幾乎每個現代 MCU 系列都有一個 USB 外設。由于 USB 是一種標準，您可能會認為所有 USB 實現都是相同的。如果是這樣，您會對滿足標準的各種實現感到驚訝，而且還提供額外的功能和特性，這些功能和特性可能會使特定的 MCU 非常適合您的下一個設計。本文將介紹流行的 MCU 系列中的一些差異化 USB 功能。一旦您了解了一些關鍵差異，您就可以更好地尋找能夠為您的下一個設計提供完美契合的實施方案。

　　USB 基礎知識

　　通用串行總線或 USB 因其簡單的物理層接口、靈活性和易于集成（無論在硬件和軟件級別）而越來越受歡迎。標準化和集成的連接器可以輕松地將 MCU 連接到 USB 電纜和通用驅動程序和應用程序接口或 API，從而可以輕松訪問通過 USB 連接傳輸和接收信息包所需的數據和控制元素?，F成的參考設計、評估板和代碼示例進一步簡化了基于 MCU 的實施。最近推出的數據信號傳輸速率高達 10 Gbit/s 的 USB 3.1 標準表明該標準在不斷發展，并且可能會存在很多很多年。

　　USB 使用非對稱拓撲，由位于連接“金字塔”頂部的主機組成，管理整個網絡。下游 USB 端口（通常稱為設備或功能）都直接或通過可以擴展星型拓撲網絡的中間集線器連接到主機。一個主機可能有多個主機控制器，每個控制器最多可管理 127 個端口。USB 通信使用連接主機控制器和設備端點的管道或邏輯通道。一個 USB 設備最多可以有 32 個端點（16 輸入和 16 輸出）。有兩種類型的管道：用于數據傳輸的流和用于短命令和狀態傳輸的消息。數據傳輸可以是同步的（有保證的數據速率）、中斷傳輸（需要快速、低延遲的傳輸時），

　　USB 標準更有用的方面之一是可能有多種數據速率（1.5 Mbit/s 的低速、12 Mbit/s 的全速、480 Mbit/s 的高速、5 Gbit/s 的超速、和 10 Gbit/s 的 SuperSpeed+），并且主機可以使用特殊的枚舉過程確定每個設備的數據速率。這簡化了連接管理，并使應用程序可以輕松地專注于僅傳輸數據，而不是管理低級物理連接的建立。

　　如果讀者希望深入了解，Digi-Key 提供了幾個產品培訓模塊，其中詳細討論了 USB 標準（來自FDTI和Wurth Electronics等）。然而，就本文而言，上述描述應該足以讓我們了解基于 MCU 的 USB 外設的一些不同特性和功能，以更好地匹配特定應用的要求和最佳 USB 實現特性放。

　　USB 實現

　　了解了 USB 的一些基礎知識后，我們可以開始了解 MCU 供應商在其設備中提供的不同類型的實現。由于 MCU 通常用于控制 USB 外圍設備，例如傳感器、指針設備和音頻設備（僅舉幾例），而不是 PC 和手持設備中更常見的主機控制器，因此我們將從查看示例功能實現開始Spansion FM3 MCU 系列，特別是 Spansion MB9AF3 MCU。

　　Spansion MB9AF3 MCU 使用 ARM-Cortex-M3 CPU 并具有多個高級外設，包括電機控制定時器、高速 ADC、UART、SPI、I 2 C、DMA 和外部總線接口。USB 外設同時具有主機和功能接口，功能框圖如下圖 1 所示。圖右側的 CPU 接口可以訪問數據傳輸所在的端點緩沖區。進出緩沖區的移動由 USB 數據控制器 （UDC） 通過 UDC 接口進行管理。中斷可用于向 CPU 通知數據傳輸的狀態，并且 CPU 接口提供對來自 CPU 或 DMA 控制器的緩沖區的訪問。

　　圖 1：Spansion MB9AF3 MCU USB 功能框圖。（由 Spansion 提供）

　　Spansion USB 實現的關鍵要素是 USB 時鐘源、端點緩沖區的數量以及對端點緩沖區的 DMA 訪問。這些功能在不同的 MCU 供應商之間可能會有所不同，因為 USB 標準沒有指定這些功能。例如，USB 時鐘由片上 PLL 提供，該 PLL 可以使用 MCU 的主時鐘源。這消除了對外部時鐘的需求，從而減少了組件數量。并非所有 USB 外圍設備都包含此功能。

　　從圖 1 中，您還將看到有六個端點緩沖區?？捎镁彌_區的數量因實現而異。對于簡單的應用程序，少量緩沖器可能就足夠了，但可能需要多個緩沖器，這可能是因為存在多個元素（例如，由 MCU 管理的多個不同傳感器），或者因為多個緩沖器將通過以下方式簡化軟件實現分離單個外設的不同應用。

　　最后，USB 實現之間的一個共同差異領域涉及 DMA 的使用。通常，獨立于 CPU 管理端點緩沖區會更有效，這樣 CPU 可以執行其他更復雜的任務，或者可以將其置于低功耗狀態，直到有足夠的數據可用于開始處理。MB9AF3 MCU 提供對 DMA 控制器的端點緩沖區的訪問，并提供多個中斷，可用于更輕松地管理緩沖區傳輸。當電源效率對您的應用至關重要時，請尋找這些功能。

　　端點控制

　　在選擇 USB 外圍設備時，您需要的端點數量可能是一個關鍵的區別。每個端點的靈活性也是您選擇的一個重要因素。例如，賽普拉斯PSoC CY8C24794有一個帶有五個端點的 USB 外設，每個端點都可以單獨分配以響應中斷、批量或同步 IN 或 OUT 請求。圖 2 顯示了可以分配給每個端點的各種任務。這種選擇性水平避免了大量的處理器開銷，否則將需要這些開銷來確定任務的類型，然后將控制權轉移到所需的例程。

　　圖 2：賽普拉斯PSoC CY8C24794的 USB 工作模式表。（由賽普拉斯提供）

　　賽普拉斯 USB 實現使用共享內存來存儲端點數據，這可能會導致訪問瓶頸，但使用 PSoC 內存仲裁器 （PMA） 會優先處理處理器和 USB 外設之間的訪問。這保證了即使在 USB 流量以最大速率處理時，處理器也將提供連續的移動指令流。

　　USB PMA 足夠靈活，因此在接收到下一個 USB 數據包之前不需要處理端點數據。這可以通過簡單地更改通道的寫入位置或讀取位置寄存器值來完成。例如，當接收到一個中斷表明已經接收到一個數據包時，而不是處理數據然后使端點接收更多數據，您可以簡單地將端點使用的 PMA 通道的寫入地址更改為空閑區域USB RAM 的。通過這樣做，您可以讓 USB SIE 在 M8C 處理先前接收的數據時接收更多數據。類似的方法可用于準備要通過 IN 事務發送的數據。

　　在比較端點實現時，請確保您不僅查看支持的端點數量，還查看 USB 外圍設備提供的靈活性和軟件支持量。這可以提高性能、降低功耗并簡化編碼。

　　隨身攜帶的 USB

　　USB 也已經發展到可以輕松創建可以以主機或功能模式動態連接的智能 USB 設備。這種“On the Go”功能可以將設備用作外圍設備（可能作為存儲設備），然后用作主機（可能控制記錄心率活動的傳感器并為其供電）。此功能在各種物聯網應用中特別有用。例如，Microchip DSPIC33EP256 MCU 支持 USB 主機、設備和 On the Go 模式。在許多情況下，低功耗操作對于 On the Go 應用程序很重要，因此了解 USB 外設可以使用哪些低功耗設施非常重要。

　　Microchip DSPIC33EP256 MCU 允許 USB 外設即使在某些低功耗模式下也能運行。例如，當 CPU 處于空閑模式時，外設仍然可以運行。在空閑模式下，CPU 時鐘被關閉，這大大降低了動態功耗。當 CPU 空閑時 USB 模塊可以繼續工作，一旦收到需要 CPU 干預的消息，就可以將 CPU 帶出空閑狀態。USB 外圍設備和 CPU 都可以進入更低的功耗狀態，即睡眠，這樣可以節省更多的電量。每當 USB 總線上有總線活動時，USB 活動中斷可用于將設備從睡眠模式喚醒。

　　您可能需要 USB 外圍設備的另一項功能是高級測試功能。特別是，如果您是第一次使用 USB，有些人可能希望包含專門針對 USB 端口的板級測試功能。Microchip DSPIC33EP256 MCU 具有特殊的 USB 測試模式，可以在 USB 輸出上生成連續測試模式，這對于板級測試很有用。如圖 3 所示，此測試模式生成連續的 JK/JK 位序列來切換 USB 輸出，從而生成一個簡單的“眼圖”，通常用于測試信號完整性。

　　圖 3：Microchip DSPIC33EP256 MCU USB 測試模式。（由微芯片提供）

　　高端 MCU 中的 USB

　　USB 不僅存在于低端和中端 MCU 中，它也是高端設備的一個非常有用的接口。例如，德州儀器 F28M35H52C1RFPT是一款具有非常先進的處理能力的雙核 MCU，它包括一個具有 On the Go 功能的 USB 外設。如 F28M35H52C1RFPT 的框圖（圖 4）所示，該圖左上角的 USB 外設通過從 AHB 總線矩陣訪問的 AHB 總線連接到 ARM Cortex-M3 CPU。

　　圖 4：德州儀器 F28M35x Concerto MCU 框圖。（德州儀器提供）

　　ARM Cortex-M3 CPU 充當通道控制器，負責管理所有通信端口。當 USB 包含在高端設備中時，這是一項重要的功能，因此可以相對于所有其他競爭性通信端口正確地確定 USB 流量的優先級。例如，USB 端口通常用于外部文件存儲，并且可能需要將數據傳輸活動設置為非常高的優先級，以便處理不會因缺少數據而停止。

　　結論

　　USB 實現有許多不同的方法，了解不同 MCU 系列提供的一些關鍵特性和差異化功能非常重要。當您了解一些最常見和最重要的差異時，為您的下一個 USB 應用找到合適的選擇會容易得多。