嵌入USB控制器的51系列单片机EZ-USB

　　主要介绍嵌入USB控制核的51系列单片机EZ-USB的特性及传输与控制机理。该内核可帮助USB外设开发者完成USB协议中规定的80%~90%的通信工作,是USB外设研制者的理想选择。

　　文中还对使用不同的USB芯片组成的应用系统作了比较

　　1 概述

　　随着PC的广泛应用,其外设也越来越多,打印机、鼠标、扫描仪、游戏杆、音箱……,每个外设都需要通过一个接口与PC相连。外设多了,PC的I/O插口自然也就不够用了。在很多特定的应用场合,如工业数据采集等领域,常常用采集板卡来完成工作,而每一个板卡自然会占用一个PC插槽。PC插槽有限。采集点多了就不够用。除此之外,在个人电脑的应用中,外围设备存在很多问题。这些问题大致可以归结到成本、配置以及个人电脑的连接等几个方面,而USB正是为了解决这些问题而出现的一种方案。简而言之,USB的出现不仅解决了I/O插口不够的问题,而且还建立了一条连接和访问外设的方法。这些方法可以有效地减少总体成本,而且从终端用户的角度来看,可以增加可连接的外设数目,简化设备的连接和配置。

　　通用串行总线USB是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种外设之间的串行总线。其拓扑结构如图1所示。

　　图1 USB的层次拓扑图

　　USB的特性有：

　　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。

　　热插拔。设备连接后由USB自动检测,并由软件自动配置,完成后可立即使用,无须用户干涉。

　　单一的连接器类型。USB定义了一种简单的连接器,可以用来连接任何一个USB设备。多个连接器可以通过USB集线器连接。

　　每个USB总线支持127个设备的连接。

　　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)。

　　外设能够直接由USB总线进行供电。

　　不需要系统资源(如内存、I/O地址空间和中断请求线路)。

　　USB事务处理包括错误检测机制,它们用以确保数据无错误发送。

　　电源保护。如果连续3 ms没有总线活动,USB将自动进入挂起状态。

　　支持四种类型的传输方式：块传输、控制传输、中断传输和同步传输。

　　2 通用USB控制系统的组成结构

　　在每一个USB设备中都有一个串行接口引擎(SIE)。SIE与USB数据线的D+和D-两个引脚相连,与USB设备进行字节传送。图2表示一次USB块传输,时间顺序从左到右。SIE对PID信息包进行解码,并通过传送的CRC位对数据进行错误检测,然后,将有效数据送到USB设备。如果SIE检测到一个出错的数据,它并不是发出一个握手信号,而是自动地不进行响应,并告诉主机延时重发。

　　图2 SIE的功能

　　由于USB被设计成可以用简便有效的方法来与多种类型的外设通信,没有现有接口的局限性和缺点,这样,导致了对USB接口的设计和编程更加复杂。为了降低设计者的开发难度,使用专用的USB控制器已成为研制人员的首选方案。

　　USB协议的复杂性意味着USB外设必须具备智能。USB控制器必须知道如何检测并对USB端口的事件做出反应。一般的做法是：USB控制器只处理USB通信,由一个外部的微控制器(MCU)来管理USB控制器的寄存器、设备描述符的获取和数据包的交换等,如图3所示。

　　图3 通用USB设备的组成结构

　　表1所示为可与一般微控制器连接的USB控制器。

　　表1可与一般微控制器连接的USB控制器

　　USB控制器使用串行口或并行口与MCU连接。这样,外部接口可能比USB最大速度要慢,使得芯片只适合传送间歇数据。这样设计的好处是系统组成灵活,可根据不同的系统需求,搭配不同的MCU,使其具有很高的性能价格比;但同时也加大了编程设计人员的开发难度,延长了产品的开发周期。

　　另一种可行的方法是使用嵌入MCU的USB控制器。这样,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。从而简化了程序的设计,并且许多供应商还提供许多范例电路和测试代码,使设计者从复杂的协议解释中得到解脱。现在,许多芯片制造商开始生产一些基于通用MCU的USB控制器,采用研制人员所熟知的指令集,大大简化了编程的难度。如基于8051结构的USB控制器有：Intel公司的8X930A、8X931A;CYPRESS公司的EZ-USB等。此外,还有基于MITSUBISHI 740/7600/M16C的USB芯片;基于MOTORORA HC05系列的USB芯片等。受篇幅所限,本文仅介绍EZ-USB 2100系列单片机。

　　3 EZ-USB组成结构及特性

　　美国CYPRESS公司是一家从事USB接口芯片和USB单片机开发和生产的公司。CYPRESS最新推出的带智能USB接口的单片机EZ-USB,极大地降低了USB外设的开发难度,为PC外设的制造商提供了一个性能优良、价格较低的设计方案。

　　EZ-USB有多个系列的产品,根据不同的速率需求,可满足不同的系统要求和价格。CYPRESS提供三个系列的EZ-USB芯片,如表2和表3所列。

　　表2 CYPRESS的EZ-USB系列产品

　　表3 EZ-USB2100系列产品

　　3.1 EZ-USB芯片组成结构

　　EZ-USB芯片将USB接口的控制核整合到单片机集成电路中,如图4所示。集成的USB收发模块与USB 总线的D+和D-引脚相连。SIE进行串行数据译码和错误更正,以及其他USB所要求的信号级操作等,最后,再与USB收发模块接口进行数据字节的传输。

　　图4 EZ-USB的组成框图

　　内部的微处理器在标准8051上缩短了执行时间并增加了新的特性。它用内部SRAM存储程序和数据,使EZ-USB 系统具有软配置的特性。USB主机经USB总线将8051的程序代码和描述符装入SRAM中,然后,EZ-USB芯片用已下装程序中定义的外设特性进行重新连接,这个过程也叫再枚举。

　　EZ-USB系列使用了强大的SIE/USB接口(称为USB内核)。这个具有强大功能的内核可以自动完成USB协议的转换,简化8051的代码。

　　EZ-USB 芯片在3.3 V电压下就可以运行,简化了USB设备总线电压的设计。

　　3.2 EZ-USB特性

　　① 改进的8051内核。性能可达到标准8051的5~10倍,与标准8051的指令完全兼容。

　　② 高度集成。传统USB外设的硬件设计通常包括非易失性存储器(如EPROM、EEPROM、FLASH ROM)、微处理器、RAM、SIE(串行接口引擎)和DMA等。EZ-USB将上述多个模块集成在一个芯片中,从而减少了各芯片接口部分时序配合时的麻烦。

　　③ USB 内核。EZ-USB可以代替USB外设开发者完成USB协议中规定的80 %~90 %的通信工作,使得开发者不需要深入了解USB的低级协议即可顺利地开发出所需要的USB外设。EZ-USB系列芯片接收全部USB 的吞吐量。这种采用EZ-USB的设计,不受端点数目、缓冲区大小及传输速度的限制。

　　④ 软配置。外设未通过USB接口连接到PC机之前,外设上的固件存储在PC上;一旦外设接到PC机上,PC先询问该外设是"谁"(即读设备描述符),然后,将该外设的固件下载到EZ-USB的RAM中并执行,这个过程叫作再枚举。这个特性给USB外设开发者带来许多方便。如开发过程中,当固件需要修改时,可以在PC机上修改好以后,下载到EZ-USB,从而省去了编程芯片的麻烦。这种基于RAM的软配置方法,可以允许无限的配置和升级。

　　⑤ 易用的软件开发工具。固件可独立于驱动程序被测试。驱动程序和固件的开发与调试相互独立,可加快开发的速度。

　　4 EZ-USB微处理器

　　EZ-USB微处理器是一个改进的8051内核,使用标准8051指令系统,其指令执行速度比标准8051快,原因有两点：

　　① 空闲( wasted)的总线周期被消去。一个总线周期仅包含4个时钟周期,而标准8051则为12个时钟周期。

　　② 8051的运行速度为24 MHz。

　　除了速度的提高,改进的8051内核还有以下几处结构上的改进：

　　① 第二个数据指针,可用于存储器块之间的传输;

　　② 第二个UART;

　　③ 第三个16位计数器/定时器(TIMER2);

　　④ 与非多路复用16位地址总线的高速存储器直接接口;

　　⑤ 增加了7个中断源(INT2~INT5、PFI、T2和UART1);

　　⑥ 可变的MOVX执行时间可适应高/低速的RAM外设;

　　⑦ 256字节的内部寄存器RAM,8K字节的程序/数据复合SRAM;

　　⑧ 3.3 V工作电压。

　　EZ-USB 集成芯片在8051的基础上又有其他改进：

　　① 快速外部数据块传输(指针自动增量,快速传输模式);

　　② USB中断向量;

　　③ CONTROL传输的SETUP和DATA部分有各自的缓冲器。