3.2-USB通用串行总线接口资料.ppt

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1、一、一、USBUSB简介简介二、二、USBUSB的性能特点与基本特性的性能特点与基本特性USB的物理接口和电气特性、的物理接口和电气特性、USB系统组成及拓扑结构系统组成及拓扑结构三、三、USBUSB的传输方式的传输方式四、四、USBUSB接口芯片接口芯片3.2 USB3.2 USB通用串行总线接口通用串行总线接口一、一、USB 简介简介 USB（Universal Serial Bus）通用串行通用串行总总线线是由是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及及Northern Telecom等等7家公司家公司联联合开合开发发的一种流行

2、的外的一种流行的外设设接口接口标标准准 1994年开始研究，年开始研究，1996年年 USB 1.0 速度只有速度只有1.5Mb/s 1998年年 USB 1.1版本版本传输传输速率（速率（两种模式）两种模式）：低速（：低速（Low Speed）1.5Mbps 全速全速(Full Speed)12Mbps2000年年4月月 USB 2.0版本版本USB 2.0兼容所有兼容所有USB 1.0外部外部设备设备及及电缆线电缆线等，等，传输传输速率达速率达480Mbps（高速（高速High Speed 系列）。系列）。2008年年11月月 USB 3.0版本版本最大传输速率高达最大传输速率高达5.0G

3、b/s，也就是，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的应用的应用 USB2.0 标准的标准的USB硬盘、扫描仪和数码相机、数码硬盘、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传输速度已高达480Mb/s；出现了出现了USB转接设备，提供转接设备，提供USB接口到其他接口的转接口到其他接口的转换，这样，非换，这样，非USB接口的外设就能间接地使用接接口的外设就能间接地使用接USB接口，接

4、口，如如USB到到PS/2、USB到到PCI等；新的专用测量仪器也与等；新的专用测量仪器也与PC机机USB接口；接口；使用使用USB接口可使笔记本电脑的外设连接变得方便简接口可使笔记本电脑的外设连接变得方便简单，机箱上提供多个单，机箱上提供多个USB接口，接口，USB光驱、光驱、USB软驱等作软驱等作为配件，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以使更高主频的微处理器用于笔记本电脑中；二、二、USB的性能特点与基本的性能特点与基本 特性特性2.1 USB2.1 USB的性能特点的性能特点 传输传输速度快

5、速度快连连接接简单简单快捷快捷 通用通用连连接器接器无无须须外接外接电电源源 数据数据线线供供电电 扩扩充外充外设设能力能力强强 不需要系不需要系统资统资源源 错误检测错误检测和恢复和恢复1)1)、传输速度快、传输速度快USB低速低速1.5Mbps低速的低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、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、数码相机鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；等；USB全速全速12Mbps，USB全速的数据传输用于大范围的多媒体设备。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高速数据传

6、输速度可以高达480Mbps2)2)、连接简单快捷、连接简单快捷可以可以热插拔热插拔，真正的，真正的“即插即用即插即用”。设备连到。设备连到USB时，时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源，不必打开机箱，也不必关闭主机电源，USB自检测，自检测，软件自动配置，完成后立刻就能使用。软件自动配置，完成后立刻就能使用。3)3)、通用连接器、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，用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，其外型为其外型为4针插头。针插头。mini USB(A型型)、mini USB(B型型)、USB(B型型)、USB(A型型)、USB(A型型)A型连接头用于固定的外围

7、设备；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；型连接头用于经常插拔的设备；4)4)、无须外接电源、无须外接电源 数据线供电数据线供电由由USB总总线线提提供供电电源源到到外外部部设设备备，USB能能提提供供+5V/500mA的的电电源源，供供低低功功耗耗USB设设备备如如USB键键盘盘、USB鼠鼠标标、优优盘盘等等作作电电源源使使用用；高高功功耗耗的的USB设设备备,如如扫描仪等仍需自带电源；扫描仪等仍需自带电源；USB还还采采用用APM（Advanced Power Management）技技术术，可可以以有有效效地地节节省省电电源源功功耗耗。如如果果3ms没有总线活动的话

8、，没有总线活动的话，USB会自动进入挂起状态。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进入挂起状态的设备消耗的电流不超过500uA。5)5)、扩充外设能力强、扩充外设能力强USB采用星形层式结构和采用星形层式结构和Hub技术，允许一个技术，允许一个USB主控机可以主控机可以连接多达连接多达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制。两个外设间的距离可达5米，扩充方便。米，扩充方便。6)6)、不需要系统资源、不需要系统资源USB设备不占用内存或设备不占用内存或I/O地址空间，而且也占用地址空间，而且也占用

9、IRQ和和DMA通道，所有事务处理都是由通道，所有事务处理都是由USB主机管理。主机管理。7)7)、错误检测和恢复、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。误时，事务处理可以重来。2.2、USB的物理接口和电气特性的物理接口和电气特性、接口信号线、接口信号线 连接序号连接序号信号名称信号名称典型连接线典型连接线1VBUS（USB电源）电源）红红2D+（正差分信号）（正差分信号）白白3D-（负差分信号（负差分信号)绿绿4GND(USB地地)黑黑外层外层屏蔽层屏蔽层 收发器：收发器：对

10、地电源对地电源电压为电压为4.755.25V，设备吸入的最大电流，设备吸入的最大电流值为值为500mA，D+、D-上不加电压。上不加电压。USBUSB设备：设备：高速在高速在D+上加上加3.03.6V电压电压,低速反之低速反之。D+D+、D-D-线电气特性：线电气特性：无驱动：高速无驱动：高速VD+2.7V,VD-0.8V,低速反之；低速反之；有驱动：高速有驱动：高速VD+2.0V,VD-2.0V,低速反之。低速反之。D+D+、D-D-线信号特性：线信号特性：高电平：高电平：VD+VD-200mV，VD+2.0V；低电平：低电平：VD-VD+200mV，VD-2.0V。D+D+、D-D-线数据

11、特性：线数据特性：NRZINRZI（不归零反向码）（不归零反向码）逻辑逻辑0 0：D+D+、D-D-线上电平高、低间跳变；线上电平高、低间跳变；逻辑逻辑1 1：D+D+、D-D-线上电平不变。线上电平不变。、电气特性电气特性全速全速全速全速/低速低速低速低速USBUSB总线设备连接方法总线设备连接方法总线设备连接方法总线设备连接方法全速设备：全速设备：D+上接上接1.5k上拉电阻；上拉电阻；低速设备：低速设备：D-上接上接1.5k上拉电阻；上拉电阻；、电源、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(Bu

12、s-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、电源管理系统设备挂起设备挂起(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。唤醒唤醒(Resume)当外设处于挂起状态时，必须先通过主机使该设

13、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USBUSB主机（主机（USBUSB主控制器主控制器/根集线器根集线器(USB Host)(USB Host)）：只能）：只能有一个，有一个，管理管理USBUSB系统，每秒产生一帧数据；发送配置请系统，每秒产生一帧数据；发送配置请求对求对USBUSB设备进行配置操作，对总线上的错误进行管理和设备进行配置操作，对总线上的错误进行管理和恢复。恢复。USB 集线器（集线器（HUB）：类似于网络集线器，）：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（总线设备（USB功能外设）功能外设）组成金

14、字塔型结构金字塔型结构，最多可连接7层层，127台设备台设备、USB设备及其体系结构设备及其体系结构USB系统拓扑结构系统拓扑结构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系统软件组成系统软件组成主控制器驱动程序主控制器驱动程序主控制器驱动程序主控制器驱动程序 在主控制器与在主控制器与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，负责将制和管理硬件底层，负责将USB事物发送给事物发送给US

15、B主控制器芯片，最终将主控制器芯片，最终将串行数据发送到电缆上。串行数据发送到电缆上。设备驱动程序设备驱动程序设备驱动程序设备驱动程序 驱动驱动USB设备的程序，由操作系统或设备的程序，由操作系统或USB设备制造商提供设备制造商提供USBUSB芯片驱动程序芯片驱动程序芯片驱动程序芯片驱动程序在设备设置时读取描述寄存器以获取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，设备的特征，并根据这些特征，在请求发送时组织数据传输。在请求发送时组织数据传输。三、三、USB的的传输传输方式方式 USB有有4种基本的传输方式种基本的传输方式:批处理方式批处理方式中断中断传输传输方式方式等时

16、传输方式等时传输方式控制控制传输传输方式方式 ）批处理方式批处理方式批批处处理理可可以以是是单单向向，也也可可以以是是双双向向。它它用用于于传传输输大大批批数数据据，这这种种数数据据传传输输的的时时间间性性不不强强，但但要要确确保保数数据据的的正正确确性性。在在数数据据包包的的传传输输过过程程中中，出出现现错错误误，则则需需重重新新传传输输。其其典典型型的的应应用用是是扫扫描描仪仪、打打印印机机和和数数码码相机。相机。中中断断传传输输是是单单向向的的，且且仅仅输输入入到到主主机机，它它用用于于不不固固定定的的、少少量量的的数数据据传传输输，但但这这些些数数据据需需要要及及时时处处理理。当当设设

17、备备需需要要主主机机为为其其服服务务时时，向向主主机机发发送送此此类类信信息息以以通通知知主主机机，像像键键盘盘、鼠鼠标标之之类类的的输输入入设设备备采采用用这这方方式式。USBUSB的的中中断断传传输输是是PollingPolling（查查询询）类类型型。主主机机要要频频繁繁地地请请求求端端点点输输入入。USBUSB设设备备在在全全速速情情况况下下，其其端端点点PollingPolling周周期期为为1 1255ms255ms；对对于于低低速速情情况况，PollingPolling周周期期为为1010255ms255ms。因因此此，最最快快的的PollingPolling频频率率是是1 1H

18、zHz。在在信信息息的的传传输输过过程程中中，如如果果出出现现错错误误，则则需将在下一个需将在下一个PollingPolling中重新中重新传输传输）中断传输中断传输等等时时传传输输也也称称同同步步传传输输，可可以以单单向向也也可可以以双双向向，用用于于传传输输连连续续性性、实实时时的的数数据据。这这种种方方式式的的特特点点是是要要求求传传输输速速率率固固定定，时时间间性性强强，忽忽略略传传输输错错误误，即即传传输输中中出出错错也也不不重重传传。因因为为这这样样会会影影响响传传输输速速率率。传传输输的的最最大大数数据据包包是是1024B/ms1024B/ms。如如视视频频设设备备、数字声音数字

19、声音设备设备采用采用这这种方式种方式 ）等时传输等时传输控控制制传传输输是是双双向向的的，它它的的传传输输有有2 23 3个个阶阶段段：SetupSetup阶阶段段（可可 以以 没没 有有），DataData阶阶段段和和StatusStatus阶阶段段。在在SetupSetup阶阶段段，主主机机传传送送命命令令给给设设备备；在在DataData阶阶段段，传传输输的的是是SetupSetup阶阶段段所所设设定定的的数数据据；StatusStatus阶阶段段，设设备备返返回回握握手信号手信号给给主机主机 ）控制传输控制传输四、四、USB接口芯片接口芯片常用的USB接口方法有两种：采用专用的采用专用

20、的采用专用的采用专用的USBUSB接口器件；接口器件；接口器件；接口器件；只处理通信，必须被一个外部微处理器所控制。只处理通信，必须被一个外部微处理器所控制。如：如：公司的公司的PDIUSBD11PDIUSBD11（D D）、）、NetChipNetChip公司的公司的NET2888NET2888，NSNS公司的公司的USBN9603/9604USBN9603/9604选用内部集成选用内部集成USB接口的单片机。接口的单片机。INTELINTEL的的8X9308X930系列，系列，CYPRESSCYPRESS公司的公司的EZ-USBEZ-USB，MOTOROLAMOTOROLA公司的公司的MC

21、68HC908JB8MC68HC908JB8系列等系列等 4.1 USB4.1 USB专用接口芯片专用接口芯片专用接口芯片专用接口芯片PDIUSBD12PDIUSBD12 特性：特性：p符合通用串行总线 USB 1.1 版规范 p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 p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 p完全自治的直接内存存取 DMA 操作 p集成 320 字节多结构 FIFO 存储器 p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 p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 p具有良好 E

22、MI 特性的总线供电能力 p在挂起时可控制 LazyClock 输出 p可通过软件控制与 USB 的连接 p采用 GoodLink 技术的连接指示器,在通讯时使 LED 闪烁 p可编程的时钟频率输出 p符合 ACPI OnNOW 和 USB 电源管理的要求 p内部上电复位和低电压复位电路 p有 SO28 和 TSSOP28 封装，工业级操作温度-40+85 p高于 8kV 的在片静电防护电路减少了额外元件的费用 p双电源操作 3.30.3V 或扩展的 5V 电源,范围为 3.65.5V p多中断模式实现批量和同步传输 PDIUSBD12PDIUSBD12的功能框图的功能框图的功能框图的功能框图

23、模拟收发器：可以直接与USB电缆相连电压调整器：3.3VPLL：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专用接口芯片专用接口芯片PDIUSBD12 DATA0-7DATA0-7：双向数据位；：双向数据位；ALEALE：地址锁存使能，下降沿关闭地址信息锁存。：地址锁存使能，下降沿关闭地址信息锁存。CSCS：片选，低电平有效：片选，低电平有效SUSPENDSUSPEND：器件处于挂起状态：器件处于挂起状态

24、CLKOUTCLKOUT：可编程时钟输出：可编程时钟输出INTINT：中断，低电平有效：中断，低电平有效RDRD：读选通，低电平有效：读选通，低电平有效WRWR：写选通，低电平有效：写选通，低电平有效DMAREQDMAREQ：DMADMA请求请求DMACKDMACK：DMADMA应答，低电平有效应答，低电平有效EOTEOT：DMADMA传输结束，低电平有效，传输结束，低电平有效，RESETRESET：复位，低电平有效且不同步，片内上电复：复位，低电平有效且不同步，片内上电复位电路，管脚可固定接位电路，管脚可固定接VccVccGLGL：GoodLink LEDGoodLink LED指示器，低电

25、平有效指示器，低电平有效XTAL1XTAL1，XTAL2XTAL2：晶振连接端，如果采用外部时钟信：晶振连接端，如果采用外部时钟信号取代晶振，可连接号取代晶振，可连接XATL1XATL1，XATL2XATL2应悬空。应悬空。D+D+、D-D-：USBUSB的数据线。的数据线。VOUT3.3VOUT3.3：3.3V3.3V调整输出，要使器件工作在调整输出，要使器件工作在3.3V3.3V，对对VDDVDD和和Vout3.3Vout3.3脚提供脚提供3.3V3.3V。A0A0：地址位。：地址位。=0=0选择命令指令，选择命令指令，=1=1，选择数据，选择数据 PDIUSBD12与微控制器的接口与微控

26、制器的接口 广泛应用于测控技术、数据采集、信号处理。PCUSB控制控制芯片芯片MCU控制控制单元单元A/D采集采集USB数据采集系统硬件框图并行接口时序（并行接口时序（I/O和和DMA）PDIUSBD12与微控制器的接口电路与微控制器的接口电路4.2 内部集成内部集成USB接口的单片机接口的单片机（CY7C68013A）CypressCypress公司的公司的公司的公司的EZ-USBEZ-USB系列单片机带有智能系列单片机带有智能系列单片机带有智能系列单片机带有智能USBUSB接口。接口。接口。接口。EZ-EZ-USBUSB分为三个系列：分为三个系列：分为三个系列：分为三个系列：EZ-USB

27、2100EZ-USB 2100、EZ-USB FX2EZ-USB FX2、EZ-USB EZ-USB FX3FX3。EZ-USB FX2EZ-USB FX2系列芯片是世界上第一款集成系列芯片是世界上第一款集成系列芯片是世界上第一款集成系列芯片是世界上第一款集成USB2.0USB2.0协议协议协议协议的微处理器，支持的微处理器，支持的微处理器，支持的微处理器，支持12Mb/s12Mb/s的全速传输和的全速传输和的全速传输和的全速传输和480Mb/s480Mb/s的高速传输，的高速传输，的高速传输，的高速传输，可以使用可以使用可以使用可以使用4 4种传输模式。其串行接口引擎负责完成串行数据的编种传

28、输模式。其串行接口引擎负责完成串行数据的编种传输模式。其串行接口引擎负责完成串行数据的编种传输模式。其串行接口引擎负责完成串行数据的编解码、差错控制、位填充等与解码、差错控制、位填充等与解码、差错控制、位填充等与解码、差错控制、位填充等与USBUSB协议有关的功能。协议有关的功能。协议有关的功能。协议有关的功能。EZ-USB的特点的特点改进的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（串行接口引擎）、等USB内核软配置易用的软件开发工具。设备软件、驱动程序的开发相互独立EZ-USB微处理器的两大功能微处理器的两大功能1、实现USB协议，使USB设计变得简单；、实现8051的功能。芯片芯片CY7C68013ACY7C68013A的内部框架图的内部框架图 USB通信接口设计通信接口设计1）、）、USB总线接口电路总线接口电路2）、晶振模块）、晶振模块 24M无源晶振 3）、复位电路）、复位电路4）、电源电路）、电源电路 LP2987-3.3V5）、程序存储电路）、程序存储电路由于68013A内部只有ROM，程序下电后会丢失，通过USB芯片的I2C总线连接EEPROM 24LC64来进行程序存储。典型应用典型应用USB读数接口读数接口谢谢！谢谢！