ＵＳＢ２．０接１２１設(shè)計實現(xiàn)

摘要：詳細介紹了USB2.0接口的新特點，選擇CY7C68013作為USB2.0控制芯片實現(xiàn)了USB2.0接口M-JPEG解碼回放板的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：USB2.0；M-JPEG解碼；PID協(xié)議；PING協(xié)議；視頻編碼

引言

USB(Universal Serial Bus)通用串行總線能在電腦外設(shè)接口中得到廣泛應(yīng)用得益于它的實用性和便捷性。該接口技術(shù)從1996年由幾家大公司制定USB1.0標準以來，得到越來越多的廠商支持，繼而出現(xiàn)了USB1.1標準，USB2.0標準。USB2.0標準支持的高速傳輸模式使傳輸速率達到了480Mbps，使更多的高速外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)(如高清晰數(shù)字會議視頻設(shè)備、高速刻錄機、寬帶XDSL和數(shù)字廣播等)都可以通過USB接口與控制主機相連接。

本文介紹了USB2.0標準相對于USB1.1增加部分的特性，突出USB2.0標準的新特點，最后結(jié)合實際，開發(fā)了一個USB2.0技術(shù)應(yīng)用實例。

1 USB2.0電氣規(guī)格的擴展

1．1 增加了高速傳輸模式所需的收發(fā)器線路

包括以下四部分：高速電流驅(qū)動器，高速差動數(shù)據(jù)接收器，傳輸振幅檢測器，分離振幅檢測器。

高速電流驅(qū)動器是在D+、D-數(shù)據(jù)線上使用一定的電流值進行驅(qū)動，生成“J狀態(tài)”、“K狀態(tài)”，讓接口規(guī)范化。

增加高速差動數(shù)據(jù)接收器是為了檢測出快速模式下的J／K信號。

傳輸振幅檢測器的作用是檢測數(shù)據(jù)線所處的狀態(tài)：閑置或數(shù)據(jù)傳送進行中。閑置狀態(tài)時，D+、D-數(shù)據(jù)線的電壓均為O伏；數(shù)據(jù)傳送進行中，即處于J／K狀態(tài)。

分離振幅檢測器用于檢測下游端裝置是否被抽離而斷開。

1．2 Reset時的信號交換流程

這是認識USB2.0相當重要的一環(huán)，因為這是USB2.0擴展的高速傳輸模式的工作流程。

一個裝置連接到HUB時，必須確認下游端所連接裝置是低速、全速還是高速傳輸模式。其工作流程如下：Reset發(fā)出閑置狀態(tài)信號，數(shù)據(jù)線信號處于SE0狀態(tài)；SE0狀態(tài)持續(xù)3ms以上后，連接上高速裝置的拉高電阻，先以全速裝置工作，USB接口此時仍然處于閑置狀態(tài)；這之后高速裝置會進行一個“Device Chirp”過程，告訴HUB本裝置有能力進行高速傳送；HUB接收到這個通知并加以確認，表示本身也可以支持快速的傳輸，完成握手處理過程，就可以以快速傳送方式進行通信了。如果握手過程不成功，就以低速或全速的傳送方式通信。這也是USB2.0為了與USB1.1規(guī)范兼容而進行的一個信號交換過程。

1．3 增加的測試模式

高速收發(fā)器的電氣特性比過去復雜得多，借助于“Set_Feature”命令，可以進行以下五個種類的測試：

(1)SEO NAK測試：當接到“IN令牌”打包時，必須回返NAK信號。其他情況下，由終端阻抗來驅(qū)動SEO的狀態(tài)。

(2)HS J測試：高速電流驅(qū)動器僅有一個驅(qū)動“D+”數(shù)據(jù)線時，依據(jù)“D+”數(shù)據(jù)線的輸出電壓可以檢測出高電位的狀態(tài)。

(3)HS K測試：同上，高速電流驅(qū)動器僅有一個驅(qū)動“D-”數(shù)據(jù)線時，依據(jù)“D-”數(shù)據(jù)線的輸出電壓可以檢測出高電位的狀態(tài)。

(4)打包傳送測試：測試特定打包持續(xù)傳送過程中的特性參數(shù)，如信號上升時間、信號下降時間以及信號抖動的測量等。

(5)強迫使能測試：這個測試是針對高速的HUB裝置的，用來強迫使能HUB裝置的下游端。

2 USB2.0傳輸協(xié)議的增加

2．1 打包大小的變更

①控制傳輸模式下低速，全速，高速打包的大小

低速：0～8個字節(jié)，全速：0～64個字節(jié)，高速：0～64個字節(jié)

②批傳輸模式下打包的大小

全速：0～64個字節(jié)，高速：0～512個字節(jié)

③中斷傳輸模式下打包的大小

低速：0～8個字節(jié)，全速：0～64個字節(jié)，高速：0～1024個字節(jié)

④等時傳輸模式下打包的大小

全速：0～1023個字節(jié)，高速：0～1024個字節(jié)

由此可知，高速傳輸打包的字節(jié)增大了，同時USB2．0也從原來的1ms周期的數(shù)據(jù)幀變成周期為125s的微幀結(jié)構(gòu)。對于中斷傳輸與等時傳輸模式，每一個微幀之內(nèi)實行3次的數(shù)據(jù)交易。這些方法使傳輸?shù)乃俣却蟠蠹涌炝恕?/p>

2．2 新規(guī)制的PID(包標識)

通過PID，可以識別打包的類別。PID的形式有以下四種：

第一種：Token打包，如：SOF、IN、OUT等。

第二種：數(shù)據(jù)打包，如DATA0、DATAl等。高速USB2．0另外增加了兩個：DATA2以及MDATA，用于等時傳輸。

第三種：握手打包，如：ACK、NAK、STALL等。NYET是新增加的打包，表示還沒有備妥，是為了應(yīng)用于高速模式下的“Ping協(xié)議”，防止傳送了一些數(shù)據(jù)之后，對方返回NAK的否定確認信號，要求重傳情況的發(fā)生。

第四種：特殊用途的打包。除了原來的PRE打包，USB2．0增加了：ERR、SPLIT、PING等打包，PING用于“Ping協(xié)議”中，ERR與SPLIT用于怏速的分割式數(shù)據(jù)交易的場合。

2．3 PING協(xié)議

如前面提到的，為了防止傳送了大量數(shù)據(jù)之后，對方卻返回NAK的否定確認信號，要求重傳的情況，USB2．0引入了“Ping協(xié)議”。批傳輸與控制傳輸適用于“Ping協(xié)議”：在傳送數(shù)據(jù)之前，先從主機端送出“PING打包”，如得到的是NAK則表示裝置端沒有接受空間，再度發(fā)送“PING打包”，重復確認，直到收到ACK后，發(fā)送數(shù)據(jù)給裝置端，完成傳輸數(shù)據(jù)。

3 一個基于USB2.0接口的應(yīng)用設(shè)計

實現(xiàn)USB2.0接口的控制芯片控制器一般分為兩類：一種是MCU集成在芯片里面，如CYPRESS的EZ-USB系列，Inter的8X930AX，S1EMENS的C541U等公司的產(chǎn)品。一種是純粹的USB接口芯片，僅處理USB通信，如PHILIPS的PDIUSBDll系列，National Semiconductor的USBN9602系列等產(chǎn)品。前一種開發(fā)由于需要單獨的開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)成本較高，但實現(xiàn)起來較為容易，開發(fā)周期短；后一種只是一個芯片與MCU接口實現(xiàn)USB通信功能，因此成本較低。

我們的設(shè)計是通過M-JPEG流的解碼，輸出相應(yīng)制式的模擬彩色電視信號(見圖1)。USB控制芯片CY7C68013一方面完成USB2．0協(xié)議的處理以及建立數(shù)據(jù)傳輸通道，480Mb／s高速模式數(shù)據(jù)傳輸速率，保證了M-JPEG碼流的高速實時傳輸。另一方面充分利用68013片內(nèi)集成的增強型8051單片機和GPW接口，實現(xiàn)對專用芯片的設(shè)置和控制應(yīng)答。ZR36060將輸入的M-JPEG數(shù)據(jù)流解壓縮，向SAA7185直接輸出符合ITU-R 656標準的YUV數(shù)據(jù)和D／A變換所需的行場同步信號；SAA7185對輸入的YUV信號進行編碼，輸出CVBS或S-VIDEO電視信號。

3．1 USB控制芯片CY7C68013的設(shè)計應(yīng)用

CYPRESS公司提供了EZ-USB FX2芯片的固件程序框架，大大簡化和加速了USB固件的開發(fā)流程，片內(nèi)集成的智能串行接口引擎(SIE)執(zhí)行基本的USB通信功能。本設(shè)計中把嵌入CY7C68013內(nèi)的8051單片機解放出來用于產(chǎn)生ZR36060的復位和地址選擇信號，同時利用并行I／O口實現(xiàn)指示燈的控制。

本設(shè)計中選用GPIF接口控制EZ-USB FX2中的“量子FIFO”到解壓縮芯片ZR36060的數(shù)據(jù)傳輸。GPIF是一個靈活的8或16位并行接口，支持用戶使用波形描述符進行編程設(shè)置。將傳輸端點2設(shè)置成1024字節(jié)大小的四重FIFO。這種多緩有結(jié)構(gòu)設(shè)計在讀寫雙方速度相似時能顯著地改善帶寬，平滑帶寬抖動，減少雙方的互相等待時間。同時利用GPIF接口對解碼芯片的控制應(yīng)答，GPW接口使用外部時鐘，將ZR36060的VSYNC信號接至GPW接口的IFCLK引腳，實現(xiàn)GPIF接口和ZR36060的同步。沒有使用GPW接口的地址輸出線，從而節(jié)省了9條I／O線，為進一步擴展系統(tǒng)的功能留下了余地。

3．2 解壓縮芯片ZR36060

JPEG編解碼芯片ZR36060實現(xiàn)對視頻信號的實時壓縮解壓縮。在解壓縮時它接收JPEG-BASELINE碼流，將其解碼為YUV4:2:2數(shù)字視頻信號。ZR36060的接口可分為視頻接口、主機接口和代碼接口三部分。視頻接口配置成主模式。視頻總線設(shè)置為8位寬度，亮度和色差信號都通過Y7:0傳輸，視頻信號由視頻接口輸入／輸出。主機接口配置在16位代碼從模式下，通過主機接口完成對ZR36060內(nèi)部寄存器的讀寫。對芯片的控制字通過主機接口讀，寫，代碼數(shù)據(jù)的低8位由主機接口的8位雙向數(shù)據(jù)總線DATA7:0傳輸，數(shù)據(jù)的高8位是通過CODE7:0傳輸?shù)?。?zhí)行解壓縮之前，主機必須先把適當?shù)膮?shù)和數(shù)據(jù)表載入ZR36060。參數(shù)設(shè)置將影響到芯片的工作方式、視頻接口、以及代碼接口的操作。所有的參數(shù)和數(shù)據(jù)表都必須在空閑態(tài)下被載入。用ZRSpaceSelect0函數(shù)配置51單片機的I/O口實現(xiàn)地址的選擇，設(shè)計了寄存器多地址連續(xù)讀寫函數(shù)，實現(xiàn)了芯片參數(shù)和量化表及霍夫曼表的配置。

3．3 SAA7185視頻編碼芯片應(yīng)用

芯片SAA7185支持PAL／NTSC／SECAM制式，其主要功能模塊包括一個同步時鐘產(chǎn)生器和片內(nèi)D／A轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)中。工作在同步從模式下的SAA7185芯片接收ZR36060解碼器輸出的每行720有效像素的4:2:2YUV數(shù)據(jù)，ZR36060產(chǎn)生的視頻同步信號驅(qū)動SAA7185RCV口的場同步Y(jié)S、行同步HS管腳，作為輸入數(shù)據(jù)的相位參考，編碼輸出CVBS或S-VIDEO電視信號。在設(shè)計中我們調(diào)用Ezusb．1ib庫中的標準12C總線讀寫函數(shù)訪問SAA7185內(nèi)部寄存器，實現(xiàn)芯片的功能選擇，參數(shù)配置和輸出控制。

3．4 驅(qū)動程序設(shè)計

USB系統(tǒng)驅(qū)動程序采用分層結(jié)構(gòu)模型，分別為較高級的USB設(shè)備驅(qū)動程序和較低級的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線驅(qū)動程序模塊(USBD)和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊(HCD)。

本系統(tǒng)中的固件代碼存儲在EEPROM中，當設(shè)備上電時，EEPROM中的代碼被自動下載到FX2芯片的RAM中，由8051執(zhí)行。實現(xiàn)這個過程需要兩個驅(qū)動程序，即通用驅(qū)程ezusb．sys和下載固件的驅(qū)程loader．sys。在Windows的設(shè)備驅(qū)動工具包(DDK)的支持下，對FX2軟件開發(fā)包提供的EZ-Loader驅(qū)動程序作相應(yīng)的修改，就可以實現(xiàn)下載固件驅(qū)程load．sys的定制。

3．5 主機端應(yīng)用程序設(shè)計

USB主機端應(yīng)用程序是計算機中完成特定功能的程序。該系統(tǒng)中，主機端應(yīng)用程序主要完成向M-JPEG解碼系統(tǒng)發(fā)送M-JPEG格式的碼流，處理系統(tǒng)請求和特定的命令等功能。在Windows 2000下，我們所使用的應(yīng)用程序開發(fā)工具是VC++6.0。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)還可進行擴展，利用多塊解碼板我們可以很容易地實現(xiàn)多路M-JPEG碼流信號的同時回放。本系統(tǒng)在數(shù)字視頻監(jiān)控領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景和很大的實用價值。