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摘要：详细介绍了USB2.0接口的新特点，选择CY7C68013作为USB2.0控制芯片实现了USB2.0接口M-JPEG解码回放板的设计。
关键词：USB2.0；M-JPEG解码；PID协议；PING协议；视频编码
引言
USB(Universal Serial Bus)通用串行总线能在电脑外设接口中得到广泛应用得益于它的实用性和便捷性。该接口技术从1996年由几家大公司制定USB1.0标准以来，得到越来越多的厂商支持，继而出现了USB1.1标准，USB2.0标准。USB2.0标准支持的高速传输模式使传输速率达到了480Mbps，使更多的高速外设和网络(如高清晰数字会议视频设备、高速刻录机、宽带XDSL和数字广播等)都可以通过USB接口与控制主机相连接。
本文介绍了USB2.0标准相对于USB1.1增加部分的特性，突出USB2.0标准的新特点，最后结合实际，开发了一个USB2.0技术应用实例。
1 USB2.0电气规格的扩展
1．1 增加了高速传输模式所需的收发器线路
包括以下四部分：高速电流驱动器，高速差动数据接收器，传输振幅检测器，分离振幅检测器。
高速电流驱动器是在D+、D-数据线上使用一定的电流值进行驱动，生成“J状态”、“K状态”，让接口规范化。
增加高速差动数据接收器是为了检测出快速模式下的J／K信号。
传输振幅检测器的作用是检测数据线所处的状态：闲置或数据传送进行中。闲置状态时，D+、D-数据线的电压均为O伏；数据传送进行中，即处于J／K状态。
分离振幅检测器用于检测下游端装置是否被抽离而断开。
1．2 Reset时的信号交换流程
这是认识USB2.0相当重要的一环，因为这是USB2.0扩展的高速传输模式的工作流程。
一个装置连接到HUB时，必须确认下游端所连接装置是低速、全速还是高速传输模式。其工作流程如下：Reset发出闲置状态信号，数据线信号处于SE0状态；SE0状态持续3ms以上后，连接上高速装置的拉高电阻，先以全速装置工作，USB接口此时仍然处于闲置状态；这之后高速装置会进行一个“Device Chirp”过程，告诉HUB本装置有能力进行高速传送；HUB接收到这个通知并加以确认，表示本身也可以支持快速的传输，完成握手处理过程，就可以以快速传送方式进行通信了。如果握手过程不成功，就以低速或全速的传送方式通信。这也是USB2.0为了与USB1.1规范兼容而进行的一个信号交换过程。
1．3 增加的测试模式
高速收发器的电气特性比过去复杂得多，借助于“Set_Feature”命令，可以进行以下五个种类的测试：
(1)SEO NAK测试：当接到“IN令牌”打包时，必须回返NAK信号。其他情况下，由终端阻抗来驱动SEO的状态。
(2)HS J测试：高速电流驱动器仅有一个驱动“D+”数据线时，依据“D+”数据线的输出电压可以检测出高电位的状态。
(3)HS K测试：同上，高速电流驱动器仅有一个驱动“D-”数据线时，依据“D-”数据线的输出电压可以检测出高电位的状态。
(4)打包传送测试：测试特定打包持续传送过程中的特性参数，如信号上升时间、信号下降时间以及信号抖动的测量等。
(5)强迫使能测试：这个测试是针对高速的HUB装置的，用来强迫使能HUB装置的下游端。
2 USB2.0传输协议的增加
2．1 打包大小的变更
①控制传输模式下低速，全速，高速打包的大小
低速：0～8个字节，全速：0～64个字节，高速：0～64个字节
②批传输模式下打包的大小
全速：0～64个字节，高速：0～512个字节
③中断传输模式下打包的大小
低速：0～8个字节，全速：0～64个字节，高速：0～1024个字节
④等时传输模式下打包的大小
全速：0～1023个字节，高速：0～1024个字节
由此可知，高速传输打包的字节增大了，同时USB2．0也从原来的1ms周期的数据帧变成周期为125s的微帧结构。对于中断传输与等时传输模式，每一个微帧之内实行3次的数据交易。这些方法使传输的速度大大加快了。
2．2 新规制的PID(包标识)
通过PID，可以识别打包的类别。PID的形式有以下四种：
第一种：Token打包，如：SOF、IN、OUT等。
第二种：数据打包，如DATA0、DATAl等。高速USB2．0另外增加了两个：DATA2以及MDATA，用于等时传输。
第三种：握手打包，如：ACK、NAK、STALL等。NYET是新增加的打包，表示还没有备妥，是为了应用于高速模式下的“Ping协议”，防止传送了一些数据之后，对方返回NAK的否定确认信号，要求重传情况的发生。
第四种：特殊用途的打包。除了原来的PRE打包，USB2．0增加了：ERR、SPLIT、PING等打包，PING用于“Ping协议”中，ERR与SPLIT用于怏速的分割式数据交易的场合。
2．3 PING协议
如前面提到的，为了防止传送了大量数据之后，对方却返回NAK的否定确认信号，要求重传的情况，USB2．0引入了“Ping协议”。批传输与控制传输适用于“Ping协议”：在传送数据之前，先从主机端送出“PING打包”，如得到的是NAK则表示装置端没有接受空间，再度发送“PING打包”，重复确认，直到收到ACK后，发送数据给装置端，完成传输数据。
3 一个基于USB2.0接口的应用设计
实现USB2.0接口的控制芯片控制器一般分为两类：一种是MCU集成在芯片里面，如CYPRESS的EZ-USB系列，Inter的8X930AX,S1EMENS的C541U等公司的产品。一种是纯粹的USB接口芯片，仅处理USB通信，如PHILIPS的PDIUSBDll系列，National Semiconductor的USBN9602系列等产品。前一种开发由于需要单独的开发系统，开发成本较高，但实现起来较为容易，开发周期短；后一种只是一个芯片与MCU接口实现USB通信功能，因此成本较低。
我们的设计是通过M-JPEG流的解码，输出相应制式的模拟彩色电视信号(见图1)。USB控制芯片CY7C68013一方面完成USB2．0协议的处理以及建立数据传输通道，480Mb／s高速模式数据传输速率，保证了M-JPEG码流的高速实时传输。另一方面充分利用68013片内集成的增强型8051单片机和GPW接口，实现对专用芯片的设置和控制应答。ZR36060将输入的M-JPEG数据流解压缩，向SAA7185直接输出符合 ITU-R 656标准的YUV数据和D／A变换所需的行场同步信号；SAA7185对输入的YUV信号进行编码，输出CVBS或S-VIDEO电视信号。
3．1 USB控制芯片CY7C68013的设计应用
CYPRESS公司提供了EZ-USB FX2芯片的固件程序框架，大大简化和加速了USB固件的开发流程，片内集成的智能串行接口引擎(SIE)执行基本的USB通信功能。本设计中把嵌入CY7C68013内的8051单片机解放出来用于产生ZR36060的复位和地址选择信号，同时利用并行I／O口实现指示灯的控制。
本设计中选用GPIF接口控制EZ-USB FX2中的“量子FIFO”到解压缩芯片ZR36060的数据传输。GPIF是一个灵活的8或16位并行接口，支持用户使用波形描述符进行编程设置。将传输端点2设置成1024字节大小的四重FIFO。这种多缓有结构设计在读写双方速度相似时能显著地改善带宽，平滑带宽抖动，减少双方的互相等待时间。同时利用GPIF接口对解码芯片的控制应答，GPW接口使用外部时钟，将ZR36060的VSYNC信号接至GPW接口的IFCLK引脚，实现GPIF接口和ZR36060的同步。没有使用GPW接口的地址输出线，从而节省了9条I／O线，为进一步扩展系统的功能留下了余地。
3．2 解压缩芯片ZR36060
JPEG编解码芯片ZR36060实现对视频信号的实时压缩解压缩。在解压缩时它接收JPEG-BASELINE码流，将其解码为YUV4:2:2数字视频信号。ZR36060的接口可分为视频接口、主机接口和代码接口三部分。视频接口配置成主模式。视频总线设置为8位宽度，亮度和色差信号都通过Y7:0传输，视频信号由视频接口输入／输出。主机接口配置在16位代码从模式下，通过主机接口完成对ZR36060内部寄存器的读写。对芯片的控制字通过主机接口读，写，代码数据的低8位由主机接口的8位双向数据总线DATA7:0传输，数据的高8位是通过CODE7:0传输的。执行解压缩之前，主机必须先把适当的参数和数据表载入ZR36060。参数设置将影响到芯片的工作方式、视频接口、以及代码接口的操作。所有的参数和数据表都必须在空闲态下被载入。用ZRSpaceSelect0函数配置51单片机的I/O口实现地址的选择，设计了寄存器多地址连续读写函数，实现了芯片参数和量化表及霍夫曼表的配置。
3．3 SAA7185视频编码芯片应用
芯片SAA7185支持PAL／NTSC／SECAM制式，其主要功能模块包括一个同步时钟产生器和片内D／A转换器。系统中。工作在同步从模式下的SAA7185芯片接收ZR36060解码器输出的每行720有效像素的4:2:2YUV数据，ZR36060产生的视频同步信号驱动SAA7185RCV口的场同步YS、行同步HS管脚，作为输入数据的相位参考，编码输出CVBS或S-VIDEO电视信号。在设计中我们调用Ezusb．1ib库中的标准12C总线读写函数访问SAA7185内部寄存器，实现芯片的功能选择，参数配置和输出控制。
3．4 驱动程序设计
USB系统驱动程序采用分层结构模型，分别为较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线驱动程序模块(USBD)和较低级的主控制器驱动程序模块(HCD)。
本系统中的固件代码存储在EEPROM中，当设备上电时，EEPROM中的代码被自动下载到FX2芯片的RAM中，由8051执行。实现这个过程需要两个驱动程序，即通用驱程ezusb．sys和下载固件的驱程loader．sys。在Windows的设备驱动工具包(DDK)的支持下，对FX2软件开发包提供的EZ-Loader驱动程序作相应的修改，就可以实现下载固件驱程load．sys的定制。
3．5 主机端应用程序设计
USB主机端应用程序是计算机中完成特定功能的程序。该系统中，主机端应用程序主要完成向M-JPEG解码系统发送M-JPEG格式的码流，处理系统请求和特定的命令等功能。在Windows 2000下，我们所使用的应用程序开发工具是VC++6.0。
4 结束语
该系统还可进行扩展，利用多块解码板我们可以很容易地实现多路M-JPEG码流信号的同时回放。本系统在数字视频监控领域有着良好的应用前景和很大的实用价值。
关键词：USB2.0；M-JPEG解码；PID协议；PING协议；视频编码
引言
USB(Universal Serial Bus)通用串行总线能在电脑外设接口中得到广泛应用得益于它的实用性和便捷性。该接口技术从1996年由几家大公司制定USB1.0标准以来，得到越来越多的厂商支持，继而出现了USB1.1标准，USB2.0标准。USB2.0标准支持的高速传输模式使传输速率达到了480Mbps，使更多的高速外设和网络(如高清晰数字会议视频设备、高速刻录机、宽带XDSL和数字广播等)都可以通过USB接口与控制主机相连接。
本文介绍了USB2.0标准相对于USB1.1增加部分的特性，突出USB2.0标准的新特点，最后结合实际，开发了一个USB2.0技术应用实例。
1 USB2.0电气规格的扩展
1．1 增加了高速传输模式所需的收发器线路
包括以下四部分：高速电流驱动器，高速差动数据接收器，传输振幅检测器，分离振幅检测器。
高速电流驱动器是在D+、D-数据线上使用一定的电流值进行驱动，生成“J状态”、“K状态”，让接口规范化。
增加高速差动数据接收器是为了检测出快速模式下的J／K信号。
传输振幅检测器的作用是检测数据线所处的状态：闲置或数据传送进行中。闲置状态时，D+、D-数据线的电压均为O伏；数据传送进行中，即处于J／K状态。
分离振幅检测器用于检测下游端装置是否被抽离而断开。
1．2 Reset时的信号交换流程
这是认识USB2.0相当重要的一环，因为这是USB2.0扩展的高速传输模式的工作流程。
一个装置连接到HUB时，必须确认下游端所连接装置是低速、全速还是高速传输模式。其工作流程如下：Reset发出闲置状态信号，数据线信号处于SE0状态；SE0状态持续3ms以上后，连接上高速装置的拉高电阻，先以全速装置工作，USB接口此时仍然处于闲置状态；这之后高速装置会进行一个“Device Chirp”过程，告诉HUB本装置有能力进行高速传送；HUB接收到这个通知并加以确认，表示本身也可以支持快速的传输，完成握手处理过程，就可以以快速传送方式进行通信了。如果握手过程不成功，就以低速或全速的传送方式通信。这也是USB2.0为了与USB1.1规范兼容而进行的一个信号交换过程。
1．3 增加的测试模式
高速收发器的电气特性比过去复杂得多，借助于“Set_Feature”命令，可以进行以下五个种类的测试：
(1)SEO NAK测试：当接到“IN令牌”打包时，必须回返NAK信号。其他情况下，由终端阻抗来驱动SEO的状态。
(2)HS J测试：高速电流驱动器仅有一个驱动“D+”数据线时，依据“D+”数据线的输出电压可以检测出高电位的状态。
(3)HS K测试：同上，高速电流驱动器仅有一个驱动“D-”数据线时，依据“D-”数据线的输出电压可以检测出高电位的状态。
(4)打包传送测试：测试特定打包持续传送过程中的特性参数，如信号上升时间、信号下降时间以及信号抖动的测量等。
(5)强迫使能测试：这个测试是针对高速的HUB装置的，用来强迫使能HUB装置的下游端。
2 USB2.0传输协议的增加
2．1 打包大小的变更
①控制传输模式下低速，全速，高速打包的大小
低速：0～8个字节，全速：0～64个字节，高速：0～64个字节
②批传输模式下打包的大小
全速：0～64个字节，高速：0～512个字节
③中断传输模式下打包的大小
低速：0～8个字节，全速：0～64个字节，高速：0～1024个字节
④等时传输模式下打包的大小
全速：0～1023个字节，高速：0～1024个字节
由此可知，高速传输打包的字节增大了，同时USB2．0也从原来的1ms周期的数据帧变成周期为125s的微帧结构。对于中断传输与等时传输模式，每一个微帧之内实行3次的数据交易。这些方法使传输的速度大大加快了。
2．2 新规制的PID(包标识)
通过PID，可以识别打包的类别。PID的形式有以下四种：
第一种：Token打包，如：SOF、IN、OUT等。
第二种：数据打包，如DATA0、DATAl等。高速USB2．0另外增加了两个：DATA2以及MDATA，用于等时传输。
第三种：握手打包，如：ACK、NAK、STALL等。NYET是新增加的打包，表示还没有备妥，是为了应用于高速模式下的“Ping协议”，防止传送了一些数据之后，对方返回NAK的否定确认信号，要求重传情况的发生。
第四种：特殊用途的打包。除了原来的PRE打包，USB2．0增加了：ERR、SPLIT、PING等打包，PING用于“Ping协议”中，ERR与SPLIT用于怏速的分割式数据交易的场合。
2．3 PING协议
如前面提到的，为了防止传送了大量数据之后，对方却返回NAK的否定确认信号，要求重传的情况，USB2．0引入了“Ping协议”。批传输与控制传输适用于“Ping协议”：在传送数据之前，先从主机端送出“PING打包”，如得到的是NAK则表示装置端没有接受空间，再度发送“PING打包”，重复确认，直到收到ACK后，发送数据给装置端，完成传输数据。
3 一个基于USB2.0接口的应用设计
实现USB2.0接口的控制芯片控制器一般分为两类：一种是MCU集成在芯片里面，如CYPRESS的EZ-USB系列，Inter的8X930AX,S1EMENS的C541U等公司的产品。一种是纯粹的USB接口芯片，仅处理USB通信，如PHILIPS的PDIUSBDll系列，National Semiconductor的USBN9602系列等产品。前一种开发由于需要单独的开发系统，开发成本较高，但实现起来较为容易，开发周期短；后一种只是一个芯片与MCU接口实现USB通信功能，因此成本较低。
我们的设计是通过M-JPEG流的解码，输出相应制式的模拟彩色电视信号(见图1)。USB控制芯片CY7C68013一方面完成USB2．0协议的处理以及建立数据传输通道，480Mb／s高速模式数据传输速率，保证了M-JPEG码流的高速实时传输。另一方面充分利用68013片内集成的增强型8051单片机和GPW接口，实现对专用芯片的设置和控制应答。ZR36060将输入的M-JPEG数据流解压缩，向SAA7185直接输出符合 ITU-R 656标准的YUV数据和D／A变换所需的行场同步信号；SAA7185对输入的YUV信号进行编码，输出CVBS或S-VIDEO电视信号。
3．1 USB控制芯片CY7C68013的设计应用
CYPRESS公司提供了EZ-USB FX2芯片的固件程序框架，大大简化和加速了USB固件的开发流程，片内集成的智能串行接口引擎(SIE)执行基本的USB通信功能。本设计中把嵌入CY7C68013内的8051单片机解放出来用于产生ZR36060的复位和地址选择信号，同时利用并行I／O口实现指示灯的控制。
本设计中选用GPIF接口控制EZ-USB FX2中的“量子FIFO”到解压缩芯片ZR36060的数据传输。GPIF是一个灵活的8或16位并行接口，支持用户使用波形描述符进行编程设置。将传输端点2设置成1024字节大小的四重FIFO。这种多缓有结构设计在读写双方速度相似时能显著地改善带宽，平滑带宽抖动，减少双方的互相等待时间。同时利用GPIF接口对解码芯片的控制应答，GPW接口使用外部时钟，将ZR36060的VSYNC信号接至GPW接口的IFCLK引脚，实现GPIF接口和ZR36060的同步。没有使用GPW接口的地址输出线，从而节省了9条I／O线，为进一步扩展系统的功能留下了余地。
3．2 解压缩芯片ZR36060
JPEG编解码芯片ZR36060实现对视频信号的实时压缩解压缩。在解压缩时它接收JPEG-BASELINE码流，将其解码为YUV4:2:2数字视频信号。ZR36060的接口可分为视频接口、主机接口和代码接口三部分。视频接口配置成主模式。视频总线设置为8位宽度，亮度和色差信号都通过Y7:0传输，视频信号由视频接口输入／输出。主机接口配置在16位代码从模式下，通过主机接口完成对ZR36060内部寄存器的读写。对芯片的控制字通过主机接口读，写，代码数据的低8位由主机接口的8位双向数据总线DATA7:0传输，数据的高8位是通过CODE7:0传输的。执行解压缩之前，主机必须先把适当的参数和数据表载入ZR36060。参数设置将影响到芯片的工作方式、视频接口、以及代码接口的操作。所有的参数和数据表都必须在空闲态下被载入。用ZRSpaceSelect0函数配置51单片机的I/O口实现地址的选择，设计了寄存器多地址连续读写函数，实现了芯片参数和量化表及霍夫曼表的配置。
3．3 SAA7185视频编码芯片应用
芯片SAA7185支持PAL／NTSC／SECAM制式，其主要功能模块包括一个同步时钟产生器和片内D／A转换器。系统中。工作在同步从模式下的SAA7185芯片接收ZR36060解码器输出的每行720有效像素的4:2:2YUV数据，ZR36060产生的视频同步信号驱动SAA7185RCV口的场同步YS、行同步HS管脚，作为输入数据的相位参考，编码输出CVBS或S-VIDEO电视信号。在设计中我们调用Ezusb．1ib库中的标准12C总线读写函数访问SAA7185内部寄存器，实现芯片的功能选择，参数配置和输出控制。
3．4 驱动程序设计
USB系统驱动程序采用分层结构模型，分别为较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线驱动程序模块(USBD)和较低级的主控制器驱动程序模块(HCD)。
本系统中的固件代码存储在EEPROM中，当设备上电时，EEPROM中的代码被自动下载到FX2芯片的RAM中，由8051执行。实现这个过程需要两个驱动程序，即通用驱程ezusb．sys和下载固件的驱程loader．sys。在Windows的设备驱动工具包(DDK)的支持下，对FX2软件开发包提供的EZ-Loader驱动程序作相应的修改，就可以实现下载固件驱程load．sys的定制。
3．5 主机端应用程序设计
USB主机端应用程序是计算机中完成特定功能的程序。该系统中，主机端应用程序主要完成向M-JPEG解码系统发送M-JPEG格式的码流，处理系统请求和特定的命令等功能。在Windows 2000下，我们所使用的应用程序开发工具是VC++6.0。
4 结束语
该系统还可进行扩展，利用多块解码板我们可以很容易地实现多路M-JPEG码流信号的同时回放。本系统在数字视频监控领域有着良好的应用前景和很大的实用价值。