USB 2.0 高速主機適配卡的設計
摘要：介紹一種新型的ＵＳＢ２．０高速主機適配卡的設計。通過主機ＰＣＩ總線接口，利用ＵＳＢ２．０主控制器，針對ＵＳＢ２．０高速數據傳輸帶來的ＥＭＩ／ＥＳＤ問題，進行了全面的考慮和設計。ＵＳＢ２．０高速主機適配卡性能完善、功能齊全，并已經通過ＥＭＣ國際認證。ＵＳＢ接口可提供雙向、實時的數據傳輸，具有即插即用、性能可靠、價格低廉等優點，目前已成為計算機和通信電子產品連接外圍設備的首選接口。由于高速ＵＳＢ集線器、高速ＵＳＢ功能部件的不斷涌現，如數字圖像器、掃描儀、視頻會議攝像機、大容量數字存儲設備等新型ＵＳＢ設備，在計算機和這些復雜的ＵＳＢ外設之間需要建立一個高速、高性能的數據傳輸。ＵＳＢ２．０正是為了滿足這種需求提出的，它的傳輸速率為４８０Ｍｂｐｓ。高速ＵＳＢ２．０與全速ＵＳＢ１．１和低速ＵＳＢ１．０完全兼容。雖然新式的計算機至少提供兩個ＵＳＢ端口，但多數都只能用于ＵＳＢ１．１和ＵＳＢ１．０的數據傳輸，不能支持ＵＳＢ２．０的數據傳輸。ＵＳＢ２．０高速主機適配卡，可直接插入計算機的擴充槽內，利用ＰＣＩ總線接口、可支持ＵＳＢ的操作系統，實現ＵＳＢ２．０的高速數據傳輸。
ＵＳＢ界面通過ＵＳＢ主控制器與計算機主機系統相連接。ＵＳＢ主控制器不但提供與主機的ＰＣＩ總線接口，同時也包含根集線器。
根集線器可提供一個或多個連接點用于ＵＳＢ設備的連接，從而使主機操作系統與ＵＳＢ設備之間可以彼此通信。ＵＳＢ２．０主控制器是設計ＵＳＢ２．０高速主機適配卡的主要芯片。目前世界上許多大公司如ＮＥＣ、ＰＨＩＬＩＰＳ、ＶＩＡ等都相繼推出ＵＳＢ２．０主控制器。本文采用ＮＥＣ公司生產的ＵＳＢ２．０主控制器 ｕＰＤ７２０１００，設計出新型ＵＳＢ２．０高速主機適配卡，測量結果良好，滿足ＵＳＢ２．０的設計規范，達到ＵＳＢ２．０設計要求，并已經通過ＥＭＣ國際認證。
１ ＵＳＢ２．０高速主機適配卡的設計
１．１ ＵＳＢ２．０主機系統與ＵＳＢ設備之間的工作流程
ＵＳＢ主機系統可分成客戶、ＵＳＢ系統、ＵＳＢ主控制器三層。ＵＳＢ設備也可分成功能部件、ＵＳＢ邏輯設備、ＵＳＢ總線接口三層，如圖１所示。
ＵＳＢ主控制器實際上是主機系統方面的ＵＳＢ總線接口，它主要處理電氣層和協議層之間的相互作用。ＵＳＢ系統包括主控制器驅動程序、ＵＳＢ驅動程序、主機軟件三部分，利用主控制器管理主機和ＵＳＢ設備之間的數據傳輸。客戶負責管理與ＵＳＢ設備直接作用的全部軟件。總之，整個ＵＳＢ主機系統可以提供以下功能：檢測ＵＳＢ設備的連接和斷開、管理主機與ＵＳＢ設備之間的標準控制流和數據流、收集狀態和事務的統計信息、控制主控制器與ＵＳＢ設備之間的電氣接口，如數據線有限功率的供給等。
圖１也表示出ＵＳＢ主機系統與ＵＳＢ設備之間存在功能層、ＵＳＢ設備層、ＵＳＢ總線接口層三個邏輯層。ＵＳＢ總線接口層代表ＵＳＢ主控制器與ＵＳＢ總線接口之間的傳輸關系，在主機與設備之間提供物理、信號、信息包的連接；ＵＳＢ設備層代表ＵＳＢ系統軟件和ＵＳＢ邏輯設備之間的傳輸關系，ＵＳＢ系統軟件可以執行許多關鍵的和一般的功能，用于給定設備的傳輸特性；功能層代表客戶軟件與功能部件之間的關系，通過相應的匹配客戶軟件提供給主機額外的功能。雖然在ＵＳＢ設備層和功能層內都有各自的邏輯通信，但是實際的數據傳輸必須通過ＵＳＢ總線接口層完成。ＵＳＢ總線接口層提供ＵＳＢ數據的底層傳輸，即ＵＳＢ數據的傳輸最終還是發生在ＵＳＢ數據線上。
１．２ ＵＳＢ ２．０高速主機適配卡的設計框圖
圖２為利用ＮＥＣ公司的ＵＳＢ２．０主控制器 ｕＰＤ７２０１００ 所設計的基本電路框圖。可以看出，ＵＳＢ２．０主控制器是一個核心芯片，可提供３２－ｂｉｔｓ ３３ＭＨｚ ＰＣＩ 總線接口，用于與主機ＰＣＩ總線接口的連接。它還包含兩個開放主控制器ＯＨＣＩ ＃１、ＯＨＣＩ ＃２和一個增強主控制器ＥＨＣＩ，支持５個用于連接外圍設備的下游端口。ＯＨＣＩ ＃１主控制器用于處理１、３、５三個端口全速和低速信號的傳輸，ＯＨＣＩ ＃２主控制器用于處理２、４兩個端口全速和低速信號的傳輸，ＥＨＣＩ主控制器用于處理１、２、３、４、５五個端口高速信號的傳輸。仲裁器（Ａｒｂｉｔｅｒ）用來選擇ＯＨＣＩ ＃１、ＯＨＣＩ ＃２主控制器和ＥＨＣＩ主控制器。根集線器完成主控制器內集線器的功能，控制主控制器和５個端口之間的連接。物理層（ＰＨＹ）包含高速、全速和低速的收發器等。
５Ｖ／３．３Ｖ的降壓調節器用于將ＰＣＩ總線提供的５Ｖ電源轉換成主控制器需要的３．３Ｖ直流電源；系統時鐘由３０ＭＨｚ晶振提供；電源控制開關提供短路和過流保護，而且每個下游端口都有各自的控制開關；串行ＥＥＰＲＯＭ用于存儲子系統標識符、子系統廠商標識符等相關信息。
ＵＳＢ２．０高速主機適配卡，通過主控制器和根集線器，使得主機操作系統與下游５個端口的ＵＳＢ設備或集線器之間實現同步通信，可以處理ＵＳＢ１．０、ＵＳＢ１．１、ＵＳＢ２．０三種傳輸速率。它支持熱插拔、總線供電，每個端口最大可有５００ｍＡ電流。連接ＵＳＢ２．０設備或集線器的ＵＳＢ電纜的最大長度為５ｍ，設備連接采用不超過７層的星形拓撲結構，可連接多達１２７個ＵＳＢ設備或集線器。
１．３ ＵＳＢ ２．０高速主機適配卡的設計要點
由于ＵＳＢ２．０高速的傳輸速率，如何提高ＵＳＢ２．０信號的傳輸質量，減小電磁干擾（ＥＭＩ）和靜電放電（ＥＳＤ）成為設計的關鍵。本文從電路設計和ＰＣＢ 設計兩個方面進行分析。
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