Микросхемы, предназначенные для подключения периферийных устройств к интерфейсу USB2.

Введение

В современном мире расчет количество устройств, которые подключаются к персональному компьютеру. До недавнего времени практически каждый тип устройств имел свой собственный интерфейс для взаимодействия с ПК. Это связано с историей развития вычислительной техники, поскольку каждое новое и современное на тот момент устройство требовало и свой собственный интерфейс. Кроме того, на обилие интерфейсов влияли и следующие факторы:
Каждое из новых устройств требовало аппаратного прерывания
Практически каждое устройство требовало наличие блока питания
Различные устройства имели свой собственный протокол обмена данными, что требовало наличие разных драйверов
Все эти факторы не могли привести разработчиков к необходимости разработать универсальный интерфейс для подключения к персональному компьютеру. В 1996 году интерфейс был разработан и получил название «универсальная последовательная шина» или «Universal Serial Bus (USB)». Разработчики создавали интерфейс, который сможет легко расширять периферию ПК, поддерживать голосовые и аудиопотоки, передавать данные с высокой скоростью, может быть совместим как с существующими, так и будущими решениями.
Последовательные шины позволяют подключать и объединять устройства используя 1-2 пары проводов. Универсальная последовательная шина ориентирована на работу с периферийными устройствами. Шина позволяет подключать и отключать устройства без необходимости выключения компьютера, а современные версии шины позволяют передавать как и аудио, так и видео. Шина USB входит в состав всех современных чипсетов. Кроме того, USB OTG шина позволяет подключать периферийные устройства к смартфонам, планшетам и другим мобильным устройствам.

1. История развития универсальной последовательной шины

Как было сказано выше, шина USB появилась в 1996 году, когда была опубликована спецификация 1.1. Большинство компьютеров поддерживают этот протокол по умолчанию. Впервые, поддержка USB появилась в Windows 95, но она не входила в стандартную поставку, а поставлялась в виде патча. Первой системой, которая поддерживала шину с самого начала стала Windows 98. В начале 2000-ых годов все компьютеры массового сегмента начали поддерживать USB. USB 1.1 работал в двух режимах. Режим с низко пропускной способностью позволял обеспечить максимальную скорость передачи данных до 1.5 Мбит/с, в то время как режим с высокой пропускной способностью позволял передавать данные со скоростью до 12 Мбит/с. Можно было подключать до 127 различных устройств, причем скорость передачи данных у них была разная. Максимальное напряжение питания. – 5В, максимальный ток 500мА.
Версия USB 2.0 появилась в апреле 2000 года и отличалась от первой версии появлением нового режима работы «Hi-speed». Режим позволял передавать данные со скорость до 480Мбит/с.
В 2008 году появилась версия USB 3.0. Скорость передачи данных выросла до 5Гбит/c. Кроме того, максимальная сила тока равна 900мА. С помощью одного порта USB 3.0 можно питать множество различных устройств из-за того, что отпадает необходимость использовать внешний блок питания.
В 2013 году был принят стандарт USB 3.1, который повысил пропускную способность интерфейса до 10Гб/c. Кроме того, появился новый разъем USB Type-C, позволяющий пользователю вставлять кабель любой стороной.
В середине 2019 года ожидается принятие нового протокола USB 4.

3. Общая архитектура интерфейса

Основой USB – интерфейса является хост. В целом, хостом является персональный компьютер, обеспечивающий взаимодействие между хост-системой и USB -периферией. Хост компьютер содержит как аппаратную, так и программную часть. Аппаратная часть отслеживает подключение и отключение устройств к шине, отслеживает статус устройства и собирает статистику о функционировании, обеспечивает питание подключенного устройства, обеспечивает передачу данных между хостом и устройством и проверяет правильность передачи пакетов данных. Программная часть обеспечивает адреса подключения устройств, их конфигурацию, загрузку необходимых драйверов, обеспечивает правильное потребление мощности.
На аппаратном уровне в любом персональном компьютере находится хост-контроллер, расположенный на материнской плате Хост контроллер представляет из себя микросхему и обеспечивает передачу данных между хост-компьютером и подключенным устройством. Хост-компьютером может содержать как один, так и несколько таких контроллеров различной версии.
Поскольку шина управляется хост-контроллером, то все данные и их передача контролируется этим контроллером

. Все устройства, подключенные к шине, являются ведомыми (slave) и выполняют команды хост-контроллера. Поскольку один хост-контроллер контролирует шину, то два устройства, подключенные к USB, не могут взаимодействовать между собой напрямую, минуя контроллер. Исключение составляет USB-OTG, где два устройства могут обмениваться данными между собой напрямую, но и в этом случае одно из устройств играет роль хоста, а другое ведомого. Но они могут меняться ролями между собой во время обмена данными.
Кроме того, два хоста не могут взаимодействовать между собой напрямую, если они оба являются ведущими (master) шины.

4. Микросхемы USB-хост

Хост обнаруживает подключение и отключение устройств, управляет передачей данных, обеспечивает устройство питанием. Микросхем USB – хост достаточно большое количество, остановимся на нескольких из них. Большинство микросхем типа HOST могут работать и в режиме Slave.

4.1 Микроконтроллер Atmel Atmega AT90USB64/128

Микроконтроллер предназначен для создания USB подключения. В нем реализована поддержка полноскоростного и низкоскоростного режимов, режима ping-pong. Присутствует 832 байта двухпортового ОЗУ. Структурная схема микроконтроллера показана на рисунке 1.


Рис. 1 Структурная схема микроконтроллера AT90USB64/128
Микроконтроллер обеспечивает работу следующим образом. Происходит синхронизация частоты USB-контроллера для работы в высокоскоростном режиме. Рабочая частота задается внутренним блоком PLL и равняется 48МГц. Блок генерирует частоту путем преобразования низкочастотного сигнала. Источником такого сигнала может служить кварцевый генератор или сигнал на входе внешней синхронизации XTAL1. Сигнал 48 МГц используется для генерации сигнала битовой синхронизации, частота которого равна 12 МГц в высокоскоростном режиме или 1.5 МГц в низкоскоростном режиме. За поддержание и восстановление синхронизации отвечает блок цифровой фазовой подстройки частоты DPLL. Для обеспечения электрических режимов шины выводы D+ и D- должны иметь высокие уровни напряжений в пределах 3…3.6В. В микроконтроллере для этих целей применяется стабилизатор напряжения.
На рисунке 2 показана типовая схема включения в режиме HOST/OTG.


Рис. 2 Типовая схема включения в режиме HOST/OTG
Производителем даются следующие рекомендации по схемотехническому проектированию и включению микроконтроллера. Для согласования линий связи необходимо применять резисторы с номиналом 22Ом, допуск 5%. Для обеспечения быстродействия и обеспечения требований ЭМС проводники печатных плат от разъема USB до контактных площадок микроконтроллера должны быть как можно более короткими, длинна проводников должна быть одинакова и не иметь переходных отверстий. Для предотвращения повреждения микроконтроллера внешними воздействующими факторами, необходимо устанавливать защиту от перенапряжений, связанных с контактными площадками USB.
При включении микроконтроллера или при аппаратном сбросе микроконтроллер может работать в режиме Device и HOST. Для выбора режима подается соответствующий сигнал на вывод ID. Если на этом выходе низкий уровень, то микроконтроллер работает в режиме HOST, если высокий, то в режиме Device. Микроконтроллер поддерживает аппаратный выбор режима.
На рисунке 3 показана схема обнаружения подключения в режиме HOST.


Рис.3 Схема обнаружения подключения


Подключение обнаруживается путем проверки сигнала на шине VBUS. Для этого необходимо проверить значение сигналов Session valid и Vbus valid. Высокий уровень сигнала Session Valid формируется тогда, когда напряжение на VBUS больше или равно 1.4В. Высокий уровень Vbus Valid формируется тогда, когда напряжение на VBUS больше или равно 4.4 В. Статус VBUS будет равен единице, если VBUS больше Vbus Valid и наоборот.

4.2 Микроконтроллер FTDI FT313H

Микроконтроллер FTDI FT313H является высокоскоростным хост-контроллером, полностью соответствующим спецификации версии 2.0 и поддерживает передачу данных на скоростях вплоть до 480Мбит/c. Его структурная схема показана на рис. 4

Рис.4 Структурная схема микроконтроллера FT313H

На рисунке 5 показана типовая схема включения микроконтроллера .

Рис. 5 Типовая схема включения

В типовой схеме включения применяется внешний кварцевый генератор для обеспечения необходимой тактовой частоты и внешний стабилизатор напряжения для обеспечения защиты портов.


5