ＵＳＢ２．０接１２１設計實現

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

關鍵詞：USB2.0；M-JPEG解碼；PID協議；PING協議；視頻編碼

引言

USB(Universal Serial Bus)通用串行總線能在電腦外設接口中得到廣泛應用得益于它的實用性和便捷性。該接口技術從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，使更多的高速外設和網絡(如高清晰數字會議視頻設備、高速刻錄機、寬帶XDSL和數字廣播等)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，最后結合實際，開發了一個USB2.0技術應用實例。

1 USB2.0電氣規格的擴展

1．1 增加了高速傳輸模式所需的收發器線路

包括以下四部分：高速電流驅動器，高速差動數據接收器，傳輸振幅檢測器，分離振幅檢測器。

高速電流驅動器是在D+、D-數據線上使用一定的電流值進行驅動，生成“J狀態”、“K狀態”，讓接口規范化。

增加高速差動數據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據線所處的狀態：閑置或數據傳送進行中。閑置狀態時，D+、D-數據線的電壓均為O伏；數據傳送進行中，即處于J／K狀態。

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，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發出閑置狀態信號，數據線信號處于SE0狀態；SE0狀態持續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；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，由終端阻抗來驅動SEO的狀態。

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

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

(4)打包傳送測試：測試特定打包持續傳送過程中的特性參數，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，全速：0～64個字節，高速：0～64個字節

②批傳輸模式下打包的大小

全速：0～64個字節，高速：0～512個字節

③中斷傳輸模式下打包的大小

低速：0～8個字節，全速：0～64個字節，高速：0～1024個字節

④等時傳輸模式下打包的大小

全速：0～1023個字節，高速：0～1024個字節

由此可知，高速傳輸打包的字節增大了，同時USB2．0也從原來的1ms周期的數據幀變成周期為125s的微幀結構。對于中斷傳輸與等時傳輸模式，每一個微幀之內實行3次的數據交易。這些方法使傳輸的速度大大加快了。

2．2 新規制的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：數據打包，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，是為了應用于高速模式下的“Ping協議”，防止傳送了一些數據之后，對方返回NAK的否定確認信號，要求重傳情況的發生。

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協議”中，ERR與SPLIT用于怏速的分割式數據交易的場合。

2．3 PING協議

如前面提到的，為了防止傳送了大量數據之后，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協議”。批傳輸與控制傳輸適用于“Ping協議”：在傳送數據之前，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，再度發送“PING打包”，重復確認，直到收到ACK后，發送數據給裝置端，完成傳輸數據。

3 一個基于USB2.0接口的應用設計

實現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系列等產品。前一種開發由于需要單獨的開發系統，開發成本較高，但實現起來較為容易，開發周期短；后一種只是一個芯片與MCU接口實現USB通信功能，因此成本較低。

我們的設計是通過M-JPEG流的解碼，輸出相應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協議的處理以及建立數據傳輸通道，480Mb／s高速模式數據傳輸速率，保證了M-JPEG碼流的高速實時傳輸。另一方面充分利用68013片內集成的增強型8051單片機和GPW接口，實現對專用芯片的設置和控制應答。ZR36060將輸入的M-JPEG數據流解壓縮，向SAA7185直接輸出符合ITU-R 656標準的YUV數據和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的設計應用

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固件的開發流程，片內集成的智能串行接口引擎(SIE)執行基本的USB通信功能。本設計中把嵌入CY7C68013內的8051單片機解放出來用于產生ZR36060的復位和地址選擇信號，同時利用并行I／O口實現指示燈的控制。

本設計中選用GPIF接口控制EZ-USB FX2中的“量子FIFO”到解壓縮芯片ZR36060的數據傳輸。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置。將傳輸端點2設置成1024字節大小的四重FIFO。這種多緩有結構設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GPIF接口和ZR36060的同步。沒有使用GPW接口的地址輸出線，從而節省了9條I／O線，為進一步擴展系統的功能留下了余地。

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，代碼數據的低8位由主機接口的8位雙向數據總線DATA7:0傳輸，數據的高8位是通過CODE7:0傳輸的。執行解壓縮之前，主機必須先把適當的參數和數據表載入ZR36060。參數設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。所有的參數和數據表都必須在空閑態下被載入。用ZRSpaceSelect0函數配置51單片機的I/O口實現地址的選擇，設計了寄存器多地址連續讀寫函數，實現了芯片參數和量化表及霍夫曼表的配置。

3．3 SAA7185視頻編碼芯片應用

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生器和片內D／A轉換器。系統中。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數據，ZR36060產生的視頻同步信號驅動SAA7185RCV口的場同步YS、行同步HS管腳，作為輸入數據的相位參考，編碼輸出CVBS或S-VIDEO電視信號。在設計中我們調用Ezusb．1ib庫中的標準12C總線讀寫函數訪問SAA7185內部寄存器，實現芯片的功能選擇，參數配置和輸出控制。

3．4 驅動程序設計

USB系統驅動程序采用分層結構模型，分別為較高級的USB設備驅動程序和較低級的USB函數層。其中USB函數層由兩部分組成：較高級的通用串行總線驅動程序模塊(USBD)和較低級的主控制器驅動程序模塊(HCD)。

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

3．5 主機端應用程序設計

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

4 結束語

該系統還可進行擴展，利用多塊解碼板我們可以很容易地實現多路M-JPEG碼流信號的同時回放。本系統在數字視頻監控領域有著良好的應用前景和很大的實用價值。