USB 2.0 高速主机适配卡的设计

USB 2.0 高速主机适配卡的设计

摘要：介绍一种新型的ＵＳＢ２．０高速主机适配卡的设计。通过主机ＰＣＩ总线接口，利用ＵＳＢ２．０主控制器，针对ＵＳＢ２．０高速数据传输带来的ＥＭＩ／ＥＳＤ问题，进行了全面的考虑和设计。ＵＳＢ２．０高速主机适配卡性能完善、功能齐全，并已经通过ＥＭＣ国际认证。

ＵＳＢ接口可提供双向、实时的数据传输，具有即插即用、性能可靠、价格低廉等优点，目前已成为计算机和通信电子产品连接外围设备的首选接口。由于高速ＵＳＢ集线器、高速ＵＳＢ功能部件的不断涌现，如数字图像器、扫描仪、视频会议摄像机、大容量数字存储设备等新型ＵＳＢ设备，在计算机和这些复杂的ＵＳＢ外设之间需要建立一个高速、高性能的数据传输。ＵＳＢ２．０正是为了满足这种需求提出的，它的传输速率为４８０Ｍｂｐｓ。高速ＵＳＢ２．０与全速ＵＳＢ１．１和低速ＵＳＢ１．０完全兼容。虽然新式的计算机至少提供两个ＵＳＢ端口，但多数都只能用于ＵＳＢ１．１和ＵＳＢ１．０的数据传输，不能支持ＵＳＢ２．０的数据传输。ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，可直接插入计算机的扩充槽内，利用ＰＣＩ总线接口、可支持ＵＳＢ的操作系统，实现ＵＳＢ２．０的高速数据传输。

ＵＳＢ界面通过ＵＳＢ主控制器与计算机主机系统相连接。ＵＳＢ主控制器不但提供与主机的ＰＣＩ总线接口，同时也包含根集线器。根集线器可提供一个或多个连接点用于ＵＳＢ设备的连接，从而使主机操作系统与ＵＳＢ设备之间可以彼此通信。ＵＳＢ２．０主控制器是设计ＵＳＢ２．０高速主机适配卡的主要芯片。目前世界上许多大公司如ＮＥＣ、ＰＨＩＬＩＰＳ、ＶＩＡ等都相继推出ＵＳＢ２．０主控制器。本文采用ＮＥＣ公司生产的ＵＳＢ２．０主控制器 ｕＰＤ７２０１００，设计出新型ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，测量结果良好，满足ＵＳＢ２．０的设计规范，达到ＵＳＢ２．０设计要求，并已经通过ＥＭＣ国际认证。

１ ＵＳＢ２．０高速主机适配卡的设计

１．１ ＵＳＢ２．０主机系统与ＵＳＢ设备之间的工作流程

ＵＳＢ主机系统可分成客户、ＵＳＢ系统、ＵＳＢ主控制器三层。ＵＳＢ设备也可分成功能部件、ＵＳＢ逻辑设备、ＵＳＢ总线接口三层，如图１所示。

ＵＳＢ主控制器实际上是主机系统方面的ＵＳＢ总线接口，它主要处理电气层和协议层之间的相互作用。ＵＳＢ系统包括主控制器驱动程序、ＵＳＢ驱动程序、主机软件三部分，利用主控制器管理主机和ＵＳＢ设备之间的数据传输。客户负责管理与ＵＳＢ设备直接作用的全部软件。总之，整个ＵＳＢ主机系统可以提供以下功能：检测ＵＳＢ设备的连接和断开、管理主机与ＵＳＢ设备之间的标准控制流和数据流、收集状态和事务的统计信息、控制主控制器与ＵＳＢ设备之间的电气接口，如数据线有限功率的供给等。

图１也表示出ＵＳＢ主机系统与ＵＳＢ设备之间存在功能层、ＵＳＢ设备层、ＵＳＢ总线接口层三个逻辑层。ＵＳＢ总线接口层代表ＵＳＢ主控制器与ＵＳＢ总线接口之间的传输关系，在主机与设备之间提供物理、信号、信息包的连接；ＵＳＢ设备层代表ＵＳＢ系统软件和ＵＳＢ逻辑设备之间的传输关系，ＵＳＢ系统软件可以执行许多关键的和一般的功能，用于给定设备的传输特性；功能层代表客户软件与功能部件之间的关系，通过相应的匹配客户软件提供给主机额外的功能。虽然在ＵＳＢ设备层和功能层内都有各自的逻辑通信，但是实际的数据传输必须通过ＵＳＢ总线接口层完成。ＵＳＢ总线接口层提供ＵＳＢ数据的底层传输，即ＵＳＢ数据的传输最终还是发生在ＵＳＢ数据线上。

１．２ ＵＳＢ ２．０高速主机适配卡的设计框图

图２为利用ＮＥＣ公司的ＵＳＢ２．０主控制器 ｕＰＤ７２０１００ 所设计的基本电路框图。可以看出，ＵＳＢ２．０主控制器是一个核心芯片，可提供３２－ｂｉｔｓ ３３ＭＨｚ ＰＣＩ 总线接口，用于与主机ＰＣＩ总线接口的连接。它还包含两个开放主控制器ＯＨＣＩ ＃１、ＯＨＣＩ ＃２和一个增强主控制器ＥＨＣＩ，支持５个用于连接外围设备的下游端口。ＯＨＣＩ ＃１主控制器用于处理１、３、５三个端口全速和低速信号的传输，ＯＨＣＩ ＃２主控制器用于处理２、４两个端口全速和低速信号的传输，ＥＨＣＩ主控制器用于处理１、２、３、４、５五个端口高速信号的传输。仲裁器（Ａｒｂｉｔｅｒ）用来选择ＯＨＣＩ ＃１、ＯＨＣＩ ＃２主控制器和ＥＨＣＩ主控制器。根集线器完成主控制器内集线器的功能，控制主控制器和５个端口之间的连接。物理层（ＰＨＹ）包含高速、全速和低速的收发器等。

５Ｖ／３．３Ｖ的降压调节器用于将ＰＣＩ总线提供的５Ｖ电源转换成主控制器需要的３．３Ｖ直流电源；系统时钟由３０ＭＨｚ晶振提供；电源控制开关提供短路和过流保护，而且每个下游端口都有各自的控制开关；串行ＥＥＰＲＯＭ用于存储子系统标识符、子系统厂商标识符等相关信息。

ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，通过主控制器和根集线器，使得主机操作系统与下游５个端口的ＵＳＢ设备或集线器之间实现同步通信，可以处理ＵＳＢ１．０、ＵＳＢ１．１、ＵＳＢ２．０三种传输速率。它支持热插拔、总线供电，每个端口最大可有５００ｍＡ电流。连接ＵＳＢ２．０设备或集线器的ＵＳＢ电缆的最大长度为５ｍ，设备连接采用不超过７层的星形拓扑结构，可连接多达１２７个ＵＳＢ设备或集线器。

１．３ ＵＳＢ ２．０高速主机适配卡的设计要点

由于ＵＳＢ２．０高速的传输速率，如何提高ＵＳＢ２．０信号的传输质量，减小电磁干扰（ＥＭＩ）和静电放电（ＥＳＤ）成为设计的关键。本文从电路设计和ＰＣＢ 设计两个方面进行分析。

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