2023年7月3日发(作者：)

第7章 USB接口芯片

7.1 USB接口芯片分类

USB专用的器件大致可以分为以下类型：

 USB主控制器

 USB根集线器，

 微处理器接口的USB专用接口芯片

 具有USB接口的微处理器

 USB桥芯片

 OTG专用芯片

其中前两类用于计算机，一般集成于计算机的芯片组中。在实际的开发中大多项目是针对USB外部设备，用于USB设备的芯片主要是USB专用接口芯片和具有USB接口的微处理器。

USB专用接口芯片内部不包含通用微处理器，提供与通用微处理器的接口电路，可以与大多数微处理器连接，固件的编程在微处理器完成，主要用于基于微处理器的计算机外部设备开发。

USB桥芯片，可以将USB接口转换成为串行接口、并行接口、IrDA等其他标准接口，这类芯片不需要固件编程。

7.2 微处理器接口的USB专用接口器件

具备微处理器接口的USB接口芯片与微处理器的接口是不统一的，根据芯片的设计的不同，可以通过通用的串行接口、并行接口、SPI等接口和微处理器连接。USB接口芯片主要由以下部分组成：

 USB收发器

 SIE（Serial Interface Engine）

 数据缓冲存储器FIFO

 时钟及控制逻辑

 微处理器接口逻辑

这类芯片常用的有Philips公司的PDIUSBD11和PDIUSBD12；National

Semiconductor公司的USBN9602、9603和9604；MAXIM公司的MAX3420、MAX3421等。下表是几种常见的USB专用接口芯片的基本情况。

芯片 PDIUSBD12 USBN9603/9604 MAX3420E

制造厂商 Philips NS MAXIM

总线速度 全速 全速 全速

1个控制端点 1个控制端点

1个控制端点

端点 3个输入端点 1个中断/批量输出

4个传输端点

3个输出端点 2个中断/批量输入

控制端点16 控制端点64

控制端点8

FIFO（字节） 中断/批量端点2X64 2个端点2X64

其他端点64

实时端点2X128 1个端点64

微处理器接口 并行 并行 SPI 162 计算机高级接口实践

DMA支持

供电

封装

支持

3.3V / 5V

SO28

TSSOP28

支持

3.3V / 5V

SLB28AA

SO28

不支持

3.3V

TQFN24

LQFP32

下面对这几款芯片的硬件作简要介绍。

7.2.1 Philips的PDIUSBD12

Philips的D12是使用很广泛的USB控制器，主要的特点包括：



支持控制、中断、批量和实时四种传输模式，批量和实时模式可以达到1MB/sec的传输速率；



集成了总共320字节的FIFO，并且在不同的模式下可以灵活分配。对于中断和批量模式支持2X64字节的双缓冲，对于实时模式支持2X128字节的双缓冲；



支持完全自动的DMA接口；



并行方式的微处理器接口，可以达到最大2MB/sec的传输速率。并适合大多数微处理器的连接；



可以采用3.3V / 5V供电，内部集成电压调整器；



芯片可以输出一个可编程的时钟，可以提供给微处理器使用；



芯片提供一个GoodLink引脚，可以直接连接LED，在传输时驱动LED发光；



提供两种表贴封装形式，方便选用。

TSSOP28封装

SO28封装

图6-25 PDIUSBD12引脚和封装

下面介绍一个使用D12设计的接口电路，如图6-26。该电路采用3.3V供电，通过并行接口与微处理器连接，其中INT为中断信号，连接到微处理器的一个中断输入端。如果数据线A0、RD和WR不再连接其他器件，也可以将SC直接接地。RESET可以连接到微处理器的复位端。发光二极管LED1用于指示电路连接到USB主机，同时产生USB-OK信号，如果需要，可以将该信号连接到微处理器。LED2连接到D12的GoodLink，在数据传输时点亮发光二极管。 第7章 USB接口芯片 163

微处理器

图6-26 PDIUSBD12接口电路

Philips的另一款USB控制器芯片PDIUSBD11和PDIUSBD12的内部结构相似，不2同的是微处理器接口，PDIUSBD11采用的是IC接口，引脚要少了许多，封装形式为SO16。

7.2.2 NS的USBN9603/9604

National Semiconducto公司的USB控制器包括9602、9603和9604几款，其中9602是较早的版本，9603和9604是9602的更新版本芯片。9603和9604的主要差别只是硬件复位信号对内部的时钟发生器的控制不一样。

USBN9603/9604的主要特点包括：

 除控制节点0之外，具有独立的3个输入节点和3个输出节点；

 输入节点和输出节点都具备独立的64字节FIFO；

 针对不同的微处理器提供了三种接口方式，具备两种时序的并行方式接口和MICRIWIRE标准的串行方式接口（MICROWIRE是NS开发的同步串行接口标准，其协议是SPI的子集，连接线与SPI兼容）；

 支持自动的DMA传输方式；

 3.3V供电；

 两种封装形式，标准的表贴封装SO28和NS的SLB封装。

下图是National Semiconductor公司提供的9603/9604的内部结构图。

164 计算机高级接口实践

图6-27 USBN9603/9604的内部结构（NS公司提供）

SLB28AA封装

SO28封装

图6-28 USBN9603/9604引脚和封装

7.2.3 MAXIM的MAX3420E

MAX3420E是MAXIM公司设计的用于USB外设的专用控制芯片，其主要特点包括：

 采用3线或4线的同步串行SPI接口标准与微处理器连接，串行传输时钟速率可以达到26MHz。不提供并行的微处理器接口；

 集成一个控制端点（EP0）、一个批量/中断输出端点（EP1、EP2）和两个批量/中断输入端点（EP3）；

 控制端点具有64字节的FIFO，输出节点和一个输入端点（EP2）具有2X64字节的双缓冲FIFO，另一个输入端点（EP3）具有64字节FIFO； 第7章 USB接口芯片 165







下图是MAXIM公司提供的MAX3420E的内部结构。

提供4条通用输入引脚和4条通用输出引脚，主机可以通过对特定的寄存器（R20）的读写实现对这些引脚的访问；

采用3.3V供电；

提供TQFN24和LQFP32两种封装形式。

图6-29 MAX3420E内部结构（MAXIM提供）

166 计算机高级接口实践

图6-30 MAX3420E封装（MAXIM提供）

如果外部设备可以通过USB主机供电，下图是MAX3420E的芯片说明书上推荐的电路，通过USB插座为MAX3420E和微处理器供电。

图6-31 通过USB供电的MAX3420E接口电路（MAXIM提供）

MAXIM公司的USB控制器还有MAX3421E，MAX3421E即可以用于外设，也可以用于主机。

第7章 USB接口芯片 167

7.3 带有USB接口的微处理器

带有USB接口的微处理器是USB接口器件中品种最繁多的一类，原因是微处理器的种类和厂商很多，USB标准提出来后，大部分微处理器厂商都推出了带有USB接口的微处理器。提供带有USB接口的微处理器的厂商主要有：Atmel、Cypress Semiconductor、Motorola、Cygnal、Microchip Technology、ScanLogic等。

该类微处理器在使用大多是通用型的，在原有的微处理器结构下添加USB接口，并不面向特定的应用。但也有一部分产品是面向特定应用的，在带有USB接口的微处理器增加了面向特定应用的部件。如Atmel公司的AT89C51SDN 1C/2C是面向MP3播放器开发的，ScanLogic公司的SL11RIDE带有USB到ATAPI/IDE的转换接口。

当开发的硬件系统必须要微处理器支持并具备USB接口时，就需要在微处理器+USB接口器件和带USB接口的微处理器两个方案中选择，与微处理器+USB接口器件方案相比，带USB接口的微处理器方案可以消除由于与USB接口器件之间的传输可能存在的瓶颈。尤其是在全速和高速传输模式，由于USB传输的速度很高，微处理器和USB接口器件之间的传输速度可能受到接口速度、微处理器速度和程序控制方式等方面的影响，难以达到USB接口的最高传输速度。

下面就典型的带USB接口的微处理器作一简要介绍。

7.3.1 Cypress的CY7C63000A系列

CY7C63000A系列是Cypress低端的USB微处理器，属于Cypress的M8系列，提供USB1.0/1.1标准的1.5Mbps的低速传输模式，属于低成本的USB微处理器，适合鼠标器一类的简单USB外设。具体的型号包括CY7C63000A、CY7C63001A、CY7C63100A和CY7C63101A。其主要特点包括：



微处理器内核是8位的RISC结构，比较简单的指令集，只有35条指令。内核的工作频率为12MHz；



内部含有128字节RAM；



程序存储器为2KB（CY7C63000A, CY7C63100A）或

4KB（CY7C63001A, CY7C63101A）；



USB支持2个端点，一个地址端点和、一个数据端点；



通用I/O端口（GPIO）为12个（CY7C63000A, CY7C63001A）或

16个（CY7C63100A, CY7C63101A）



采用5V供电（4.0~5.25V）；



封装形式，20pin的PDIP/SOIC（CY7C63000A, CY7C63001A）和

24pin的SOIC/QSOP（CY7C63100A, CY7C63101A）

厂家提供的内部结构如下图：

168 计算机高级接口实践

7.3.2 Cypress的CY7C63612和CY7C63613

这两款微处理器属于低速模式USB芯片，其主要特点包括：



微处理器内核是8位的RISC结构，简单的指令集，只有39条指令。内核的工作频率为12MHz；



支持USB1.1标准的1.5Mbps的低速传输模式，支持HID设备；



内部含有256字节RAM；



程序存储器为EPROM

6KB（CY7C63612）或8KB（CY7C63613）；



USB支持4个端点，一个地址0端点和、3个数据端点；



通用I/O端口（GPIO）为16个；



采用5V供电（4.0~5.25V）；



采用24pin SOIC封装

厂家提供的内部结构如下图：

第7章 USB接口芯片 169

7.3.3 Cypress的EZ-USB系列

EZ-USB是Cypress公司的一个带USB接口的微处理器的构架，简单的说EZ-USB系列微处理器是EZ-USB构架和一个增强版的8051微处理器的集成。EZ-USB是一个种170 计算机高级接口实践

类繁多的家族，几乎涵盖了全速模式的各种应用。另外EZ-USB的后续系列是EZ-USB FX，以及支持USB2.0的高速模式的EZ-USB FX2系列。

EZ-USB系列芯片使用增强的、智能化的SIE/USB接口，能实现大部分USB的协议，可以有效地简化微处理器的编程。

EZ-USB系列芯片采用3.3V供电，这使得芯片的供电可以方便的使用USB接口的+5V电源，下图是EZ-USB芯片AN2131Q的内部结构。

EZ-USB芯片内部采用增强的8051兼容微处理器，和普通的Intel 8051相比性能要提高很多，其时钟频率为24MHz，指令周期为4个时钟周期，比12MHz的Intel 8051（12MHz，指令周期为12个时钟周期）快6倍。和8051的其他差别见下表。

项目

ROM

RAM

Timer

UART

中断源

时钟频率

内部ROM

外部RAM

供电

指令周期

8051

4KB

128B

2

1

5

12MHz

EPROM

64K RAM

5V

12个时钟周期

EZ-USB

N/A

4/8 KB

3

2

13

12、24MHz

EEPROM

64K EPROM、Flash

3.3V

4个时钟周期

7.3.4 Atmel的AT89C5131

AT89C5131是Atmel公司生产的8051兼容指令集8位单片微处理器，其主要特点如下：

 具有80C52X2内核；最大时钟频率48MHz（X1模式）和24MHz（X2模式）

11个中断源的4优先级中断系统；

3个16位通用定时器；

5通道15位可编程定时器阵列，能提供PWM输出； 第7章 USB接口芯片 171











AT80C5131的内部结构如下图：

上电复为或USB复位，Watchdog复位功能；

存储器：片内256字节存储器。以及芯片内置的1KB的扩展RAM。 内置4KB EEPROM存储空间，其中3KB分配给Bootloader，其余1KB作为数据存储区；16KB片内Flash存储器作为程序存储器，可以通过USB或UART进行在线编程。

USB支持：支持USB1.1和USB2.0协议，提供全速传输，具有7个带FIFO的传输端点：

EP0：32字节FIFO，支持控制传输，控制端点；

EP1~3：32字节FIFO，支持中断、批量和实时传输；

EP4~5：64X2字节双缓冲FIFO，支持中断、批量和实时传输；

EP6：512X2字节双缓冲FIFO，支持中断、批量和实时传输；

其他外部接口：

SPI接口；

TWI接口，400KB/s传输速率；

增强性UART接口；

支持中断的键盘接口。

34个普通I/O端口。

3.0~3.6V供电，40MHz工作时最大30mA电流，在Power-down模式下只有100uA电流。

提供PLCC52、VQFP64、MLF48和SO28共4种封装形式。

7.3.5 Microchip的PIC 16C745/765 172 计算机高级接口实践

Microchip公司的微处理器的主要特点是高速度、低功耗、低价格。采用独特的RISC指令集，大多是指令在单一周期完成。PIC 16C745和PIC 16C765是Microchip带USB接口的微处理器，其主要特点是：

 高性能的RISC结构，工作在6MHz或24MHz。35条RISC指令，除程序分支指令外全部为单周期指令。8级堆栈。可编程的代码保护；

 12个中断源，自动上电复位功能，内部Watchdog功能；

 具有22个（16C745）/33个（16C765）GPIO。其中4个具备电平中断功能。B端口具备SLEEP唤醒功能；

 3个定时器，2个8位，1个16位，2个捕捉、比较和PWM模块；

 8K字程序存储器（14位/字），256字节RAM；

 5（16C745）/8（16C765）通道8位ADC；

 提供USB1.1标准的低速模式，只支持控制和中断传输。提供3个双向的端点号，共6个端点。具备64字节的双端口RAM供USB使用；

 4.35~5.25V供电，24MHz工作时最大16mA电流，在Power-down模式下只有100uA电流。

下图是Microchip公司提供的PIC 16C745/765的内部结构。

第7章 USB接口芯片 173

7.3.6 Signal的C8051F320/321

C8051F320和C8051F321是Signal公司的C8051F系列微处理器中带有USB接口的芯片。Signal的微处理器具有8051兼容的指令集，但速度比传统的8051快得多。内部集成的资源非常丰富。主要特点包括：

• 高速的8051兼容指令集的CPU内核，70%的指令执行时间为1或2个时钟周期，处理速度达到25MIPS（25MHz）；

• 内部集成了最大误差为0.25%的时钟振荡器，可以外接晶体振荡器，也可以外接阻容原件构成振荡器；

• 内部集成10位200Ksps的ADC，最多17个外部输入通道。其参考电压可以取自内部、外部和电源，具有一个内部的温度传感部件；

• USB功能支持2.0标准兼容的全速和低速传输模式，8个端点，以及总共1KB的FIFO；

• 2304字节（1K+256+1K USB FIFO）内部RAM。16KB Flash程序存储器；

• 25个（C8051F321为21个）普通I/O端口。集成了增强的UART、增强的API174 计算机高级接口实践

•

•

•

Signal公司提供的C8051F320的内部结构如下图。

和SMBus接口；

4个16位通用定时器/计数器，1个16位可编程的定时器阵列。

具有上电复位、电源监测和丢失时钟检测等电路机制；

C8051F320采用32 pin LQFP封装，C8051F321采用28 pin MLP封装。

Signal公司提供的C8051F320和C8051F321的封装图如下。

第7章 USB接口芯片 175

7.4 USB桥

USB桥芯片实现USB接口与一个特定的其他接口的转接，在芯片中不但集成了两个接口需要的全部功能，还具备协议处理部件，实现不同接口之间的协议转换。

7.4.1 FTDI的USB-UART桥FT232R

FT232R是FTDI（Future Technology Devices International Ltd.）公司生产的USB-

UART桥芯片，实现USB接口与UART的转换连接，可以外接不同的电平转换或收发器芯片，可以实现USB到RS-232C、USB到RS-485、USB到RS-422接口的转换。该芯片不需要微处理器的支持，也不需要固件编程，可以方便的通过计算机的USB接口与UART设备的通信。

其主要特征包括：



内部实现USB协议，支持USB1.1/USB2.0的全速传输模式；



支持USRT的7或8位数据，1或2位停止位，以及奇校验、偶校验、空校验等校验方式。



芯片提供了串行接口上的全部联络线；



支持UART的硬件流控和Xon/Xoff软件流控；



具有相对于USB端的256字节的接收FIFO缓冲区和128字节的发送FIFO缓冲区。UART端具有FIFO控制器，与UART数据寄存器连接；



对于USB转RS-232可以达到1Mbps的传输速度，对于USB转RS-422/485可以达到3Mbps的传输速度；



具有多个可编程的通用CBUS（Control BUS） I/O端；



内部具有1024位的EEPROM用于存储USB的VID、PID、产品序列号、产品描述字符串以及CBUS I/O设置；



工作采用批量模式，兼容主机的OHCI、UHCI和EHCI三种主机控制器类型；



芯片内部集成了3.3V电压调整器、USB线路电阻、上电复位机制等；



3.3~5.25V供电电压，提供28pin SSOP和QFN-32两种封装形式。

FT232R的内部结构如下图。 176 计算机高级接口实践

通过FT232R连接设备到主机，可以通过FTDI网站（）上下载的驱动程序实现与设备的连接。应用程序可以通过两种方式与设备通信：



虚拟串行口方式（VCP），安装CVP驱动程序后在系统中添加了一个串行口，该串行口并不是硬件上存在的串行口，而是一个虚拟的设备。应用程序可以通过对该串行口的编程实现与连接的设备的通信。 第7章 USB接口芯片 177



D2XX驱动程序方式，该驱动程序的接口方式采用DLL接口，安装驱动程序后，应用程序

应用程序接口

FTD2XX .DLL

FTDI DLL Interface

FTDI WDM Driver Interface

FTD2XX .SYS

FTDI WDM Driver

Windows USB接口

USB Driver Stack

Windows USB Drivers

USB物理层

FT232R

可以采用多种高级语言开发应用程序，应用程序通过对提供的函数与WDM方式的设备驱动程序连接。

除了上面介绍的FT232R外，相同功能的芯片还有Cygnal公司的CP1201，Prolific的PL-2303等。

7.4.2 FTDI的USB-并行桥FT245BM

FT245BM是FTDI公司生产的一款USB到并行接口的FIFO方式传输芯片，该芯片实现一个并行方式的读写访问接口，通过这个接口，可以方便的连接微处理器、FPGA等芯片，实现数据传输。

FT245BM内部具有较大的FIFO存储器，用于暂存向USB主机传输和来自USB主机的数据，并通过输出的状态线说明输入和输出FIFO的状态。

由FT245BM实现的外部设备不需要固件编程，连接的微处理器或FPGA等控制芯片可以通过FT245BM提供的4条联络信号线实现与FT245BM交换数据。

在主机端，应用程序可以通过VCP或D2XX驱动程序方式访问主机的USB接口，通过主机USB接口实现与FT245BM的连接。

FT245BM的主要特点：

• 实现的传输速度：在VCP驱动方式下为300KB/s，在D2XX驱动方式下为1MB/s；

• 283字节发送FIFO，128字节接收FIFO；

• 支持USB1.1和2.0兼容的全速模式。可以采用USB的批量传输，可以实现同步传输；

• 可以实现设备的挂起和唤醒； 178 计算机高级接口实践

•

•

可以将8条数据设置成普通的I/O端口使用；

具有外部EEPROM芯片接口，用于存储USB的VID、PID、产品序列号、产品描述字符串等。可以通过USB接口实现对EEPROM的编程。

• 芯片内部集成了3.3V电压调整输出，可以为3.3V的数字器件供电。

• 单一5V供电，封装形式为LQFP-32。

FT245BM的内部结构如图。

在并行接口一端提供了4条联络线：

RD# （IN）：FIFO读控制信号。控制FT245BM将接收FIFO的数据发送到数据线第7章 USB接口芯片 179

D0~D7上，同时，从接收FIFO中删除该字节数据。

WR（IN）：FIFO写控制信号。将数据线D0~D7上的数据写入到FT245BM的发送FIFO中。

TXE#（OUT）：发送FIFO状态。低电平表示可以向FT245BM的发送FIFO写数据，高电平禁止写数据。

RXF#（OUT）：接收FIFO状态。低电平表示接收FIFO中有数据，可以从FT245BM读取数据，高电平表示接收FIFO空或暂时不能读取数据。

7.4.3 SigmaTel的USB-IrDA桥STIr4200

STIr4200是由SigmaTel公司生产的USB-IrDA桥芯片，实现USB与IrDA红外线接口的桥接。主要特点如下。



支持USB1.1标准；



红外接口支持IrDA1.3，2400bps~4Mbps的传输速率；



完全实现USB1.1、IrDA1.3之间的协议转换；



可以连接标准的IrDA收发器，实现红外接口；



内部实现了一个控制端点，以及一个批量模式输入端点和一个批量模式输出端点。



低功耗，可以采用USB供电；



内部集成4KB的FIFO；



采用3.1~3.6V供电，提供28pin SSOP封装；

SigmaTel公司提供的STIr4200的内部结构如下图。

STIr4200主要由两部分组成，即USB控制器和数字化的IrDA收发器接口。USB控制器提供控制传输、批量输入和批量输出模式连接USB主机。IrDA收发器接口用于连接普通的红外收发二极管。 180 计算机高级接口实践