分析研究典型USB控制器芯片性能

引言

为了方便PC与外设的连接，以Intel公司为首的7家公司于1994年11月推出了一种即插即用的USB通用串行总线协议规范。但由于USB是以主机为中心的分层的星状总线拓扑结构，软件比较复杂，对功率要求也比较高，所以在推出后的一段时期内，USB在基于PC的系统中得到了广泛应用，而在嵌入式系统中应用不多。但是，在2000年发表的USB 2.0规范将USB接口的速度从12 Mbps提高到480 Mbps;2001年又发表了USB OTG补充规范，使外部设备可以摆脱PC机，实现在任何两台设备之间直接通信。经过这两次升级，随着有越来越多的带USB接口的廉价外设可供使用，有越来越多的嵌入式系统工程师想把USB接口技术应用到嵌入式系统的设计中。这种需求也促进了USB控制器芯片的研发，给开发者提供了越来越多的选择。仅在最近两年内，就有多种新型的USB控制器芯片推出。然而这又给选择带来了困难，不同的USB控制器芯片有不同的性能和特点，以下对一些典型的USB控制器芯片进行分析和比较，供选择时决策参考。

几款典型USB控制器芯片性能分析

从芯片大的构架来分，市面上所有的USB控制器芯片可以分为不需要外接微处理器的芯片和需要外接微处理器的芯片。不需要外接微处理器的芯片又可以分为USB接口专用芯片和嵌入通用微控制器内核的芯片。

USB接口专用芯片内部采用专用的微控制器，具有特定的指令集，如Cypress的USB M8系列和enCoRe USB系列的芯片。其所能实现的功能有限，但是因为指令集是专门为USB应用优化的指令集，所以实现USB通信工作非常方便。

内嵌通用微控制器的USB控制芯片，一般是在通用微控制器的基础上扩展了USB功能，其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构和指令集，相关资料丰富，易于进行开发。如Cypress基于8051的EZ-USB系列，Microchip基于PIC的16C7x5，Motorola基于68HC08的68HC08JB8，Atmel基于AVR的AT76C711等USB控制芯片。

需要外接微控制器的芯片，只处理与USB相关的通信工作，而且必须由外部微控制器对其控制才能正常工作，所以这些芯片必须提供一个串行或并行的数据总线与微控制器进行连接。此外，还需要一个中断引脚，当数据收到或发送完，这个中断引脚会向微控制器发出中断请求信号。其优点是芯片价格便宜，而且便于用户使用自己熟悉的微控制器进行开发。

总之，USB芯片是一种集成了USB协议的微处理器，它能自动对各种USB事件做出响应，以处理USB总线上的数据传输。USB芯片按功能可以分为USB主控制器芯片、USB集线器芯片和USB功能设备芯片。

在对USB控制器芯片性能进行分析时，主要研究数据传输速度、功耗、电源、程序/数据存储器容量、封装及USB规范等通用的技术指标。另外，针对不同的功能类型，还会有不同的要求。下面将对最新有代表性的USB控制芯片进行分析比较。

1. USB主控制器芯片

USB主控制器芯片负责实现主机和USB设备间的物理数据传输，它是构成USB主机不可或缺的核心部件。随着嵌入式技术的飞速发展，USB主机的嵌入式化是大势所趋。在USB 2.0规范中也增加了On-The-Go(OTG)补充规范，它使得不同外设在无主机参与的情况下可直接互连通信。另外，虽然有的芯片是主机/设备控制器芯片，但是一般只将其作为主机控制器芯片使用，如SL811HS。所以，本部分讨论的芯片包括USB主机芯片、OTG USB芯片和USB主机/设备芯片，不进行特别的区分。

我们选取TDI公司的TD242LP芯片、Philips公司的ISP1761和Cypress公司的CY7C67200进行比较分析。这三款芯片都是USB OTG 主机/设备控制器。表1是典型USB主控制器芯片特性的比较。

2.USB集线器芯片

USB集线器芯片负责将一个USB上行端口转化为多个下行端口，它是构成USB集线器不可或缺的核心部件。它所需要关心的性能指标与USB主机的要求不完全相同，它所支持的下行端口的数目是一个很重要的指标。

我们选取Cypress公司的CY7C66113、Alcor Micro公司的AU9254 A21和Philips公司的ISP1251进行比较分析。典型USB集线器芯片的特性如表2所示。

3.USB功能设备芯片

USB功能设备芯片负责实现功能设备和USB主机间的物理数据传输，它是构成USB功能设备的必需部件。通常这些USB芯片都含有多个驱动外围电路的I/O口，以实现USB设备的特殊功能。在这里，我们只考虑单一功能的USB设备芯片，不考虑ORG-USB和主机/设备USB芯片。

我们选取Cypress公司的CY7C68013a、NetChip公司的Net2280和Philips公司的ISP1583进行比较分析。典型USB功能设备芯片特性如表3所示。

以上三种芯片的I/O接口各有自己的特点，但是都满足USB的高速和全速传输的速率要求及传输类型的需要，可以根据不同工程要求，选择合适的芯片。

通过对上述按功能划分的三大类USB芯片的同一类型芯片之间特性的比较分析和掌握相关的研究方法，我们就可以根据实际开发项目的要求及设计的重点选择合适的USB控制器芯片。

选择USB芯片的其他相关因素

在进行USB项目开发时，除了需要针对不同功能的应用，对相应类型的不同的USB芯片的特性进行比较分析以选择合适的USB芯片之外，还有许多因素值得我们考虑。为了更好更快地完成项目的开发，一般情况下还必须遵循以下准则：

1. 需要熟悉芯片的硬件体系结构和相关的固件编程语言，以及详尽的硬件文档;

2. 要有良好的USB芯片的开发工具包，便于进行固件下载和调试的开发系统;

3. 要有可以提供芯片固件的范例代码、典型的USB设备驱动程序和界面应用程序等，开发人员只需在其基础上稍加修改即可使用;

4. 关于USB芯片的价格，应尽量选择性价比最高的芯片。对于批量生产的USB设备，可以选择提供OTP(一次性编程)版本的USB芯片。

总之，正确的选择是成功的开始，可以节省大量的时间和金钱。

USB技术的新发展

USB总线系统是一种新兴的标准，虽然具有很多的优点，但是也具有不少的局限性。为了扩大USB的应用范围，很多公司在USB规范的基础上添加了新的功能，使得USB的应用更加广泛。

根据USB规范，USB总线可为每个连接的外设提供+5V/500mA的电源，对于很多小功率的外设已能满足要求，但是当外设需要超过500mA电流时，就需要外接电源。这不符合“即插即用”的思想。所以出现了解决这一问题的PoweredUSB技术。