发展回顾

　　Intel为推行USB,专门成立有USB-IF（Implementers Forum）,共有7家成员企业。日本NEC是其中之一,从USB规格策化到开发一直参与其中,而且积极推进USB用LSI芯片产品化。USB-IF最先发表USB1.0版本,随后改进为USB1.1版本。由于在Microsoft公司的Windows95里,USB并不OS的标准支持项目,所以当时USB在PC机里并未获得广泛应用,主要用于人机接口设备,例如以USB连接鼠标器和键盘。但是,自从1998年Microsoft公司发表Windows98以后,USB相关的驱动程序都已变成OS的标准,利用USB连接外围设备开始为广大用户认同。随之而来的问题是用户对于USB1.1规定的低速LS（Low Speed）和全速FS（Full Speed）数据传送速度不满,于是,USB2.0应运而生,数据传送出现高速（High Speed,480Mbps）模式,从而也更加速了USB2.0的应用普及。

USB2.0概要

　　USB2.0是PC机和外围设备之间的接口规格USB1.1的向上兼容规格,具备如下新特点?lt;1> 在USB1.1规格的基础上,数据传送速度激增,例如,有LS模式（1.5Mbps）、FS模式（12Mbps）和HS模式（480Mbps）,可供选择使用;<2> USB2.0仍然使用USB1.1规格的4芯电缆/接插连接器（差动数据传送线和+5V/500mA电源线,共计4线）,简化连接;<3> 在USB2.0主机（Host）/集线器（Hub）里,USB2.0集线器（Hub）/功能部件（Function）和以往的USB1.1集线器/功能部件,都可以混合在一起使用。而且,USB1.1的固有特点在USB2.0里都保存继承下来,包括：<1> 由于采用主机为指导的事务处理控制,为此USB功能部件结构简单而且成本低廉;<2> 提供大容量、中断、控制和等时共4种数据传送模式,结合具体应用可自由选择;<3> 接入总线的设备可以实现带电插拔（Hot plug）,总线系统可自动识别,实现即插即用（plug & play）。

　　由于这些特点,对以往的USB1.1产品性能提高作出贡献,同时,USB2.0的出现使高质量视频,大容量存储设备以及高速网络等新应用成为可能。下面以NEC的芯片产品为例,介绍USB2.0用的主要LSI电路及其应用。

主机控制器用LSI（μPD720100）

　　主机控制器用LSI（μPD720100）是以增强型主机控制器接口EHCI（Enhanced Host Controller Interface）为基准的USB2.0用功能电路,它在USB总线和主机接口PCI总线之间发挥桥接作用。
　　1. μPD720100电路特点

　　<1>在该功能电路内设置1个处理USB2.0用的EHCI机芯,另外还内置2个用于处理USB1.1用的OHCI（Open Host Controller Interface）机芯;<2>内置有5个USB端口,根据基本输入输出系统BIOS,可以设定逻辑端口;<3>具备作为以主机接口的PCI2.2规格为基准的32位33MHz PCI总线,也支持PCI电力管理规格（Release）;<4>需要3.3V/5V电源,5V电源专供PCI接口用;<5>作为系统时钟,30/48MHz可任意选用;<6>该电路采用160脚LQFP/176脚FPBGA封装,均有现货。

　　2. 电路结构

　　USB2.0用主机控制器（μPD720100）的电路内部结构包括：设置有PCI接口、仲裁、路由集线器、物理层部件、开放主机控制器接口OHCI和增强型主机控制器接口EHCI等部件,相互间联系的详细情况如图1所示。其中,<1> PCI IF部件--把3个主机控制器（包括EHCI和2个OHCI）作为多功能器件处理,把它同PC机的PCI总线进行连接;<2> 仲裁部件--对3个主机控制器各自的主控读/写（Master Read/Write）操作进行仲裁;<3> 路由集线器--对每个端口的HS-Classic-HC切换进行控制;<4> 物理层部件--它包括很多细微的电路,诸如支持USB2.0电气规格的5个端口USB接收/发送驱动器,产生各种逻辑的锁相环PLL,由480MHz差动数据信号中分离出时钟脉冲信号的CDR和在物理层内使用的如像产生恒定电流/电压的模拟电路;<5> OHCI机芯--μPD720100芯片内置有2个以开放主机控制器接口OHCI为基准的机芯电路;<6> EHCI机芯--该部分是用于处理USB2.0的机芯电路。

集线器（Hub）用LSI（μPD720110）

　　μPD720110是以USB2.0为基准的集线器用LSI电路。它像以往的USB1.1集线器一样,具备上游端口（Upstream Port）和下游端口（Downstream Port）之间按同一数据传送速度进行信息包中继转发（Packet Repeater）功能;此外,它还备有事务处理翻译器TT（Transaction Translator）,可把由上游端口发送过来的高速HS（High Speed）事务处理转换成下游端口的全速FS/低速LS事务处理。

　　1. 电路特点
USB2.0集线器μPD720110电路具有如下诸多特点：<1> 内置有上游端口和下游端口,支持全部所有传送速度的数据传送,如像高速HS、全速FS和低速LS的数据传送;<2> 采用3.3V电源供电;<3> 每个端口都有发光二极管LED控制;<4> 时钟频率33MHz;<5> 采用100引脚PQFP封装。

　　2. 电路结构

　　USB2.0集线器μPD720110是由多个功能电路构成的,详细情况如图2所示。其中,<1> 事务处理翻译器--它能把端口传送过来的高速HS事务处理数据转换成下游端口所需要的FS/LS事务处理数据;值得注意的是USB1.1规格的外围设备经由安装有TT的集线器接入USB2.0总线系统,并不会影响USB2.0总线系统的吞吐能力。<2> 集线中继转发器--对HS/FS/LS传送的信息进行中继转发;<3> HS中继转发器（HS Repeater）装备有和USB2.0主机控制器同等的CDR/Elastic Buffer(伸缩缓存)。<4> 下游端口（Down Stream Port）--它包含有对4个下游端口进行收发信息用的USB接收/发送器（Transceiver）。<5> 上游端口--它包含有对上游端口（Up Stream Port）进行信息收发用USB接收/发送器。<6> 集线器状态部件（Hub State Machine）--它包含有上游/下游端口的主机控制部件/帧定时器等各种状态部件。<7> 集线控制器（Hub Controller）--它包含有处理缺省的终点"0"（End Point"0"）和状态变化的终点"1"（End Point"1"）的部件。

USB2.0功能用物理层LSI

　　μPD720120是USB2.0功能物理层LSI电路。若想把外围设备接入USB2.0总线系统,则只要把设备里附加μPD720120电路即可接入系统。

电路特点
在μPD720120电路里,具备如下特点：<1> 具备实现USB2.0总线系统实用化所必要的高速/模拟电路;<2> 装备有USB2.0的处理事务处理器/信息包编码/译码器所用的全部逻辑电路;<3> 用户逻辑接口是16位/30MHz。

　　电路结构

　　USB2.0功能用物理层LSI电路结构相对简单,可使外围设备接入USB2.0总线系统非常容易和成本低廉。该LSI电路包括以下7个部件：<1> USB I/O部件--以USB2.0为基准的USB接收/发送器;<2> 模拟电路部件--锁相环PLL和生成在USB接收/发送器里使用的基准电压/电流;<3> 锁相环PLL--它用以生成在各部分里使用的480/240/120/60/30 MHz时钟脉冲;30/60 MHz时钟由芯片外部供给;<4> CDR--用于从480MHz的差动数据信号中抽出时钟信号;<5> SERDES--用于信息包处理。例如,在发送信息过程中,向信息包上附加上包起始位SOP（Start of Packet）和包终止位EOP（End of Packet）;在接收信息过程中,用于脱掉SOP和EOP。<6> SIE--执行包括CRC（Cyclic Redundancy Check）在内的事务处理任务。<7> 端口逻辑-- 一面执行复位/中止/恢复（Reset）/线性调频脉冲（Chirp）检测,输出Reset/chirp,一面对SIE工作模式（HS/FS）或USB接收/发送操作进行控制。

USB2.0用LSI的应用

　　自从2000年4月USB-IF公布USB2.0以来,日本NEC公司立刻响应,首先在世界推出USB2.0主机控制器,同年6月又推出USB2.0集线器芯片（Hub Controller）,同年11月获得USB-IF最先认定许可。现在,NEC的USB2.0用LSI系列电路在市场上已广为流通,并且Ratoc System公司利用USB2.0主机控制器(μPD720100)制造出USB2.0 PC卡（REX-CBU2）新产品投放市场。

　　USB2.0 PC Card的出现,为广大PC机用户利用USB2.0总线连接多种外围设备提供方便。PC机用户只要购置USB2.0 PC卡,插入PC机内的卡插槽中,便拥有USB2.0总线系统;凡是安装有USB2.0功能控制器（USB2.0功能用物理层LSI）μPD720120芯片的外围设备（扫描仪、打印机和数码相机等）,通过规定的USB用4芯电缆连接便能接入USB2.0总线系统。如若你的PC机需要连接更多的外围设备,则在PC机的USB2.0主机控制器处下接USB2.0集线控制器芯片μPD720110,便可扩充连接外围设备用的USB端口,可供连接更多外围设备。

　　USB2.0 Host Controller和USB2.0 Hub Controller之间可以形成高达480Mbps的高速总线,而USB2.0 Hub Controller和USB1.1外围设备之间可形成12Mbps的总线。例如,通过USB2.0 Hub Controller组合可具备40个端口,每一端口都能连接1台USB1.1规格的外围设备;也就是说,这时PC机USB2.0总线系统,通过USB2.0 Hub可形成40个12Mbps的总线。

　　如今USB2.0用LSI系列（μPD720100/110/120）已大量上市,可为包括多功能PDA和掌上电脑用户在内的广大用户,提供简单方便的连接多种外围设备的新方法并开拓新应用