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1、摘 要I摘 要USB集线器作为USB总线拓扑结构中的连接部分已经起到了非常重要的作用，它为USB系统提供额外的连接点，而USB集线器芯片负责将一个USB上行端口转化为多个下行端口，它是构成USB集线器的必需部件。本论文首先介绍 USB 的基础知识、产生与发展、总线结构、传输方式及电气特性等等这部分内容对 USB 做出了总体的概述，接下来主要介绍了关于 USB 集线器的主要结构及其功能特性，最后介绍了 USB 集线器的设计流程，并给出了以 Genesys Logic公司的 GL650USB 芯片为控制器的 USB 集线器的设计实例。关键词：USB 集线器；总线拓扑结构；集线器设计；GL650US
2、B 芯片ABSTRACTIIABSTRACTUSB hubs as USB bus configuration of the link has played a very important role, which provide additional USB system connecting point, and USB hubs will be a chip for USB uplink port into multiple downlink ports, which constitute the essential components of USB hubs. This paper
3、first introduced USB based knowledge, generate and development, bus structure, the means of transmission and electrical properties, etc. This part of a general overview of a USB, introduced the next major USB hubs on the main structure and its functional features, and finally introduced USB hubs des
4、ign flow and give a company Genesys Logic GL650USB chip for the USB hub controller design examples.KEYWORDS: USB hubs；USB bus configuration；USB hubs design；GL650USB chip咔嚓大学 2008 届本科生毕业论文 1 基于 USB 的 Hub 设计1 绪论1.1课题背景1.1.1 USB 基础知识USB，全称是 Universal Serial Bus（通用串行总线），它是在 1994 年由IBM、Intel、Microsoft、NE
5、C、Compaq、DEC、Northern Telecom 七家公司共同开发的一种新的外设连接技术。这一技术将最终解决对串行设备和并行设备如何与计算机相连的争论，大大简化了计算机与外设的连接过程。1995 年，通用串行总线，由通用中行总线应用论坛(USDIF)进行了标准化。目前已经有许多中行端口和串行总线技术应用于主机和外设之间的通信，但它们都有其特定的目的和缺点。而该组织的目标就是发展一种兼容低速和高速的技术，从而可以为广大用户提供一种可共享的、可扩充的、使用方便的串行总线，将串行通信技术推向 21 世纪。该总线应独立于主计算机系统，并在整个计算机系统结构中保持一致。为了实现上述的目标，US
6、BIF 发布了一种称为通用串行总线的中行技术规范 Universal Serial Bus，简称为 USB。但是直到1999 年，USB 才真正被广泛应用。自 1994 年 11 月发表了 USB V0.7 以后，USB 接口经历了十年的发展，现在 USB 已经发展到了 2.0 版本。我们知道，电脑上的每个设备都有一个接口，用来与其它部件连接。但是由于主板上所能提供的外部接口比较少，一般含有 1 个并行接口和 2 个串行接口，所能连接的设备十分有限，而且在进行拔插设备的时候需要关机（带电拔插会造成烧毁设备的严重后果），传输速度也很慢，在要求高传输率的场合根本无法满足要求。而 USB 接口却很好
7、地解决了以上所有问题，采用 USB 接口的设备都支持热拔插（带电拔插），使微软的“即插即用（Plug and Play，PnP）”得以真正实现，用户在开机状态时即可将设备连接到电脑主机上，免除了漫长的重新启动过程。USB 接口所能连接的设备多达 127 个，而且可以同时使用。这几年，随着大量支持 USB 的个人电脑的普及，USB 逐步成为 PC 机的标准接口已经是大势所趋。在主机(host)端，最新推出的 PC 机几乎 100%支持 USB；而在外设(device)端，使用 USB 接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、键盘、鼠标等。1.1.2 US
8、B 的产生及发展表 1.1 给出了 USB 发展历程中的几种主要的版本。咔嚓大学 2008 届本科生毕业论文 2 标准说明传输速度发布日期USB1.0早期 USB 版本，主要应用在鼠标， 键盘等 HID 设备1.5Mbps 低速1996-1-15USB1.1现在市场上大多数 USB 设备都采 用 1.1 标准，应用领域非常广泛12Mbps 全速1998-9-23USB2.0现在主要应用高速数据采集场合， 图像传输。正在进一步普及480Mbps 高速2000-4-27USB2.0 OTG作为 USB2.0 协议的补充，主要应 用在点对点通信480Mbps2001-12-18表 1.1 USB 主
9、要协议版本说明：USB OTG 作为 USB2.0 协议的补充，但并不意味着 OTG 芯片都支持高速传输，并且 USB OTG 的主要应用是在全速方式和低速方式下。1.1.3 USB 总线拓扑结构USB 的拓扑是树形结构，有 1 个 USB 根集线器（root hub） ，下面还可有若干集线器。1 个集线器下面可接若干个 USB 接口。 在任何 USB 系统中，只有一个主机。USB 和主机系统的接口称作主机控制器，主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的，用以提供更多的连接点。USB 线缆包括 4 条线：Vbus(USB 电源)、D+（数据） 、D-（数据）和 Gnd
10、(USB 地)。线缆最大长度不超过 5m。USB1.1 的传输速率最高为 12Mb/s（低速外设的标准速率为1.5Mb/s，高速外设的标准速率为 12Mb/s） 。下图 1.2 是典型的 USB 功能器件结构框图：图 1.2 USB 功能器件结构框图USB 设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点：1)可以热插拔 2)系统总线供电，低功率设备无需外接电源，采用低功耗设备，并可提供 5V/500mA 电USB 接口D+ D-SIE ( 串行 接口 引擎)PLL传感器EPROMDSP（数字信 号处理器）晶体咔嚓大学 2008 届本科生毕业论文 3 源。3)支持设备众多，支持多种设备类，例如鼠标，键
11、盘，打印机等。4)扩展容易，最多可连接 127 个外设。5)高速数据传输，USB1.1 是 12Mb/s，USB2.0 高达 480Mb/S。6)方便的设备互连，USB OTG 支持点对点通信，例如数码相机和打印机直接互连，无需PC。1.1.4 USB 传输方式及电气特性1、传输方式：针对设备对系统资源需求的不同，在 USB 规范中规定了四种不同的数据传输方式：1)批（Bulk）传输方式：主要应用在数据大量传送和接受，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输正确无误的数据。通常打印机、扫描仪 和数字相机以这种方式与主机联接。这种类型的设备适合于传输非常慢和大量被延迟的传输，可以等到所
12、有其它类型的数据的传送完成之后再传送和接收数据。2)同步传输方式(Isochroous)：该方式用来连接需要连续传输的数据，如麦克风、喇叭和电话等。同步传输方式以固定的传输速率，连续不断地在主机与 USB 设备之间传输数据，在传送数据发生错误时，USB 并不处理这些错误，而是继续传送新的数据。同步传输提供了确定的带宽和间隔时间(latency)。它被用于时间严格并具有较强容错性的数据传输，或者用于要求恒定的数据传送率的即时应用中。例如执行即时通话的网络电话应用时，使用同步传输模式是很好的选择。同步数据要求确定的带宽值和确定的最大传送次数。对于同步传送来说，对数据的正确性要求不高而对时间则极为敏
13、感的外部设备来说很重要，因为即时的数据传递比完美的精度和数据的完整性更重要一些。3)中断传输方式（Interrupt）：该方式传送的数据量很小，但这些数据需要及时处理，以达到实时效果。主要用于定时查询设备是否有中断数据要传送。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从 1 到 255ms 之间。这种传输方式典型的应用在少量的分散的、不可预测数据的传输。键盘、操纵杆和鼠标等设备就属于这一类型。中断方式传送是单向的并且对于 host 来说只有输入的方式。4)控制传输方式（Control）：该方式用来处理主机到 USB 设备的数据传输。包括设备控制指令、设备状态查询及确认命令。当 USB 设备收到
14、这些数据和命令后，将依据先进先出的原则处理到达的数据。控制传送是双向传送，通常数据量比较小。USB 系统软件用来主要进行查询、配置和给 USB 设备发送通用的命令。控制传送方式可以包括 8、16、32 和 64 字节的数据，这依赖于设备和传输速度。控制传输典型地用在主计算机和 USB 外设之间的端点(Endpoint)0 之间的传输，但是指定供应商的控制传输可能用到其它的端点。2、电气特性咔嚓大学 2008 届本科生毕业论文 4 USB 的电缆有四根线,两根传送的是 5V 的电源,定义如表 1.3，有一些直接和电源HUB 相连的设备可以直接利用它来供电。另外的两根是差分信号的数据线 D 、D
15、。数据线是单工的,在整个的一个系统中的数据速率是一定的,要么是高速,要么是低速,没有一个可以中间变速的设备来实现数据流的变速。 USB 的总线可以在不使用的时候被挂起,这样一来就可以节约能源。 在有些时候的总线还有可能延迟(stall),比如说在数据传送的时候突然被打断，这个时候通过 host 的重新配置可以实现总线的重新工作。引脚定义描述1VCC+5 VDC2D-Data -3D+Data +4GNDGround表 1.3USB 接口定义1.1.5 USB2.0 由于 USB 1.1 所规定的最大传输速率只有 12Mbps，所以康柏、惠普、Intel、微软、NEC 以及飞利浦等几个公司又联合
16、制订了 USB 2.0 规范。USB 2.0 将传输速率提升至480Mbps，足以满足大多数外设的速率要求。而且 USB 2.0 可以向下兼容，所有支持USB 1.1 的设备都可以直接在 USB 2.0 的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且如USB 线、插头等附件也都可以直接使用。但是反之，USB 2.0 的设备则不可能在 USB 1.1 上正常工作，除非厂商在设计之初就将其设计为 USB 1.1 和 2.0 通用。1.2USB 集线器的基本知识及发展1.2.1 USB 简述在即插即用的 USB 的结构体系中，集线器是一种重要设备。如图 1.4 所示的图 1.4 典型集线器示意图一种典型的集线器。从用户的观点出发，集线器极大简化了 USB 的互连复杂性，而且以很低的价格和高易用性提供了设备的健壮性。 咔嚓大学 2008 届本科生毕业论文 5 集线器是串接在 USB 总线系统上的，可让不同性质的设备连接在 USB 上，连接点称作端口。每个集线器将一个连接点转化成许多的连接点。并且该体系结构支持多个集线器的连接。每个集线器的上游端口向
