典型USB控制器芯片性能分析研究

引言

為了方便PC與外設(shè)的連接，以Intel公司為首的7家公司于1994年11月推出了一種即插即用的USB通用串行總線協(xié)議規(guī)范。但由于USB是以主機(jī)為中心的分層的星狀總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，軟件比較復(fù)雜，對(duì)功率要求也比較高，所以在推出后的一段時(shí)期內(nèi)，USB在基于PC的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，而在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用不多。但是，在2000年發(fā)表的USB2.0規(guī)范將USB接口的速度從12Mbps提高到480Mbps；2001年又發(fā)表了USBOTG補(bǔ)充規(guī)范，使外部設(shè)備可以擺脫P(yáng)C機(jī)，實(shí)現(xiàn)在任何兩臺(tái)設(shè)備之間直接通信。經(jīng)過這兩次升級(jí)，隨著有越來越多的帶USB接口的廉價(jià)外設(shè)可供使用，有越來越多的嵌入式系統(tǒng)工程師想把USB接口技術(shù)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。這種需求也促進(jìn)了USB控制器芯片的研發(fā)，給開發(fā)者提供了越來越多的選擇。僅在最近兩年內(nèi)，就有多種新型的USB控制器芯片推出。然而這又給選擇帶來了困難，不同的USB控制器芯片有不同的性能和特點(diǎn)，以下對(duì)一些典型的USB控制器芯片進(jìn)行分析和比較，供選擇時(shí)決策參考。

幾款典型USB控制器芯片性能分析

從芯片大的構(gòu)架來分，市面上所有的USB控制器芯片可以分為不需要外接微處理器的芯片和需要外接微處理器的芯片。不需要外接微處理器的芯片又可以分為USB接口專用芯片和嵌入通用微控制器內(nèi)核的芯片。

USB接口專用芯片內(nèi)部采用專用的微控制器，具有特定的指令集，如Cypress的USBM8系列和enCoReUSB系列的芯片。其所能實(shí)現(xiàn)的功能有限，但是因?yàn)橹噶罴菍ｉT為USB應(yīng)用優(yōu)化的指令集，所以實(shí)現(xiàn)USB通信工作非常方便。

內(nèi)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礎(chǔ)上擴(kuò)展了USB功能，其優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)者熟悉這些通用微控制器的結(jié)構(gòu)和指令集，相關(guān)資料豐富，易于進(jìn)行開發(fā)。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，只處理與USB相關(guān)的通信工作，而且必須由外部微控制器對(duì)其控制才能正常工作，所以這些芯片必須提供一個(gè)串行或并行的數(shù)據(jù)總線與微控制器進(jìn)行連接。此外，還需要一個(gè)中斷引腳，當(dāng)數(shù)據(jù)收到或發(fā)送完，這個(gè)中斷引腳會(huì)向微控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是芯片價(jià)格便宜，而且便于用戶使用自己熟悉的微控制器進(jìn)行開發(fā)。

總之，USB芯片是一種集成了USB協(xié)議的微處理器，它能自動(dòng)對(duì)各種USB事件做出響應(yīng)，以處理USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸。USB芯片按功能可以分為USB主控制器芯片、USB集線器芯片和USB功能設(shè)備芯片。

在對(duì)USB控制器芯片性能進(jìn)行分析時(shí)，主要研究數(shù)據(jù)傳輸速度、功耗、電源、程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量、封裝及USB規(guī)范等通用的技術(shù)指標(biāo)。另外，針對(duì)不同的功能類型，還會(huì)有不同的要求。下面將對(duì)最新有代表性的USB控制芯片進(jìn)行分析比較。

1.USB主控制器芯片

USB主控制器芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)主機(jī)和USB設(shè)備間的物理數(shù)據(jù)傳輸，它是構(gòu)成USB主機(jī)不可或缺的核心部件。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，USB主機(jī)的嵌入式化是大勢(shì)所趨。在USB2.0規(guī)范中也增加了On-The-Go（OTG）補(bǔ)充規(guī)范，它使得不同外設(shè)在無主機(jī)參與的情況下可直接互連通信。另外，雖然有的芯片是主機(jī)/設(shè)備控制器芯片，但是一般只將其作為主機(jī)控制器芯片使用，如SL811HS。所以，本部分討論的芯片包括USB主機(jī)芯片、OTGUSB芯片和USB主機(jī)/設(shè)備芯片，不進(jìn)行特別的區(qū)分。

我們選取TDI公司的TD242LP芯片、Philips公司的ISP1761和Cypress公司的CY7C67200進(jìn)行比較分析。這三款芯片都是USBOTG主機(jī)/設(shè)備控制器。表1是典型USB主控制器芯片特性的比較。

2.USB集線器芯片

USB集線器芯片負(fù)責(zé)將一個(gè)USB上行端口轉(zhuǎn)化為多個(gè)下行端口，它是構(gòu)成USB集線器不可或缺的核心部件。它所需要關(guān)心的性能指標(biāo)與USB主機(jī)的要求不完全相同，它所支持的下行端口的數(shù)目是一個(gè)很重要的指標(biāo)。

我們選取Cypress公司的CY7C66113、AlcorMicro公司的AU9254A21和Philips公司的ISP1251進(jìn)行比較分析。典型USB集線器芯片的特性如表2所示。

3.USB功能設(shè)備芯片

USB功能設(shè)備芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)功能設(shè)備和USB主機(jī)間的物理數(shù)據(jù)傳輸，它是構(gòu)成USB功能設(shè)備的必需部件。通常這些USB芯片都含有多個(gè)驅(qū)動(dòng)外圍電路的I/O口，以實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的特殊功能。在這里，我們只考慮單一功能的USB設(shè)備芯片，不考慮ORG-USB和主機(jī)/設(shè)備USB芯片。

我們選取Cypress公司的CY7C68013a、NetChip公司的Net2280和Philips公司的ISP1583進(jìn)行比較分析。典型USB功能設(shè)備芯片特性如表3所示。

以上三種芯片的I/O接口各有自己的特點(diǎn)，但是都滿足USB的高速和全速傳輸?shù)乃俾室蠹皞鬏旑愋偷男枰?，可以根?jù)不同工程要求，選擇合適的芯片。

通過對(duì)上述按功能劃分的三大類USB芯片的同一類型芯片之間特性的比較分析和掌握相關(guān)的研究方法，我們就可以根據(jù)實(shí)際開發(fā)項(xiàng)目的要求及設(shè)計(jì)的重點(diǎn)選擇合適的USB控制器芯片。

選擇USB芯片的其他相關(guān)因素

在進(jìn)行USB項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，除了需要針對(duì)不同功能的應(yīng)用，對(duì)相應(yīng)類型的不同的USB芯片的特性進(jìn)行比較分析以選擇合適的USB芯片之外，還有許多因素值得我們考慮。為了更好更快地完成項(xiàng)目的開發(fā)，一般情況下還必須遵循以下準(zhǔn)則：

1.需要熟悉芯片的硬件體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)的固件編程語言，以及詳盡的硬件文檔；

2.要有良好的USB芯片的開發(fā)工具包，便于進(jìn)行固件下載和調(diào)試的開發(fā)系統(tǒng)；

3.要有可以提供芯片固件的范例代碼、典型的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和界面應(yīng)用程序等，開發(fā)人員只需在其基礎(chǔ)上稍加修改即可使用；

4.關(guān)于USB芯片的價(jià)格，應(yīng)盡量選擇性價(jià)比最高的芯片。對(duì)于批量生產(chǎn)的USB設(shè)備，可以選擇提供OTP（一次性編程）版本的USB芯片。

總之，正確的選擇是成功的開始，可以節(jié)省大量的時(shí)間和金錢。

USB技術(shù)的新發(fā)展

USB總線系統(tǒng)是一種新興的標(biāo)準(zhǔn)，雖然具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是也具有不少的局限性。為了擴(kuò)大USB的應(yīng)用范圍，很多公司在USB規(guī)范的基礎(chǔ)上添加了新的功能，使得USB的應(yīng)用更加廣泛。

根據(jù)USB規(guī)范，USB總線可為每個(gè)連接的外設(shè)提供+5V/500mA的電源，對(duì)于很多小功率的外設(shè)已能滿足要求，但是當(dāng)外設(shè)需要超過500mA電流時(shí)，就需要外接電源。這不符合“即插即用”的思想。所以出現(xiàn)了解決這一問題的PoweredUSB技術(shù)。

USB規(guī)范規(guī)定了USB總線的連線長(zhǎng)度最大為5m，使用Hub來擴(kuò)展，也只能級(jí)聯(lián)5級(jí)，即最大為30m。這限制了USB在數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控等方面的應(yīng)用。Icron公司開發(fā)了ExtermeUSB技術(shù)，可以將連線距離擴(kuò)展到500～2000m。

這兩年，USB正在逐步進(jìn)入無線傳輸領(lǐng)域。2003年8月Cypress公司推出的WirelessUSB,實(shí)現(xiàn)了10m的通信距離，可在2.4GglobalISM頻率下工作。而在2004年2月以Intel公司為首的7家技術(shù)重量級(jí)公司發(fā)起組成了無線USB組織，旨在開發(fā)一種基于超寬帶技術(shù)（UWB）的無線USB協(xié)議。2004年6月1日，Agilent公司與Freescale公司共同推出業(yè)內(nèi)第一個(gè)為PC連接裝置而開發(fā)的通用串行總線（USB）無線光學(xué)鼠標(biāo)參考設(shè)計(jì)。無線USB正成為USB發(fā)展的一個(gè)新的熱點(diǎn)。

USB技術(shù)的發(fā)展正在朝著更廣泛的方向發(fā)展，各種新型的USB控制器芯片不斷推出，為了更好的掌握這一技術(shù)，需要我們不斷地進(jìn)行研究。