一、 USB总线简介

通用串行总线USB（Universal Serial Bus）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通信的串行总线。目前，带USB接口的设备越来越多，如鼠标、键盘、数码相机、调制解调器、扫描仪、摄像机、电视及视频抓取盒、音箱等。

USB总线最多可支持127个USB外设连接到计算机系统。USB的拓扑是树形结构，有1个USB根集线器（root hub），下面还可有若干集线器。1个集线器下面可接若干USB接口。USB线缆包括4条线：Vbus(USB电源)、D+（数据）、D-（数据）和 Gnd(USB地)。线缆最大长度不超过5m。USB1.1的传输速率最高为12Mb/s（低速外设的标准速率为1.5Mb/s，高速外设的标准速率为 12Mb/s）。图1是典型的USB功能器件结构框图，图2是高速外设的USB线缆与电阻的连接图。图2中：FS为全速（高速）；LS为低速；R1=15kΩ，R2=15kΩ。USB外设可以采用计算机里的电源（+5V，500mA），也可外接USB电源。在所有的USB信道之间动态地分配带宽是USB总线的特征之一，这大大地提高了USB带宽的利用率。当一台USB外设长时间（3ms以上）不使用时，就处于挂起状态，这时只消耗 0.5mA电流。按USB1.0/1.1标准，USB的标准脉冲时钟频率为12MHz，而其总线时脉冲时钟为1ms（1kHz），即每隔1ms，USB器件应为USB线缆产生1个时钟脉冲序列。这个脉冲系列称为帧开始数据包（SOF）。高速外设长度为每帧12000bit(位)，而低速外设长度只有每帧 1500bit。1个USB数据包可包含0~1023字节数据。每个数据包的传送都以1个同步字段开始。

二、USB 20特性

2000年生产的PC主机几乎都有了USB插口，最新的PC机还有USB集线器（Hub）和4~6个USB插口。USB集线器的结构如图3所示。但这些还是不能满足对高速外设的要求。最近推出了USB2.0标准，其速度比USB1.0/1.1快40倍，达480Mb/s。使USB推广到硬盘、电缆调制解调器、信息家电网络产品和其他的快速外设成为可能。一些公司已开发出支持USB2.0的产品，其中，Cypress半导体公司是USB控制器的带头者。该公司已开发出了称为EZ|USB FX2的单芯片USB2.0。

1 设计USB2.0系统的两种方法

（1） 多芯片方法

多芯片和ASIC（专用集成电路）方法：使用多芯片方法需要购买USB2.0收发器和串行接口引擎（SIE），并把收发器（作为一种外设）与单片机相连接。这时，单片机要处理许多USB协议。自然，用建有芯片系统的ASIC并在它上面集成有全部必需的部件，这样能获得更高的集成度，但是，这样需要面对应用和如何使用USB2.0两方面的工作。这意味着设计者需要做更大的努力，并且产品上市时间长。此方法的好处是最终部件的价格低，因此对大批量生产是有价值的。

（2） 单芯片方法

EZ-USB FX2的单芯片内有USB2.0物理层（PHY）电路和基于该公司的EZ|USB FX结构的8051单片机。用单片EZ|USB FX2开发USB2.0外设具有一定的优势，因此最好是用单芯片方法。这就是为什么Cypress半导体公司生产EZ|USB FX2（以下简写FX2）单芯片的原因。

Cypress公司指出，当运行在480Mb/s时，数字和模拟之间的接口会有更多的细致差别。例如，噪声热容限会更小。USB2.0的电压摆幅比USB1.1更小。例如，要建立1个100K（10万）门的IC，小的物理层（PHY）将会存在更大的挑战。那样做不是不可能，但肯定会影响上市时间。第1个ASIC必须分两步走，这影响上市时间。

另外，USB2.0需要在USB1.1“全速度”（“full speed”）速率基础上完成。换句话说，USB2.0收发器和SIE（串行接口引擎）要做全速和高速率设计。这意味着设计时必须使USB1.1和USB2.0兼容。

2 良好的调整有助于产品的快速上市和性能提高

Cypress相信它的单芯片方法给公司提供了1个USB2.0结构的可能性。这是考虑了既要获得所需的高性能I/O（输入/输出），又要保持480Mb/s的USB2.0高速率。

此外，该公司看到了USB1.1多芯片方法中存在的引脚数问题:USB1.1的数据宽度是8位，而现在USB2.0的宽度至少是32位。这需要大的封装，如 100和128引脚四方扁平封装。按该公司的方法，这正好适合作为SIE（串行接口引擎）和PHY（物理层）用，但并不包括单片机。因此，封装的费用就占了总价格的相当部分，则总系统的价格就更高。公司有3种芯片版本，最小的是56引脚的缩小外形输出封装（SSOP）。引脚数少是因为宽的数据引线都在芯片内部，封装的引脚是作为外部接口用。

总之，单芯片方法的优势可体现在性能、灵活性和价格方面。如上所述，宽数据总线在芯片内，实际上能调整结构以适应高速度。

FX2部件的特点之一是采用低价的8051单片机，仍然能获得很高的速度。至于灵活性，则体现在USB2.0的可编程接口能为特定的应用接口编程。 FX2的特点是内有8位8051单片机内核，它可工作在12，24或48MHz，这取决于应用对象。图4所示为FX2方框图，它展示了芯片的集成特性。此单片机之所以得到广泛的应用，是因为它能适应各种功耗和应用的要求，并能保持USB2.0高速度的特点。此外，USB的端点（endpoint）数据缓冲器以及从属FIFO（先入先出寄存器），现在都与经典的FIFO一样。该缓冲器可与Cypress智能USB2.0 SIE（串行接口引擎）相连接。如图4所示：数据进入收发器后，通过SIE直接转向FIFO，然后，通过8或16位数据路径，可与外部连接，存取数据。注意，这时在数据路径上没有单片机。