幾乎每個(gè)現(xiàn)代 MCU 系列都有一個(gè) USB 外設(shè)。由于 USB 是一種標(biāo)準(zhǔn)，您可能會(huì)認(rèn)為所有 USB 實(shí)現(xiàn)都是相同的。如果是這樣，您會(huì)對滿足標(biāo)準(zhǔn)的各種實(shí)現(xiàn)感到驚訝，而且還提供額外的功能和特性，這些功能和特性可能會(huì)使特定的 MCU 非常適合您的下一個(gè)設(shè)計(jì)。本文將介紹流行的 MCU 系列中的一些差異化 USB 功能。一旦您了解了一些關(guān)鍵差異，您就可以更好地尋找能夠?yàn)槟南乱粋€(gè)設(shè)計(jì)提供完美契合的實(shí)施方案。

　　USB 基礎(chǔ)知識(shí)

　　通用串行總線或 USB 因其簡單的物理層接口、靈活性和易于集成（無論在硬件和軟件級別）而越來越受歡迎。標(biāo)準(zhǔn)化和集成的連接器可以輕松地將 MCU 連接到 USB 電纜和通用驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序接口或 API，從而可以輕松訪問通過 USB 連接傳輸和接收信息包所需的數(shù)據(jù)和控制元素。現(xiàn)成的參考設(shè)計(jì)、評估板和代碼示例進(jìn)一步簡化了基于 MCU 的實(shí)施。最近推出的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸速率高達(dá) 10 Gbit/s 的 USB 3.1 標(biāo)準(zhǔn)表明該標(biāo)準(zhǔn)在不斷發(fā)展，并且可能會(huì)存在很多很多年。

　　USB 使用非對稱拓?fù)?，由位于連接“金字塔”頂部的主機(jī)組成，管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。下游 USB 端口（通常稱為設(shè)備或功能）都直接或通過可以擴(kuò)展星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的中間集線器連接到主機(jī)。一個(gè)主機(jī)可能有多個(gè)主機(jī)控制器，每個(gè)控制器最多可管理 127 個(gè)端口。USB 通信使用連接主機(jī)控制器和設(shè)備端點(diǎn)的管道或邏輯通道。一個(gè) USB 設(shè)備最多可以有 32 個(gè)端點(diǎn)（16 輸入和 16 輸出）。有兩種類型的管道：用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧骱陀糜诙堂詈蜖顟B(tài)傳輸?shù)南ⅰ?shù)據(jù)傳輸可以是同步的（有保證的數(shù)據(jù)速率）、中斷傳輸（需要快速、低延遲的傳輸時(shí)），

　　USB 標(biāo)準(zhǔn)更有用的方面之一是可能有多種數(shù)據(jù)速率（1.5 Mbit/s 的低速、12 Mbit/s 的全速、480 Mbit/s 的高速、5 Gbit/s 的超速、和 10 Gbit/s 的 SuperSpeed+），并且主機(jī)可以使用特殊的枚舉過程確定每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)速率。這簡化了連接管理，并使應(yīng)用程序可以輕松地專注于僅傳輸數(shù)據(jù)，而不是管理低級物理連接的建立。

　　如果讀者希望深入了解，Digi-Key 提供了幾個(gè)產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，其中詳細(xì)討論了 USB 標(biāo)準(zhǔn)（來自FDTI和Wurth Electronics等）。然而，就本文而言，上述描述應(yīng)該足以讓我們了解基于 MCU 的 USB 外設(shè)的一些不同特性和功能，以更好地匹配特定應(yīng)用的要求和最佳 USB 實(shí)現(xiàn)特性放。

　　USB 實(shí)現(xiàn)

　　了解了 USB 的一些基礎(chǔ)知識(shí)后，我們可以開始了解 MCU 供應(yīng)商在其設(shè)備中提供的不同類型的實(shí)現(xiàn)。由于 MCU 通常用于控制 USB 外圍設(shè)備，例如傳感器、指針設(shè)備和音頻設(shè)備（僅舉幾例），而不是 PC 和手持設(shè)備中更常見的主機(jī)控制器，因此我們將從查看示例功能實(shí)現(xiàn)開始Spansion FM3 MCU 系列，特別是 Spansion MB9AF3 MCU。

　　Spansion MB9AF3 MCU 使用 ARM-Cortex-M3 CPU 并具有多個(gè)高級外設(shè)，包括電機(jī)控制定時(shí)器、高速 ADC、UART、SPI、I 2 C、DMA 和外部總線接口。USB 外設(shè)同時(shí)具有主機(jī)和功能接口，功能框圖如下圖 1 所示。圖右側(cè)的 CPU 接口可以訪問數(shù)據(jù)傳輸所在的端點(diǎn)緩沖區(qū)。進(jìn)出緩沖區(qū)的移動(dòng)由 USB 數(shù)據(jù)控制器 （UDC） 通過 UDC 接口進(jìn)行管理。中斷可用于向 CPU 通知數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，并且 CPU 接口提供對來自 CPU 或 DMA 控制器的緩沖區(qū)的訪問。

　　圖 1：Spansion MB9AF3 MCU USB 功能框圖。（由 Spansion 提供）

　　Spansion USB 實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素是 USB 時(shí)鐘源、端點(diǎn)緩沖區(qū)的數(shù)量以及對端點(diǎn)緩沖區(qū)的 DMA 訪問。這些功能在不同的 MCU 供應(yīng)商之間可能會(huì)有所不同，因?yàn)?USB 標(biāo)準(zhǔn)沒有指定這些功能。例如，USB 時(shí)鐘由片上 PLL 提供，該 PLL 可以使用 MCU 的主時(shí)鐘源。這消除了對外部時(shí)鐘的需求，從而減少了組件數(shù)量。并非所有 USB 外圍設(shè)備都包含此功能。

　　從圖 1 中，您還將看到有六個(gè)端點(diǎn)緩沖區(qū)?？捎镁彌_區(qū)的數(shù)量因?qū)崿F(xiàn)而異。對于簡單的應(yīng)用程序，少量緩沖器可能就足夠了，但可能需要多個(gè)緩沖器，這可能是因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)元素（例如，由 MCU 管理的多個(gè)不同傳感器），或者因?yàn)槎鄠€(gè)緩沖器將通過以下方式簡化軟件實(shí)現(xiàn)分離單個(gè)外設(shè)的不同應(yīng)用。

　　最后，USB 實(shí)現(xiàn)之間的一個(gè)共同差異領(lǐng)域涉及 DMA 的使用。通常，獨(dú)立于 CPU 管理端點(diǎn)緩沖區(qū)會(huì)更有效，這樣 CPU 可以執(zhí)行其他更復(fù)雜的任務(wù)，或者可以將其置于低功耗狀態(tài)，直到有足夠的數(shù)據(jù)可用于開始處理。MB9AF3 MCU 提供對 DMA 控制器的端點(diǎn)緩沖區(qū)的訪問，并提供多個(gè)中斷，可用于更輕松地管理緩沖區(qū)傳輸。當(dāng)電源效率對您的應(yīng)用至關(guān)重要時(shí)，請尋找這些功能。

　　端點(diǎn)控制

　　在選擇 USB 外圍設(shè)備時(shí)，您需要的端點(diǎn)數(shù)量可能是一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別。每個(gè)端點(diǎn)的靈活性也是您選擇的一個(gè)重要因素。例如，賽普拉斯PSoC CY8C24794有一個(gè)帶有五個(gè)端點(diǎn)的 USB 外設(shè)，每個(gè)端點(diǎn)都可以單獨(dú)分配以響應(yīng)中斷、批量或同步 IN 或 OUT 請求。圖 2 顯示了可以分配給每個(gè)端點(diǎn)的各種任務(wù)。這種選擇性水平避免了大量的處理器開銷，否則將需要這些開銷來確定任務(wù)的類型，然后將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到所需的例程。

　　圖 2：賽普拉斯PSoC CY8C24794的 USB 工作模式表。（由賽普拉斯提供）

　　賽普拉斯 USB 實(shí)現(xiàn)使用共享內(nèi)存來存儲(chǔ)端點(diǎn)數(shù)據(jù)，這可能會(huì)導(dǎo)致訪問瓶頸，但使用 PSoC 內(nèi)存仲裁器 （PMA） 會(huì)優(yōu)先處理處理器和 USB 外設(shè)之間的訪問。這保證了即使在 USB 流量以最大速率處理時(shí)，處理器也將提供連續(xù)的移動(dòng)指令流。

　　USB PMA 足夠靈活，因此在接收到下一個(gè) USB 數(shù)據(jù)包之前不需要處理端點(diǎn)數(shù)據(jù)。這可以通過簡單地更改通道的寫入位置或讀取位置寄存器值來完成。例如，當(dāng)接收到一個(gè)中斷表明已經(jīng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，而不是處理數(shù)據(jù)然后使端點(diǎn)接收更多數(shù)據(jù)，您可以簡單地將端點(diǎn)使用的 PMA 通道的寫入地址更改為空閑區(qū)域USB RAM 的。通過這樣做，您可以讓 USB SIE 在 M8C 處理先前接收的數(shù)據(jù)時(shí)接收更多數(shù)據(jù)。類似的方法可用于準(zhǔn)備要通過 IN 事務(wù)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　在比較端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)，請確保您不僅查看支持的端點(diǎn)數(shù)量，還查看 USB 外圍設(shè)備提供的靈活性和軟件支持量。這可以提高性能、降低功耗并簡化編碼。

　　隨身攜帶的 USB

　　USB 也已經(jīng)發(fā)展到可以輕松創(chuàng)建可以以主機(jī)或功能模式動(dòng)態(tài)連接的智能 USB 設(shè)備。這種“On the Go”功能可以將設(shè)備用作外圍設(shè)備（可能作為存儲(chǔ)設(shè)備），然后用作主機(jī)（可能控制記錄心率活動(dòng)的傳感器并為其供電）。此功能在各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中特別有用。例如，Microchip DSPIC33EP256 MCU 支持 USB 主機(jī)、設(shè)備和 On the Go 模式。在許多情況下，低功耗操作對于 On the Go 應(yīng)用程序很重要，因此了解 USB 外設(shè)可以使用哪些低功耗設(shè)施非常重要。

　　Microchip DSPIC33EP256 MCU 允許 USB 外設(shè)即使在某些低功耗模式下也能運(yùn)行。例如，當(dāng) CPU 處于空閑模式時(shí)，外設(shè)仍然可以運(yùn)行。在空閑模式下，CPU 時(shí)鐘被關(guān)閉，這大大降低了動(dòng)態(tài)功耗。當(dāng) CPU 空閑時(shí) USB 模塊可以繼續(xù)工作，一旦收到需要 CPU 干預(yù)的消息，就可以將 CPU 帶出空閑狀態(tài)。USB 外圍設(shè)備和 CPU 都可以進(jìn)入更低的功耗狀態(tài)，即睡眠，這樣可以節(jié)省更多的電量。每當(dāng) USB 總線上有總線活動(dòng)時(shí)，USB 活動(dòng)中斷可用于將設(shè)備從睡眠模式喚醒。

　　您可能需要 USB 外圍設(shè)備的另一項(xiàng)功能是高級測試功能。特別是，如果您是第一次使用 USB，有些人可能希望包含專門針對 USB 端口的板級測試功能。Microchip DSPIC33EP256 MCU 具有特殊的 USB 測試模式，可以在 USB 輸出上生成連續(xù)測試模式，這對于板級測試很有用。如圖 3 所示，此測試模式生成連續(xù)的 JK/JK 位序列來切換 USB 輸出，從而生成一個(gè)簡單的“眼圖”，通常用于測試信號(hào)完整性。

　　圖 3：Microchip DSPIC33EP256 MCU USB 測試模式。（由微芯片提供）

　　高端 MCU 中的 USB

　　USB 不僅存在于低端和中端 MCU 中，它也是高端設(shè)備的一個(gè)非常有用的接口。例如，德州儀器 F28M35H52C1RFPT是一款具有非常先進(jìn)的處理能力的雙核 MCU，它包括一個(gè)具有 On the Go 功能的 USB 外設(shè)。如 F28M35H52C1RFPT 的框圖（圖 4）所示，該圖左上角的 USB 外設(shè)通過從 AHB 總線矩陣訪問的 AHB 總線連接到 ARM Cortex-M3 CPU。

　　圖 4：德州儀器 F28M35x Concerto MCU 框圖。（德州儀器提供）

　　ARM Cortex-M3 CPU 充當(dāng)通道控制器，負(fù)責(zé)管理所有通信端口。當(dāng) USB 包含在高端設(shè)備中時(shí)，這是一項(xiàng)重要的功能，因此可以相對于所有其他競爭性通信端口正確地確定 USB 流量的優(yōu)先級。例如，USB 端口通常用于外部文件存儲(chǔ)，并且可能需要將數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)設(shè)置為非常高的優(yōu)先級，以便處理不會(huì)因缺少數(shù)據(jù)而停止。

　　結(jié)論

　　USB 實(shí)現(xiàn)有許多不同的方法，了解不同 MCU 系列提供的一些關(guān)鍵特性和差異化功能非常重要。當(dāng)您了解一些最常見和最重要的差異時(shí)，為您的下一個(gè) USB 應(yīng)用找到合適的選擇會(huì)容易得多。