速（Low Speed）1.5Mbps 全速(Full Speed)12Mbps 2000年4月 USB 2.0版本 USB 2.0兼容所有USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps（高速High Speed 系列）。 2008年11月 USB 3.0版本 最大传输速率高达5.0Gb/s，也就是625MB/s Super Speed 引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态,USB的应用,USB2.0 标准的USB硬盘、扫描仪和数码相机、数码摄像机等需大数据量传输的新产品也已投入使用，其数据传输速度已高达480Mb/s； 出现了USB转接设备，提供USB接口到其他接口的转换，这样，非USB接口的外设就能间接地使用接USB接口，如USB到PS/2、USB到PCI等；新的专用测量仪器也与PC机USB接口； 使用USB接口可使笔记本电脑的外设连接变得方便简单，机箱上提供多个USB接口，USB光驱、USB软驱等作为配件，极大地方便了用户使用。而且系统结构简单，可以使更高主频的微处理器用于笔记本电脑中 ；,二、USB的性能特点与基本 特性,2.1 USB的性能特点 传输速度快 连接简单快捷 通用连接器 无须外接电源 数据线供电 扩充外设能力强 不需要系统资源 错误检测和恢复,1)、传输速度快,USB低速1.5Mbps 低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、 鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机 等； USB全速12Mbps， USB全速的数据传输用于大范围的多媒体设备。 USB 2.0高速数据传输速度可以高达480Mbps,2)、连接简单快捷,可以热插拔，真正的“即插即用”。设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源，USB自检测，软件自动配置，完成后立刻就能使用。,3)、通用连接器,USB用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，其外型为4针插头。,mini USB(A型)、mini USB (B型)、USB (B型)、USB (A型)、USB (A型),A型连接头用于固定的外围设备；B型连接头用于经常插拔的设备；,4)、无须外接电源 数据线供电,由USB总线提供电源到外部设备，USB能提供+5V/500mA的电源，供低功耗USB设备如USB键盘、USB鼠标、优盘等作电源使用；高功耗的USB设备,如扫描仪等仍需自带电源； USB还采用APM（Advanced Power Management）技术，可以有效地节省电源功耗。如果3ms没有总线活动的话，USB会自动进入挂起状态。 进入挂起状态的设备消耗的电流不超过500uA。,5)、扩充外设能力强,USB采用星形层式结构和Hub技术，允许一个USB主控机可以连接多达127个外设，用户不用担心要连接的设备数目会受到限制。两个外设间的距离可达5米，扩充方便。,6)、不需要系统资源,USB设备不占用内存或I/O地址空间，而且也占用IRQ和DMA通道，所有事务处理都是由USB主机管理。,7)、错误检测和恢复,USB事务处理包括错误保护机制，确保数据无错误发送。在发生错 误时，事务处理可以重来。,2.2、 USB的物理接口和电气特性,、接口信号线,收发器：对地电源电压为4.755.25V，设备吸入的最大电流值为500mA ，D+、 D-上不加电压。 USB设备：高速在D+上加3.03.6V电压, 低速反之。,D+、D-线电气特性： 无驱动：高速VD+ 2.7V, VD-0.8V, 低速反之； 有驱动：高速VD+ 2.0V, VD-2.0V, 低速反之。,D+、D-线信号特性： 高电平：VD+ VD-200mV，VD+ 2.0V ； 低电平：VD- VD+ 200mV，VD- 2.0V 。,D+、D-线数据特性：NRZI（不归零反向码） 逻辑0：D+、D-线上电平高、低间跳变； 逻辑1：D+、D-线上电平不变。,、电气特性,全速/低速USB总线设备连接方法,全速设备：D+上接1.5k上拉电阻； 低速设备： D-上接1.5k上拉电阻；,、电源,USB系统可以通过USB线缆为其外设提供不高于+5V、500mA的总线电源。 完全依靠USB线缆来提供电源的器件被称为总线驱动器件(Bus-powered device), 自带电源的器件则被称为自驱动外设(Self-powered device)。 当一个外设初次连接时，器件的配置和分类并不使用外设自带的电源，而是通过USB线缆提供的电源来使外设处于Powered状态。,、电源管理系统,设备挂起(Suspend) 在外设长时间(3.0ms以上)处于非使用状态时，USB系统自动将该设备挂起(Suspend)， 当一台USB外设处于挂起状态时，USB总线通过USB线缆为该设备仅仅提供500A以下的电流，并把该外设所占用的USB带宽分配给其它的USB外设。 唤醒(Resume) 当外设处于挂起状态时，必须先通过主机使该设备“唤醒” ，然后才可以执行USB操作。,USB总线系统中的设备可以分为三个类型 USB主机（ USB主控制器/根集线器(USB Host) ）：只能有一个，管理USB系统，每秒产生一帧数据；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。 USB 集线器（HUB）：类似于网络集线器，完成USB设备的添加（扩展）、删除和电源管理等 USB总线设备（USB功能外设） 组成金字塔型结构，最多可连接7层，127台设备,、USB设备及其体系结构,USB系统拓扑结构 USB协议定义了在USB系统中主控制器Host与USB设备间的连接和通信，其物理拓扑结构是金字塔型的层层向上方式。允许最多连接127个设备，最上层是USB主控制器。,、USB系统软件组成 主控制器驱动程序 在主控制器与USB设备之间建立通信通道，负责最底层的驱动任务，控制和管理硬件底层，负责将USB事物发送给USB主控制器芯片，最终将串行数据发送到电缆上。 设备驱动程序 驱动USB设备的程序，由操作系统或USB设备制造商提供 USB芯片驱动程序 在设备设置时读取描述寄存器以获取USB设备的特征，并根据这些特征，在请求发送时组织数据传输。,三、USB的传输方式,USB有4种基本的传输方式:,批处理方式 中断传输方式 等时传输方式 控制传输方式,） 批处理方式,批处理可以是单向，也可以是双向。它用于传输大批数据，这种数据传输的时间性不强，但要确保数据的正确性。在数据包的传输过程中，出现错误，则需重新传输。其典型的应用是扫描仪、打印机和数码相机。,中断传输是单向的，且仅输入到主机，它用于不固定的、少量的数据传输，但这些数据需要及时处理。当设备需要主机为其服务时，向主机发送此类信息以通知主机，像键盘、鼠标之类的输入设备采用这方式。USB的中断传输是Polling（查询）类型。主机要频繁地请求端点输入。USB设备在全速情况下，其端点Polling周期为1255ms；对于低速情况，Polling周期为10255ms。因此，最快的Polling频率是1Hz。在信息的传输过程中，如果出现错误，则需将在下一个Polling中重新传输,） 中断传输,等时传输也称同步传输，可以单向也可以双向，用于传输连续性、实时的数据。这种方式的特点是要求传输速率固定，时间性强，忽略传输错误，即传输中出错也不重传。因为这样会影响传输速率。传输的最大数据包是1024B/ms。如视频设备、数字声音设备采用这种方式,） 等时传输,控制传输是双向的，它的传输有23个阶段：Setup阶段（可以没有） ，Data阶段和Status阶段。在Setup阶段，主机传送命令给设备；在Data阶段，传输的是Setup阶段所设定的数据；Status阶段，设备返回握手信号给主机,） 控制传输,四、USB接口芯片 常用的USB接口方法有两种： 采用专用的USB接口器件； 只处理通信，必须被一个外部微处理器所控制。 如：公司的PDIUSBD11（D）、NetChip公司的NET2888，NS公司的USBN9603/9604 选用内部集成USB接口的单片机。 INTEL的8X930系列，CYPRESS公司的EZ-USB， MOTOROLA公司的MC68HC908JB8系列等,4.1 USB专用接口芯片PDIUSBD12 特性： 符合通用串行总线 USB 1.1 版规范 高性能 USB 接口器件， 集成了 SIE FIFO 存储器 收发器以及电压调整器 可与任何外部微控制器/微处理实现高速并行接口 2M 字节/秒 完全自治的直接内存存取 DMA 操作 集成 320 字节多结构 FIFO 存储器 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 在批量模式和同步模式下均可实现 1M 字节/秒的数据传输速率 具有良好 EMI 特性的总线供电能力 在挂起时可控制 LazyClock 输出 可通过软件控制与 USB 的连接 采用 GoodLink 技术的连接指示器,在通讯时使 LED 闪烁 可编程的时钟频率输出 符合 ACPI OnNOW 和 USB 电源管理的要求 内部上电复位和低电压复位电路 有 SO28 和 TSSOP28 封装，工业级操作温度- 40 +85 高于 8kV 的在片静电防护电路减少了额外元件的费用 双电源操作 3.30.3V 或扩展的 5V 电源,范围为 3.65.5V 多中断模式实现批量和同步传输,PDIUSBD12的功能框图,模拟收发器：可以直接与USB电缆相连 电压调整器：3.3V PLL：锁相环，6M-48M的时钟乘法PLL 位时钟恢复：采用4倍过采样规则，从进入的USB数据流中恢复时钟。 PSIE：串行接口引擎，实现全部的USB协议 存储器管理单元和集成RAM： 作为USB之间速度差异的缓冲区。 并行和DMA接口：,4.1 USB专用接口芯片PDIUSBD12,DATA0-7：双向数据位； ALE：地址锁存使能，下降沿关闭地址信息锁存。 CS：片选，低电平有效 SUSPEND：器件处于挂起状态 CLKOUT：可编程时钟输出 INT：中断，低电平有效 RD：读选通，低电平有效 WR：写选通，低电平有效 DMAREQ：DMA请求 DMACK：DMA应答，低电平有效 EOT：DMA传输结束，低电平有效， RESET：复位，低电平有效且不同步，片内上电复位电路，管脚可固定接Vcc GL：GoodLink LED指示器，低电平有效 XTAL1，XTAL2：晶振连接端，如果采用外部时钟信号取代晶振，可连接XATL1，XATL2应悬空。 D+、D-：USB的数据线。 VOUT3.3：3.3V调整输出，要使器件工作在3.3V，对VDD和Vout3.3脚提供3.3V。 A0：地址位。=0选择命令指令，=1，选择数据,PDIUSBD12与微控制器的接口 广泛应用于测控技术、数据采集、信号处理。,USB数据采集系统硬件框图,并行接口时序（I/O和DMA）,PDIUSBD12与微控制器的接口电路,4.2 内部集成USB接口的单片机（CY7C68013A） Cypress公司的EZ-USB系列单片机带有智能USB接口。EZ- USB分为三个系列： EZ-USB 2100、 EZ-USB FX2、EZ-USB FX2。EZ-USB FX2系列芯片是世界上第一款集成USB2.0协议 的微处理器，支持12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输， 可以使用4种传输模式。其串行接口引擎负责完成串行数据的编 解码、差错控制、位填充等与USB协议有关的功能。,EZ-USB的特点 改进的8051内核。与标准8051的指令完全兼容； 高度集成。非易失性存储器、微处理器、RAM、SIE（串行接口