Использование хабов в отрасли USB

    Хабы (разветвители/концентраторы) используются в USB для того, чтобы обеспечить переход от одного восходящего порта к нескольким нисходящим портам. Они могут быть использованы в системах на основе микроконтроллеров и связываются с системным микроконтроллером посредством высокоскоростных последовательных шин (I2C, SMBus). Модульный подход, объединяющий функции хаба и встроенные функции позволяет разработчику выбрать оптимальный для системы микроконтроллер. Гибкость приборов позволяет снизить время разработки системы, риск ошибочных решений и стоимость системы в целом, позволяя использовать уже разработанные архитектуры и микропрограммное обеспечение. В результате все это способствует ускорению разработки наиболее эффективных по стоимости решений периферии USB, для которых необходимы функции хаба.

    Фирма Philips Semiconductors выпустила первый в отрасли USB хаб - хаб первого поколения PDIUSBH11 - ставший де-факто базовым прибором при отработке взаимодействий на шине USB. Впоследствии фирма расширила семейство хабов, с точки зрения расширения возможностей и оптимизации стоимости, и в настоящее время фирма располагает номенклатурой хабов, приведенной в таблице.

Таблица 1

Тип прибора	USB стандарт	К-во нисходящих портов	К-во встроенных функций	Последо- вательный интерфейс	Напряже- ние питания, ядро (I/O), В	Потребле- ние, мА	Корпус
PDIUSBH11	Rev. 1.0	4	1	I2C	3,3 (5)	100	32SDIP, 32SO
PDIUSBH11A	Rev. 1.0	4	3	I2C, SMBus	3,3 (5)	100	32SDIP, 32SO
PDIUSBH12	Rev. 1.0	2	3	I2C, SMBus	3,3 (5)	100	28SDIP, 28SO
ISP1122	Rev. 1.1	Конфигури- руемые от 2 до 5	-	I2C	от 4,0 до 5,5	95	32SDIP, 32SO, 32LQFP
ISP1123	Rev. 1.1	Конфигури- руемые от 2 до 5	1	I2C	от 4,0 до 5,5	95	32SDIP, 32SO, 32LQFP
ISP1130	Rev. 1.1	2	3 (одна для работы с клавиатурой)	I2C	от 4,0 до 5,5	Нет данных	56SDIP, 56SSOP

USB хаб PDIUSBH11

    Прибор первого поколения PDIUSBH11 является комбинированным USB хабом (хаб со встроенной функцией), соответствующим требованиям спецификаций USB spec. 1.0 и последовательного интерфейса I2C. Кроме того, прибор совместим со спецификациями USB Human Input Device и Monitor Control Class. Встроенная функция прибора PDIUSBH11 выглядит как PORT1 ведущей системы и четыре нисходящих порта имеют номера с 2 по 5.

    Основными применениями для прибора являются мониторы компьютеров и клавиатуры.

    Основные характеристики

• Четыре нисходящих порта с по-пакетным соединением
• Встроенная функция с двумя оконечными точками (управления и прерывания)
• Встроенная память FIFO для хаба и встроенной функции
• Автоматическая обработка протокола
• Гибкий ведомый интерфейс I2C с производительностью 100 Кбит/с
• Обеспечивает программное управление монитором
• Напряжение питания 3,3 В с устойчивыми к 5 В I/O (100 мА)

    Datasheet на страничке
    www.semiconductors.com/pip/PDIUSBH11

USB хабы PDIUSBH11A и PDIUSBH12

    USB хабы PDIUSBH11A и PDIUSBH12 являются оптимизированным по функциям и стоимости USB хабами второго поколения с четырьмя (PDIUSBH11A) и двумя (PDIUSBH12) нисходящими портами и тремя встроенными функциями (комбинированные хабы), соответствующими спецификациям USB spec. Rev 1.0, спецификациям последовательных интерфейсов I2C и SMBus. Они полностью совместимы со спецификациями на классы приборов Human Interface Device и Monitor Control. Малое собственное потребление обеспечивает программируемый LazyClock выход, позволяющий легко использовать оборудование, совместимое с требованиями по управлению питанием ACPI, OnNow и USB. Малое потребление в рабочем режиме позволяет использовать питание как по шине, так и комбинированное питание функций хаба.

    Приборы PDIUSBH11A и PDIUSBH12 обратно совместимы с аппаратными и программными средствами прибора первого поколения PDIUSBH11, что позволяет просто модернизировать уже выпускаемую продукцию. Кроме того, прибор оснащен такими функциональными расширениями, как: SoftConnectTM, GoodLinkTM, LazyClock, программируемый выход тактовой частоты, низкочастотный кварцевый генератор, дополнительные встроенные функции и встроенные согласующие резисторы. Все эти усовершенствования способствуют существенному снижению стоимости системы и упрощают встраивание современной USB функциональности в периферию.

    Приборы могут быть использованы в мониторах компьютеров, док-станциях, клавиатурах и ряде других применений, использующих архитектуру I2C или SMBus.

    Основные возможности

• Совместимость со спецификацией USB specification Rev. 1.0
• Совместимость с требованиями по управлению питанием ACPI, OnNOW и USB
• Совместимость с приборами USB Human Interface Devices (HID) и приборами Monitor Control Class
• Совместимость со спецификацией System Management Bus Specification Rev. 1.0
• Четыре (PDIUSBH11A) и два (PDIUSBH12) нисходящих порта с по-пакетным соединением и автоматическим определением скорости передачи
• Поддержка до трех встроенных функций
• Встроенные SIE (Serial Interface Engine), FIFO память и приемопередатчики
• Автоматическая обработка USB протокола
• Высокоскоростной интерфейс I2C (до 1 Mbit/s)
• Аппаратная и программная совместимость с прибором PDIUSBH11
• Программное подсоединение к шине USB (SoftConnect™)
• Мигающая индикация трафика USB нисходящего соединения (GoodLink™)
• Низкочастотный кварцевый генератор (12 МГц), обеспечивающий получение малого уровня EMI
• Программирование тактовой частоты
• Возможность питания по шине с очень малым собственным потреблением
• Программируемый LazyClock выход при 30 кГц (номинальная) в отложенном режиме
• Один источник питания 3,3 В с устойчивым к напряжению 5 В I/O
• Полностью сканируемая схема с надежностью перекрытия ошибок свыше 99%, обеспечивающая высокую надежность
• Встроенная защита от ESD с уровнем свыше 8 кВ, снижающая количество дополнительных компонентов
• Поставляется в 32-выводных (PDIUSBH11A) и 28-выводных (PDIUSBH12) корпусах DIP и SO

    Datasheet на страничках
    www.semiconductors.com/pip/PDIUSBH11A_3 и
    www.semiconductors.com/pip/PDIUSBH12_3

USB хабы ISP1122 и ISP1123

    Приборы ISP1122 и ISP1123 являются комбинированными USB хабами, совместимыми с USB Specification Rev. 1.1. В приборах интегрированы: механизм последовательного интерфейса (Serial Interface Engine - SIE), повторитель и контроллер хаба, приемопередатчики данных USB и преобразователь напряжения 3,3 В. Приборы располагают конфигурируемыми портами в количестве от 2 по 5 с одним портом (ISP1123), предназначенным для встроенной (неизвлекаемой) функции.

    Питание приборов ISP1122 и ISP1123 может быть выполнено от шины, может быть комбинированным или автономным. При комбинированном питании хаб работает как питаемый восходящим напряжением (VBUS), однако нисходящие порты питаются от внешнего источника с напряжением 5 В. Малое потребление в отложенном режиме (suspend) обеспечивает реализацию простой схемы устройств, совместимых с требованиями по управлению питанием ACPITM, OnNowTM и USB.

    Приборы ISP1122 и ISP1123 оснащены входами датчиков перегрузки по току, обеспечивающими индивидуальную и общую защиту нисходящих портов от перегрузки по току. Все порты, включая хаб, располагают выходами индикации GoodLinkTM , обеспечивающими визуальный мониторинг трафика USB. Приборы ISP1122 и ISP1123 оснащены интерфейсом шины I2C, для обращения к внешней EEPROM, и кварцевым генератором со сниженной частотой (6 МГц). Все эти возможности позволяют, в процессе разработки, существенно снизить стоимость системы и легко встраивать в периферию функциональность USB.

    Основные возможности

• Высокопроизводительные приборы USB хабов со встроенными повторителями и контроллерами хабов, механизмами последовательного интерфейса (Serial Interface Engine -SIE), приемопередатчиками данных и встроенными преобразователями 3,3 В
• Совместимы со спецификацией USB Spec. Rev. 1.1 и требованиями к управлению питанием ACPI, OnNow и USB
• Нисходящий порт 1 прибора (ISP1123) предназначен для неизвлекаемой функции, правильным образом описанной в соответствующем дескрипторе
• Конфигурирование от 2 до 5 нисходящих портов с автоматическим определением скорости
• Встроенные схемы сброса по включению питания и по снижению напряжения
• Поддержка питания по шине, комбинированного и автономного питания
• Индивидуальное или блочное подключение нисходящих портов к напряжению питания
• Встроенные схемы датчиков индивидуальной или общей защиты портов от перегрузки по току
• Кварцевый генератор (6 МГц) и встроенная PLL, для обеспечения низкого уровня EMI
• Визуальный мониторинг USB трафика (GoodLinkTM) нисходящих портов и хаба
• Интерфейс шины I2C для считывания из внешней EEPROM ID поставщика, ID прибора и битов конфигурирования
• Работа в расширенном диапазоне напряжений шины USB (от 4,0 до 5,5 В)
• Диапазон рабочих температур от -40°C до 85 °C
• Встроенная защита от ESD с уровнем до 8 кВ, сокращающая количество внешних компонентов
• Полностью сканируемая схема с перекрытием ошибок (свыше 99%) обеспечивает высокое качество
• Поставляются в 32-выводных корпусах SDIP, SO и LQFP

    Datasheet на страничках
    www.semiconductors.com/pip/ISP1122-02 и
    www.semiconductors.com/usb/products/hub/ISP1123

USB хаб ISP1130

    В приборе ISP1130, совместимом с USB Specification Rev. 1.1 и USB Device Class Definition для Human Interface Devices (HID), на одном кристалле интегрированы USB хаб и контроллер клавиатуры. Хаб располагает двумя нисходящими портами и тремя встроенными (неизвлекаемыми) функциями, одна из которых предназначена для работы с клавиатурой. Контроллер хаба выполнен полностью аппаратно, обеспечивая быстрый отклик на запросы ведущего устройства. Встроенный стабилизатор напряжения 3,3 В (при входном напряжении 5 В) обеспечивает прямое подсоединение к напряжению VBUS шины USB. Два нисходящих порта получают питание от шины и могут обслуживать такие USB приборы как мышь и джойстик. В приборе ISP1130, для подключения к ведущему устройству, по обнаружению VBUS, использована технология SoftConnectTM. Малое потребление в отложенном режиме обеспечивает простую разработку устройств, совместимых с требованиями к управлению питанием ACPITM, OnNowTM и USB.

    В основе контроллера клавиатуры лежит микроконтроллер семейства 80C51, оснащенный масочной ROM, емкостью 8 Кбайт и RAM данных емкостью 256 байт. Коды памяти защищены от считывания. Встроенный сторожевой таймер сбрасывает микроконтроллер в случае его зависания. В режиме sleep тактовая частота микроконтроллера снижается с 12 МГц до 24 кГц (LazyClockTM) снижая общее потребление прибора. Последовательный интерфейс шины I2C обеспечивает обращение к дополнительной внешней EEPROM, что позволяет пользователю программировать ID поставщика и прибора или активировать встроенную матрицу клавиатуры.

    Прибор ISP1130 оснащен входами с датчиками перегрузки по току, поддерживающими индивидуальную защиту каждого нисходящего порта. Все порты, включая хаб, оснащены выходами индикации GoodLinkTM для визуального мониторинга трафика USB. Тактовый генератор прибора работает на частоте 6 МГц, что обеспечивает низкий уровень EMI. Все эти возможности позволяют, в процессе разработки, существенно снизить стоимость системы и легко встраивать в периферию функциональность USB.

    Основные характеристики

• Высокий уровень интеграции - на одном кристалле: повторитель и контроллер хаба, механизм последовательного интерфейса (SIE), приемопередатчики данных, микроконтроллер 80C51, контроллер клавиатуры и встроенный преобразователь напряжения с 5 до 3,3 В
• Совместимость с USB Spec. Rev. 1.1, Device Class Definition для HID V 1.1, и требованиями к потреблению, определяемыми ACPI™, OnNow™ и USB
• Два питаемых по шине нисходящих порта с автоматическим определением скорости
• Три неизвлекаемых встроенных функции - одна специально для клавиатуры
• Матрица сканирования 8 x 18 для совместимых с HID клавиатур
• Встроенное ядро микроконтроллера 80C51 с встроенными ROM емкостью 8 Кбайт и RAM емкостью 256 байт
• Встроенный сторожевой таймер для автоматического восстановления рабочего режима, встроенные сбросы по подаче и по снижению питания
• Интерфейс шины I2C для внешней EEPROM, хранящей определяемые пользователем ID изготовителя и прибора, дескрипторы и конфигурирование матрицы клавиатуры
• Индивидуальное подключение питания и индивидуальная защита от перегрузки по току для нисходящих портов
• Низкий уровень EMI, используется кварцевый генератор с частотой 6 МГц и встроенная схема PLL
• Энергосберегающий режим LazyClock (снижение тактовой частоты до 24 кГц) в режиме sleep
• Визуальный мониторинг трафика USB (GoodLink) для хаба и нисходящих портов
• Технология сквозного программно управляемого подключения к USB
• Программная утилита CoolStroke™ для мультимедийных клавиатур
• Встроенная схема защиты от ESD с уровнем до 8 кВ
• Работа в расширенном диапазоне напряжений питания шины USB (от 4,0 до 5,5 В)
• Работа в диапазоне рабочих температур от -40°C до 85°C
• Поставляются в 56-выводных корпусах SDIP и SSOP
• Имеются OTP версии с ROM емкостью 24 Кбайта и RAM емкостью 768 байт

    Datasheet пока только разрабатывается. Со странички
    www.semiconductors.com/usb/products/hub/ISP1130
    есть ссылка на адрес, где лежит двухстраничный цветной рекламный листок

Пояснения

    Аналоговые приемопередатчики

    Эти приемопередатчики подсоединяются к USB кабелям посредством согласующих резисторов. Приемопередатчики способны принимать и передавать последовательные данные как на полной скорости (12 Mbit/s), так и малой скорости (1.5 Mbit/s).

    Повторитель хаба

    Повторитель хаба отвечает за управление соединением на по-пакетной базе. Он использует сигналинг пакетов и, на его основе, продолжает действие соединения. Приборы с малой скоростью могут быть подсоединены к нисходящим портам, поскольку повторитель не будет передавать восходящие пакеты в нисходящие порты, к которым присоединены низкоскоростные приборы, до тех пор пока восходящим пакетам не будет предшествовать PREAMBLE PID.

    Таймеры конца фрейма

    Этот блок содержит таймеры EOF1 и EOF2, используемые для обнаружения потери активности повторителя хаба и приводящего к ошибкам высокого уровня помех. Таймеры формируют также предупреждающий (keep-alive) строб малой скорости, устанавливаемый в начале каждого фрейма.

    Контроллеры портов общий и индивидуальные

    Контроллеры портов, общий и индивидуальные, обеспечивают состояния и управление нисходящими портами Посредством интерфейса I2C микроконтроллер может обратиться к нисходящим портам и запросить или изменить состояние каждого индивидуального порта. Любое изменение статуса или установок индивидуального порта приведет к формированию запроса прерывания. Через регистр прерываний обслуживающий микроконтроллер может просмотреть нисходящий порт, генерирующий прерывание, и запросить его новое состояние. Любое изменение состояния порта должно быть сообщено ведущему микроконтроллеру через оконечную точку хаба изменения статуса (прерывание).

    PLL

    Встроенная схема PLL, отсутствующая только у прибора PDIUSBH11, умножает тактовую частоту 12 МГц (PDIUSBH11A и PDIUSBH12) или 6 МГц (ISP1122, ISP1123 и ISP1130) до 48 МГц, что позволяет использовать недорогие кварцевые кристаллы с невысокой частотой и способствует снижению уровня EMI. Для работы PLL не требуются дополнительные внешние компоненты.

    Восстановление синхронизации битов

    Схема восстановления синхронизации битов восстанавливает тактовую частоту битов из входного потока USB данных, используя принцип четырехкратного перекрытия по частоте, что позволяет отслеживать джиттер и дрейф частоты в соответствии с требованиями спецификаций USB.

    Механизм последовательного интерфейса (Philips Serial Interface Engine - PSIE)

    Механизм последовательного интерфейса реализует нижний уровень протокола USB. SIE реализован полностью аппаратно, что способствует обеспечению высокого быстродействия и исключает необходимость вмешательства микропрограммных средств. К функциям этого блока относятся: распознавание синхронизирующих посылок, параллельно/последовательные преобразования, введение/выведение битов заполнения, проверка/генерация CRC, проверка/генерация PID, распознавание адреса, оценка/генерация квитирования.

    MMU и встроенная RAM

    MMU и встроенная RAM используются для компенсации большой разницы в скорости USB, работающей в пакетном режиме со скоростью 12 Mbit/s, и интерфейса I2C с микроконтроллером, с быстродействием до 1 Мбит/с (100 Кбит/с у прибора PDIUSBH11), что позволяет микроконтроллеру считывать и записывать пакеты данных через I2C с необходимым для него быстродействием.

    Ведомый интерфейс I²C

    Этот блок реализует необходимый для I²C протокол. Ведомый I²C обеспечивает простые микрокоды. Приборы, при необходимости обратить на себя внимание, формируют запрос прерывания. Приборы, как ведомые I²C приборы, получают тактовую частоту I²C (SCL) от микроконтроллера, который управляет этой частотой.

    GoodLink (кроме прибора PDIUSBH11)

    Для индикации правильного USB соединения используется фирменная технология GoodLink. Если порт разрешен и имеется как минимум один восходящий трафик, то LED индикатор, подсоединяемый через резистор с сопротивлением 330 Ом, будет находиться в состоянии ON. Индикатор будет вспыхивать при каждой правильной пересылке пакета (с ACK). В режиме общего ожидания все LED индикаторы будут находиться в состоянии OFF.

    Данная технология обеспечивает возможность наблюдения за состоянием хаба, подсоединением нисходящих устройств и трафиком USB. GoodLink может быть использована для выявления неисправных устройств.

    SoftConnect (используется в приборах PDIUSBH11A, PDIUSBH12 и ISP1130)

    Присоединение к шине USB сопровождается подсоединением вывода D+ (для высокоскоростных USB устройств) к высокому уровню посредством встроенного подтягивающего к VCC, по умолчанию не присоединенного к VCC. Имеется и встроенный подтягивающий к GND резистор, также по умолчанию не присоединенный к GND. Соединение того или другого встроенного резистора к VCC или GND определяется командой внешнего системного микроконтроллера. Это позволяет системному микроконтроллеру завершить последовательность инициализации перед установлением соединения USB.

    Приборы, прежде чем соединение может быть установлено, проверяют наличие на шине USB напряжения VBUS , что выполняется по специальному выводу. Легко выполняется объединение обнаружения VBUS и обнаружения перегрузки по току за счет использования VBUS в качестве подтягивающего напряжения для выхода, с открытым стоком, индикации перегрузки по току.

    Обнаружение перегрузки по току (ISP1122, ISP1123 и ISP1130)

    Нисходящие порты оснащены встроенными схемами обнаружения перегрузки по току. Это высокоскоростные автоматически срабатывающие сбрасывающие схемы, не требующие внешних компонентов. Поддерживаются режимы защиты как каждого порта, так и общей защиты.

    Преобразователь напряжения (ISP1122, ISP1123 и ISP1130)

    Для организации питания аналогового приемопередатчика и внутренней логики используется встроенный DC-DC преобразователь, преобразующий напряжение 5 В в напряжение 3,3 В. Он может быть использован для подключения согласующего подтягивающего резистора на линии D+ восходящего соединения.

Получить консультации и преобрести компоненты вы сможете у официальных поставщиков фирмы NXP Semiconductors,