嵌入USB控制器的51系列单片机EZ-USB

内部的微处理器在标准8051上缩短了执行时间并增加了新的特性。它用内部SRAM存储程序和数据，使EZ-USB 系统具有软配置的特性。USB主机经USB总线将8051的程序代码和描述符装入SRAM中，然后，EZ-USB芯片用已下装程序中定义的外设特性进行重新连接，这个过程也叫再枚举。

EZ-USB系列使用了强大的SIE/USB接口(称为USB内核)。这个具有强大功能的内核可以自动完成USB协议的转换，简化8051的代码。

EZ-USB 芯片在3.3 V电压下就可以运行，简化了USB设备总线电压的设计。

3.2 EZ-USB特性

① 改进的8051内核。性能可达到标准8051的5~10倍，与标准8051的指令完全兼容。

② 高度集成。传统USB外设的硬件设计通常包括非易失性存储器(如EPROM、EEPROM、FLASH ROM)、微处理器、RAM、SIE(串行接口引擎)和DMA等。EZ-USB将上述多个模块集成在一个芯片中，从而减少了各芯片接口部分时序配合时的麻烦。

③ USB 内核。EZ-USB可以代替USB外设开发者完成USB协议中规定的80 %~90 %的通信工作，使得开发者不需要深入了解USB的低级协议即可顺利地开发出所需要的USB外设。EZ-USB系列芯片接收全部USB 的吞吐量。这种采用EZ-USB的设计，不受端点数目、缓冲区大小及传输速度的限制。

④ 软配置。外设未通过USB接口连接到PC机之前，外设上的固件存储在PC上；一旦外设接到PC机上，PC先询问该外设是"谁"(即读设备描述符)，然后，将该外设的固件下载到EZ-USB的RAM中并执行，这个过程叫作再枚举。这个特性给USB外设开发者带来许多方便。如开发过程中，当固件需要修改时，可以在PC机上修改好以后，下载到EZ-USB，从而省去了编程芯片的麻烦。这种基于RAM的软配置方法，可以允许无限的配置和升级。

⑤ 易用的软件开发工具。固件可独立于驱动程序被测试。驱动程序和固件的开发与调试相互独立，可加快开发的速度。

4 EZ-USB微处理器

EZ-USB微处理器是一个改进的8051内核，使用标准8051指令系统，其指令执行速度比标准8051快，原因有两点：

① 空闲( wasted)的总线周期被消去。一个总线周期仅包含4个时钟周期，而标准8051则为12个时钟周期。

② 8051的运行速度为24 MHz。

除了速度的提高，改进的8051内核还有以下几处结构上的改进：

① 第二个数据指针，可用于存储器块之间的传输；
② 第二个UART；
③ 第三个16位计数器/定时器(TIMER2)；
④ 与非多路复用16位地址总线的高速存储器直接接口；
⑤ 增加了7个中断源(INT2~INT5、PFI、T2和UART1)；
⑥ 可变的MOVX执行时间可适优纺愤/低速的RAM外设；
⑦ 256字节的内部寄存器RAM，8K字节的程序/数据复合SRAM；
⑧ 3.3 V工作电压。

EZ-USB 集成芯片在8051的基础上又有其他改进：

① 快速外部数据块传输(指针自动增量，快速传输模式)；
② USB中断向量；
③ CONTROL传输的SETUP和DATA部分有各自的缓冲器。

4.1 AN2131Q的封装和引脚描述

图5是EZ-USB 2100系列中80引脚封装的AN2131Q的引脚排列图。

各引脚功能分述如下：

DISCON#：引脚1，输出。该引脚由两个位DISCOE和DISCON控制。当DISCOE=0时，引脚悬空；当DISCOE=1时，驱动引脚。当DISCOE=1时，驱动的逻辑级与DISCON位相反。

USBD－，USBD+：引脚77，79 ，高阻态。USB D+/D－信号。将24欧姆振荡器与USB D+/D－引脚相连。

A0~A15：引脚7~12，15，16，26~29，34~37输出。8051地址总线。

D0~D7：引脚48~51，57~60，I/O/高阻态。8051数据总线。该双向总线空闲时处于高阻状态，总线读时为输入，总线写时为输出。

PSEN#：引脚80，输出。程序存储器使能端。引脚接低电平时有效，表示从外部存储器中读取程序。当EA为低电平时，程序存储器的地址从0x1B40开始；当EA为高电平时，程序存储器的地址从0x0000开始。

PA0~PA7：引脚68~71，73~76，I/O。多功能输入/输出引脚。
PB0~PB7：引脚44~47，52~55，I/O。多功能输入/输出引脚。
PC0~PC7：引脚30~33，38~41，I/O。多功能输入/输出引脚。

BKPT：引脚61，输出。断点。当8051地址总线与BPADDRH/L寄存器的内容一致，且USBBAV寄存器中的断点使能(BPEN)时，该引脚被激活(高电平)。如果USBBAV寄存器中的BPPULSE位为高，就产生8个24 MHz的高电平的时钟脉冲；如果BPPULSE位为低，保持高电平直到8051清除USBBAV寄存器中的BREAK位(写1)。

RESET：引脚25，输入。有效高电平复位。使8051和SIE复位。该引脚一般通过1个10 k欧姆电阻接地，用1个1μF电容接VCC。

EA：引脚24，输入。访问外部存储器。该引脚有效(HI)时，8051并不是从内部程序RAM中获得代码，而是从外部存储器中读取代码。当EA=0时，8051从外部存储器的0x1B40地址(AN2131)开始读取代码。

AVCC：引脚21，电源。Analog Vcc(模拟电源)。该引脚为芯片的模拟部分提供电源。

AGND：引脚18，电源。Analog Ground(模拟地)。尽可能以最短路径接地。

XIN：引脚19，输入。晶振输入。该引脚经由12 MHz晶振和22~33 pF电容接地。它也能用12 MHz的时钟电路驱动。

XOUT：引脚20，输出。晶振输出。该引脚经由12 MHz晶振和22~33 pF电容接地。当XIN由12 MHz时钟电路驱动时，该引脚悬空。

WAKEUP#：引脚66，输入。USB唤醒。当8051挂起时，该引脚上的一个上升沿可开启振荡器，向8051发出中断，请求推出挂起状态。维持WAKEUP#的低电平可避免EZ-US芯片进入挂起状态。

SCL：引脚65，OD(漏极开路)。I2C时钟。即使没有I2C设备相连，也要用2.2 k欧姆电阻接VCC。

SDA：引脚64，OD(漏极开路)。I2C数据。即使没有I2C设备相连，也要用2.2 k欧姆电阻接VCC。

CLK24：引脚4，输入。24 MHz时钟，可锁定为12 MHz输入时钟。当CPUCS寄存器中的OUTCLKEN=0时没有输出。

NC：引脚67。该引脚不连接。

软配置是EZ-USB系列芯片的一个重要特性。EZ-USB芯片中包含内部程序/数据RAM，不再需要ROM或其他固定的存储器。通过USB本身将程序下载到RAM中，为设备提供独特的特性，使得修改、版本更新更容易。

EZ-USB可作为USB设备进行连接，当内部8051处于复位状态时，将程序下载到内部RAM。这一切都是由改进的SIE完成的，它可以进行图2中的所有操作，甚至更多。SIE包含其他逻辑，可用内部描述符表进行枚举操作。它也能响应主机发出的特殊的"下载固件"设备请求，将固件装入内部RAM。还有一点值得一提的是，增加的SIE功能可用于8051。这一特点可缩减8051程序，加快程序的执行。