AT89C51单片机嵌入式主机级USB系统硬件设计+电路图(3)

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2. 1 USB系统的组成

PC上USB同其他PC组件一样，包括两大部分，即硬件与软件。硬件主要完成物理上的接口和实体功能，主要指USB主控制器与根HUB；软件负责管理硬件，完成数据流的传输，包括USB系统软件与用户软件[5]。

USB主控制器和根HUB是PC上的硬件，一般要USB主控制芯片、USBHUB控制芯片、USB端口连接及控制外围电路等组成。USB主控制芯片提供USB的收发物理层，实现USB电缆上差模信号与数字信号的转换，提供端点的物理存储机制，并且能根据USB的传输机制自动管理各个端点的存储与数据交换。

根HUB是USB的第一级HUB，提供USB的物理接口。一般USB主控制芯片都集成有根HUB，提供D+与D-两根引脚作为端口连接点，可以构成一个下行连接点，连接一个USB设备或HUB。HUB要完成的功能包括：通过检测USB信号线上的电平变化来管理并检测设备的连接与断开，并通知给主机；提供并管理设备的电源；传输主机与设备之间的数据；检测总线的错误并进行某些恢复。

USB系统软件主要由USB核心驱动程序和USB主控制器驱动程序组成。USB核心驱动程序是整个软件的核心部分，也起到了一个中间桥梁的作用，它解释USB设备类驱动程序发来的命令并将其划分为一系列的USB事务，然后发送给USB主控制器驱动程序，后者负责最底层的驱动任务，负责将串行数据发送到电缆上[6]。

2. 2 USB电气特性

USB的电气特性包含了很多内容，有差模信号的传输标准语编码、信号抖动的规定、电源管理等[7]。文献综述

USB的供电模式有两种，自供电和总线供电，区别在于自供电设备在工作时的功率不受USB协议的限制，但是增加了设备体积和成本。总线供电模式下，总线可以提供最大500mA的电流，但是只能为一个下行端口提供100mA的电流，可以看出，一般最多只能有5个下行端口，设计时最好不要超过4个；自供电模式下，设备同样能够得到总线的这些电流配置，同时又能得到其独立电源的供电，不受协议功率的限制。

USB的供电状态也有两种，正常状态与挂起状态。如果总线处于空闲状态，即总线供电设备在3ms内没有总线操作，设备就需要自动进入挂起状态。这时总线供电设备的电流功耗不超过280μA，是实现USB的低功耗的一个重要方面。在设备进入挂起状态后，可以通过唤醒操作来恢复到正常的工作状态。

主机系统能够自动检测到设备的接入并能自动配置该设备，也能够自动检测到设备的拔出，即USB的即插即用技术。USB主要通过信号线上的一些处理来实现这一技术，具体就是在D+于D-传输线上设置下拉电阻与上拉电源（包括上拉分压电阻），实现一根传输线在接通前后电平有0到接通电压的转换，形成一个电压脉冲，提供给系统检测[8]。

主机对设备的控制都依赖于这些电位变化，这些电位变化对系统是否能够实现预计的功能是很重要的。在设计USB系统时，要注意各个芯片之间的电位变化是否匹配，要对无法响应的电位变化及时作出调整，使系统能够正常运行。

2. 3 USB数据通信结构

底层数据通信结构是USB协议中最复杂的内容，包括了最基本的数据传输单元、数据传输类型、数据传输机制及数据交换流程等。“包”是USB最基本的数据单元，每一个包，基本上包含了一个完整的USB信息；以包为基础，USB定义了4种数据的传输类型：控制传输，中断传输，批量传输以及同步传输。USB数据是以串行二进制数传输的，USB总线上首先发送二进制数的最低有效位（LSB），最后发送的是最高有效位（MSB）。源.自/751·论\文'网·www.751com.cn/