USB接口类单片机特点及应用

USB接口类单片机特点及应用
USB接口已经在无线接入设备、电子商务、安全钥、PDA及计算机便携式外设上有了广泛的应用。本次‘Freescale杯’设计竞赛推荐的有两款单片机带有USB接口，它们是支持高速、全速USB传输的MC9S12UF32和支持低速USB传输的MC68HC908JB8/16。

MC9S12UF32单片机
MC9S12UF32是16位单片机中低价位、高性能HCS12家族中的一员。由S12内核（Star Core CPU），加其它标准的片上模块组成，包括32K字节FLASH EEPROM，3.5K字节RAM，1.5K队列QRAM，高速USB2.0（480Mb/S）接口，给USB批量数据传输使用的集成队列控制器(IQUE)，ATA5接口（PCI总线接口），U盘类FLASH接口（Compact FLASH），SD/MMC接口，智能多媒体接口，记忆棒接口，一个16位8通道定时器，串行通讯接口，73个独立的数字I/O通道和2个输入通道。系统集成模块(SIM)负责管理系统资源的映射，时钟产生，中断控制和总线接口。MC9S12UF32系统总线为16位宽。外部总线可以在8位窄模式下工作，这使得在低成本系统中可以使用单个8位宽存储器。特别地，IQUE模块控制了一条专门的内部总线，这条总线使得从存储接口到USB模块可以保持每秒60M字节的传输率。
可以说这款单片机是专门为高速USB存储设备接口设计的。使用这款芯片的主要模块是集成队列控制器(IQUE)、USB2.0接口和众多存储控制器接口(如ATA5)中的一个或多个。CPU本身起到了对系统的配置和控制作用，真正的数据传输通过IQUE作为中介完成，不需要CPU的干预，这是利用这款芯片进行产品设计时的思路。
集成队列模块IQUE由三个主要部分组成：QUE控制器、QUE集成模块(QIM)和1.5K字节，宽度可定义为16位的静态队列RAM(QRAM)。QUE控制器有四个通道，它们可以在单个IQUE时钟周期内移动一个字节或者一个16位字。QIM内部的复用和控制逻辑允许QRAM在QUE控制器和CPU之间共享。模块有三个总线接口：外设（IP）总线接口，IP 先进先出缓冲接口（FIFO）和S12的CPU接口(EEPROM总线)。
集成队列模块IQUE可以在不需CPU干预的情况下进行自动数据块传输，并且由于队列数据传输发生在CPU不使用QRAM的时间段内，因此不需要偷取CPU总线周期。一个快速通道专门供高数据速率的外围设备使用。即使CPU在使用QRAM，该通道也能保证数据传输的带宽。不同于DMA控制器，IQUE是专门面向高速数据传输的单片机设计的，传输队列的一端是单片机内的外围设备，另一端是QRAM。这种设计大大减少了地址指针，计数器和其它控制逻辑的数目，降低了系统设计的复杂程度。
在数据队列的自动传输过程中，数据以FIFO的方式写入或传出QRAM。CPU可以通过对QUE控制器寄存器的操作实现对QRAM的写入或者读出，这些寄存器作为FIFO数据端口工作。特别地，CPU可以用普通的读或写方式对QRAM进行随机访问。当从FIFO数据端口访问QRAM中的信息时，指针会自动更新，此时QRAM缓冲区以环形或线性FIFO方式工作。FIFO的起始指针和末尾指针也可以直接修改。
QUE控制器中的四个队列通道可以以接收队列或者发送队列方式工作。转移方式只是把一个接收通道和发送通道联系到同一块QRAM FIFO缓冲区上，这样数据就可以在没有CPU的干预下自动从一个外设传送到另一个外设。当某一个队列通道关闭时，与该通道相联系的FIFO缓冲区可以作为软件缓冲区使用。
USB2.0模块依靠片上USB设备控制器(UDC20)和USB物理层接口(UPHY)，支持USB全速和高速协议。USB2.0模块的示意框图如图1所示：

图1：USB2.0模块方块图

UDC20模块通过IP总线处在S12内核的编程控制中。有6个独立的端点，它们可以配置为控制，中断，批量或者同步传输的IN/OUT端点。两个64字节的端点缓冲区分配给了物理端点1，该端点默认为控制端点。另外三个64字节缓冲区分配给了物理端点2，3和6。
对于物理端点4和5，端点缓冲区位于模块之外。端点数据通过IP FIFO总线保存在上述的IQUE模块中，这种结构使得实现片内其它模块与USB2.0模块之间持续的数据传输变得很容易。
配合上述的IQUE模块和USB2.0模块，再加上存储设备接口，如ATA5主机控制器，就可以实现从USB接口到存储器接口的高速数据通道，例如实现USB2.0移动硬盘盒控制等。其中IQUE模块起到了桥梁的作用。
MC9S12UF32单片机有100和64两种封装形式，采用4.25V~5.5V供电，经片内电压调整器产生2.5V供给CPU，3.3V供片内I/O模块使用。

MC68HC908JB8/16单片机
MC68HC908JB8/16是8位单片机MC68HC08家族中一款低价位、高性能的单片机，其主要特点是内嵌了低速USB模块，支持1.5Mbps的传输速率。MC68HC908JB16与MC68HC908JB8功能基本相同，主要区别在于最高总线频率、RAM和FLASH空间大小等。MC68HC908JB8单片机内部包含了许多功能模块，这里只介绍其USB模块的相关功能特性。其他的特性读者可以参看相关的威廉希尔官方网站 手册。已有几本中文书对其进行了详尽的描述，如清华大学出版社出版的《Motorola 微控制器MC68HC08原理及其嵌入式应用》、《Motorola 68HC08微控制器与嵌入式系统基础》，复旦大学出版社的《M68HC08系列单片机原理与应用》等。
USB模块管理着USB主机与MC68HC908JB8之间的数据通信。其结构如图2所示：

 
图2  MC68HC908JB8的USB模块结构

可以看出，其USB模块由3部分组成，即USB控制逻辑、USB收发器和USB寄存器。各部分的功能特性如下：
USB收发器（USB Transceiver），支持USB的低速（Low Speed）模式，因此简称为LS收发器。它提供了USB的D+和D－信号线的物理接口，由输出驱动电路和输入接收器2部分组成。这部分就是实现USB物理层的特性，包括USB电气特性，如差模信号的实现。LS收发器像一个打包了的黑匣子一样，与控制逻辑一端交换的是串行信号，而与USB总线通讯的则是USB差模信号。
USB控制逻辑（USB Control Logic），是整个USB模块的核心，负责管理CPU和USB收发器之间的数据交换。USB寄存器（USB Register），包括中断寄存器、控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器。它是用户编程、控制USB以及进行数据交换的最直接的载体。合理、有效地利用寄存器是编写好的应用程序的关键。
USB键盘之类低速USB-HID设备是MC68HC908JB8芯片很贴身的应用，键盘扫描电路与单片机I/O引脚相连，按键信息通过键盘行列扫描进入单片机，再通过USB接口被主机获取。同时，按键状态可以通过单片机其余的I/O引脚用LED显示，这样就可以很方便的实现USB键盘设计。
68HC908JB8有20、28、44引脚的封装形式而68HC908JB16有20、28、32引脚的封装形式，68HC908JB8有256字节的RAM，8K字节片内FLASH，除传统的定时器、键盘中断、串行口、13路A/D等I/O设备外，还集成了通讯速率为1.5Mbps的低速USB模块。HC908JB16为384字节的片内RAM，16K字节的FLASH。