深入剖析Atmel AT43USB370：USB 2.0雙角色處理器的卓越性能與應(yīng)用

在嵌入式設(shè)備的設(shè)計領(lǐng)域，USB連接功能的實現(xiàn)至關(guān)重要。Atmel的AT43USB370作為一款USB 2.0兼容的雙角色、全速主機/功能處理器，為嵌入式設(shè)備的點對點USB連接提供了出色的解決方案。今天，我們就來深入剖析這款處理器的特性、架構(gòu)和應(yīng)用。

文件下載：AT43USB370E-AC.pdf

一、產(chǎn)品特性概覽

1. USB 2.0全速主機/功能處理器

AT43USB370具備實時主機/功能切換能力，內(nèi)部集成了USB和系統(tǒng)接口控制器。它擁有32位通用系統(tǒng)處理器接口并支持DMA，為數(shù)據(jù)傳輸提供高效通道。同時，主機和功能操作分別設(shè)有獨立的TX和RX緩沖區(qū)，還支持系統(tǒng)內(nèi)固件升級。

2. 自主USB主機操作

無需系統(tǒng)處理器干預(yù)，AT43USB370就能完成設(shè)備枚舉、USB協(xié)議管理、總線帶寬回收和狀態(tài)處理等任務(wù)。它支持控制、批量、中斷和同步傳輸，最多可同時支持7個USB設(shè)備。

3. 全速功能控制器

具有1個雙向控制端點和6個可編程端點（可設(shè)置最大數(shù)據(jù)包大小和端點類型），支持控制、中斷、批量和同步傳輸，非同步端點還具備自動重試功能。

4. 集成USB固件

提供易于使用、符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn)的API，方便進(jìn)行USB設(shè)備驅(qū)動開發(fā)。同時，還集成了嵌入式、與操作系統(tǒng)無關(guān)的USB主機棧、嵌入式系統(tǒng)接口控制器驅(qū)動和嵌入式USB集線器驅(qū)動。

5. 其他特性

工作頻率為6 MHz，支持1.8 V和3.3 V供電，采用100引腳LQFP封裝。

二、架構(gòu)與功能詳解

1. 硬件架構(gòu)

AT43USB370采用SRAM版本，利用片上的USB控制器（USBC）和系統(tǒng)接口控制器（SIC）來分擔(dān)系統(tǒng)處理器的USB相關(guān)處理任務(wù)。上電或復(fù)位時，系統(tǒng)處理器通過系統(tǒng)總線接口將相應(yīng)的固件下載到USBC和SIC中。

• USB收發(fā)器：符合通用串行總線2.0版標(biāo)準(zhǔn)，能以12 Mbps和1.5 Mbps的速率進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
• 串行接口引擎（SIE）：完全由硬件實現(xiàn)，負(fù)責(zé)時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)、串行/并行轉(zhuǎn)換、NRZI編碼/解碼、CRC計算等功能。
• SIE控制器：作為SIE和USBC之間的接口，負(fù)責(zé)解碼USBC的命令并更新USB事務(wù)結(jié)束后的狀態(tài)，同時控制FIFO以進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制包的管理。
• USB控制器：專門用于管理USB協(xié)議，其控制和狀態(tài)寄存器映射到數(shù)據(jù)存儲器中，固件決定其工作模式（主機或功能）。
• 系統(tǒng)接口控制器：作為USB控制器和外部系統(tǒng)處理器之間的接口，管理數(shù)據(jù)流向系統(tǒng)處理器的傳輸，并為系統(tǒng)應(yīng)用提供通用的USB設(shè)備驅(qū)動接口。
• FIFO：包含一個數(shù)據(jù)FIFO塊和一個控制FIFO塊。控制FIFO有128字節(jié)的內(nèi)存，用于雙向控制端點；數(shù)據(jù)FIFO有2 Kbytes的內(nèi)存，可動態(tài)配置以支持不同的數(shù)據(jù)端點需求。

2. 控制和狀態(tài)寄存器

用于在操作開始時配置AT43USB370，USBC和SIC與系統(tǒng)處理器接口邏輯共享該寄存器集。默認(rèn)情況下，該塊為啟用32位數(shù)據(jù)總線DMA的主機操作進(jìn)行了預(yù)配置。在功能模式下，可定義端點的數(shù)量和性質(zhì)。

3. 時鐘與復(fù)位

AT43USB370需要一個外部6 MHz晶體為片上PLL提供參考時鐘頻率，PLL為處理器提供所有內(nèi)部時鐘源。復(fù)位信號為低電平有效，復(fù)位時，USBC和SIC初始化，系統(tǒng)處理器接口寄存器恢復(fù)默認(rèn)值。

4. 固件下載機制

通過外部系統(tǒng)處理器對USBC和SIC進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)編程，需要SELECT、PROG、READY和DONE控制信號。編程時，先選擇要編程的控制器，然后通過一系列操作將固件下載到程序存儲器中。

三、系統(tǒng)處理器接口與數(shù)據(jù)傳輸機制

1. 系統(tǒng)處理器接口

AT43USB370通過通用32位系統(tǒng)處理器接口與外部系統(tǒng)處理器連接，系統(tǒng)接口信號包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、片選、讀使能和寫使能。片上DMA引擎提供系統(tǒng)處理器和片上USB FIFO塊之間的最大數(shù)據(jù)吞吐量。

2. 數(shù)據(jù)傳輸機制

• 可編程IO（PIO）接口：用于系統(tǒng)處理器對AT43USB370的系統(tǒng)處理器接口寄存器進(jìn)行單或多讀寫操作，需要MORE和INTR_IN信號。
• 直接FIFO接口：系統(tǒng)處理器可通過該接口直接讀寫AT43USB370的片上FIFO，通過在地址總線上寫入0xFF進(jìn)行配置。
• DMA接口：用于AT43USB370內(nèi)部FIFO和系統(tǒng)處理器內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，AT43USB370通過斷言DREQ_N信號發(fā)起DMA過程，采用塊模式傳輸數(shù)據(jù)。

四、固件架構(gòu)

1. 主機固件

由主機USB控制器驅(qū)動（HUSBCD）和主機系統(tǒng)接口控制器驅(qū)動（HSICD）組成。HUSBCD負(fù)責(zé)自主集線器支持、設(shè)備枚舉、幀管理、事務(wù)調(diào)度、總線回收和狀態(tài)處理等任務(wù)；HSICD負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸管理、高級API管理、描述符管理和USB主機系統(tǒng)庫的管理。

2. 功能或設(shè)備固件

包括設(shè)備USB控制器驅(qū)動（DUSBCD）和設(shè)備系統(tǒng)接口控制器驅(qū)動（DSICD）。DUSBCD負(fù)責(zé)設(shè)備配置、FIFO配置、設(shè)備枚舉和標(biāo)準(zhǔn)請求處理、掛起檢測和事務(wù)處理等任務(wù)；DSICD負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸管理和高級API管理。

五、電氣特性與封裝信息

1. 電氣特性

AT43USB370的絕對最大額定值包括3.3V電源供應(yīng)范圍為3.0 - 3.6V，工作溫度范圍為0 - 70°C等。同時，文檔還給出了DC和AC電氣特性的詳細(xì)參數(shù)。

2. 封裝信息

采用100引腳LQFP封裝，符合JEDEC參考MS - 026，Variation AED標(biāo)準(zhǔn)。

六、總結(jié)與思考

AT43USB370以其高度集成的USB硬件/固件架構(gòu)，隱藏了傳統(tǒng)USB設(shè)計的復(fù)雜性，釋放了系統(tǒng)資源，是資源受限嵌入式環(huán)境中實現(xiàn)點對點USB連接的理想解決方案。在實際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求，合理配置AT43USB370的工作模式、端點參數(shù)等，以實現(xiàn)最佳的性能和功能。同時，對于其數(shù)據(jù)傳輸機制和固件架構(gòu)的深入理解，有助于開發(fā)出高效、穩(wěn)定的USB設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用程序。大家在使用AT43USB370的過程中，是否遇到過一些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。