摘要：介绍USB2.0协议以及Cypress公司推出的USB2.0控制器CY7C68013。USB2.0协议提供480Mb/s的传输速度，向下完全兼容流行的USB1.1协议。CY7C68013是 USB2.0的完整解决方案。该芯片包括带8.5KB片上RAM的高速8051单片机、4KB FIFO存储器以及通用可编程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和USB2.0收发器，无需外加芯片即可完成高速USB传输，性价比较高。

    关键词：USB2.0 高速模式 端点

1 USB2.0的主要特点

USB协议的2.0版本于2000年4月推出。支持以下3种速度模式：

低速模式（low speed） 1.5Mb/s；

全速模式（full speed） 12Mb/s

高速模式（high speed） 480Mb/s

USB2.0协议支持现存的所有USB设备，既可以把USB1.1设备插入USB1.1的PC机接口，并且在电气上兼容USB1.1的连接线。
 

    1.1 数据包

USB传输的数据包的类型用称之为Packet Ids（PIDs）的特定代码来定义。USB包中共有4种PID类型，如表1所列。

表1 USB2.0的数据包类型
PID类型 PID名称 令牌
IN，OUT，SOF，SETUP 数据 DATA0，DATA1，DATA2，MDATA 握手 ACK，NAK，STALL，NYET 特殊类型 PRE，ERR，SPLIT，PIN

注：黑体字表示USB2.0增加的PID类型。

在全速模式时，每个OUT传输发送OUT数据包，不考虑外设是否处于“忙”状态而不能接收数据。针对这种浪费带宽的情况，在高速模式时推荐使用新的PID类型“PING”。主机先对OUT端点发出个较短的“PING”令牌，访问当前外设是否有数据文凭间来存放OUT的数据包。仅仅当外部设备回答“ACK”时，主机才发送较长OUT数据包。

SETUP邻牌只用于控制传输。它数据包中的前8个字节。通过这8个字节，外设对主机的设备请求进行译码。

SOF令牌代表一个USB帧的开始。

ACK（Acknowlegde）表示成功，数据接收无误。

NAK（Negavite Acknowlegde）表示忙，得发。这并不是出错，USB外设没有应答表示出错。

STALL表示未知错误，外设未能理解主机发出的设备请求，可能是外设端出错，或是主机访问并存在的资源。USB协议提供了从stall状态恢复的方法。
 

    NYET（Not Yet）类似于ACK，表示数据接收无误，并且指出外设还没准备好接收下一个OUT数据包。NYET PID只用于在高速模式。

其它PID详见参考文献[1]。

1.2 帧结构

USB主机每毫秒向所有的USB设备发送1上SOF包（Start of Frame），以此来提供时间基准。SOF包括1个自增的11位帧序号。FX2随时可以从寄存器中读出这个范围在[0～2047]的帧序号。

地高速模式下（480Mb/s），每个1ms长的帧被分成了8个125μs长的微帧。每个微帧也都由一个SOF包开始。帧序号还是每个毫秒自增1次，所以这8个微帧都含有相同的帧序号。为了区别每个微帧FX2提供1个只读的微帧计数器，并且FX2能在收到SOF包时产生1个中断请求，即在全速模式下1ms/次，高速模式下125μs/次。

1.3 传输类型

为了适用480 Mb/s的高速数据传输，USB.0协议扩大了各种传输类型数据包长度，与USB1.1的对照如表2所列。

表2 USB2.0与USB1.1数据包长度的对照
传输类型 数据包度/B USB1.1 USB2.0 控制传输
8，16，32，64 64 块传输
8，16，32，64 512 中断传输
1～64 1024 同步传输 1023 1024

1.4 高速模式和全速模式的检测

USB2.0规范要求高速设备必须能在全速模式下枚举。每个高速设备都在全速模式下开始枚举过程。当与主机达成“Chirp”协议后设备再切换到高速工作模式下。详细内容见参考文献[1]第7章。FX2能自动检测高速主机，并切换到高速模式下。

1.5 传输性能分析

以USB硬盘为例分析USB2.0的高速传输性能。图1为USB2.0与硬盘接口的带宽分析。

每分转速7200带有2MB缓存的ATA100硬盘，接口数据传输速率可达100MB/s，可持续的有效传输速率只有39MB/s。

USB2.0在每个上微帧中最大可传输13个块传输包，而每个微帧长固定为125μs，所以其最大传输速率为：512×13×8×1000=53MB/s。