Долгушин Сергей
Журнал "Компоненты и технологии" N4'2006

Сегодня уже никого не удивишь наличием USB-интерфейса у персональных компьютеров (ноутбуков). Во многих случаях он становится практически единственным проводным коммуникационным интерфейсом, позволяющим подключать к компьютеру различные внешние устройства - цифровые видеокамеры и фотоаппараты, принтеры и сканеры, внешние устройства хранения данных. Простая в использовании, шина USB практически вытеснила своих предшественников - параллельную шину (LPT) и последовательный интерфейс (COM - порт).

Большинство современных персональных компьютеров обязательно оснащается интерфейсом USB и может уже не иметь COM или LPT порта. Такая ситуация отрицательно сказывается на производителях приборов и систем, разработанных ранее и не имеющих возможности подключения к современным компьютерам по USB. То же самое можно сказать и о конечных пользователях, покупающих, например, ноутбук и не имеющих возможности подключить к нему проверенную временем аппаратуру, которая не оснащена интерфейсом USB.

Очевидный выход из данной ситуации - оснащение выпускаемой техники новым интерфейсом. В такой ситуации присутствуют отрицательные стороны как для производителя, так и для конечного потребителя, т.е. для нас с Вами. И если конечный потребитель может использовать специально выпускаемые переходные кабели USB-RS232 или USB-LPT, то производителю техники придется затратить куда больше усилий для разработки нового изделия. Причем изменения коснутся не только аппаратной части изделия, но и программной, как верхнего (хост), так и нижнего (микроконтроллер) уровня. Для многих задач "камнем преткновения" может стать задача написания драйвера устройства для хост-машины. Так, например, можно использовать стандартные драйверы, входящие в операционную систему - драйверы устройств класса HID, mass storage devices. Но использование драйверов стандартных классов не всегда может быть удовлетворительным с точки зрения передачи данных. Например, использование драйверов HID-устройств существенно ограничит скорость обмена, но обеспечит надежную передачу данных. С другой стороны, использование драйверов аудио-устройств обеспечит высокую скорость обмена, но не гарантирует доставку всех переданных данных конечному приложению.

Что же делать, если в случае серийно выпускаемого устройства возникает потребность в короткие сроки оснастить его интерфейсом USB? Как, не вникая в подробности протокола USB, не затрачивая уйму времени на изучение драйверов различных классов и пытаясь приспособить их под собственные задачи, реализовать такой простой для конечного потребителя интерфейс?

В таких случаях самым очевидным выходом является использование аппаратных мостов USB.

Одной из ведущих компаний по разработке и производству таких специализированных микросхем является фирма FTDI. Компания была основана в 1992 году в Шотландии. Основной сферой деятельности являлась разработка чипсетов для материнских плат персональных компьютеров IBM. В 1996 году, после принятия первой спецификации USB 1.0, основной сферой деятельности FTDI стала разработка аппаратных мостов USB и драйверов для них. Практика компании показала, что наиболее популярными были и остаются аппаратные мосты с интерфейсом UART и параллельным интерфейсом FIFO. Именно аппаратные мосты "USB-UART" и "USB-FIFO" являются основной продукцией компании. Тем не менее, кроме них также выпускаются концентраторы USB, готовятся к производству хост-контроллеры, разрабатываются микросхемы нового аппаратного моста с поддержкой высокоскоростного режима передачи.

Серийное производство аппаратных мостов компания FTDI начала с выпуска микросхем FT8U232 "USB - UART" и FT8U245 "USB - FIFO", которые оказались достаточно удачным решением, востребованным на зарождающемся рынке микросхем с интерфейсом USB. Эти микросхемы имели только один режим работы, т.е. непосредственное преобразование "USB - UART" и "USB - FIFO", большое число внешних компонентов, включая кварцевый резонатор и энергонезависимую память для хранения идентификаторов USB и настроек режима работы.

Возможности следующего поколения микросхем FT232B "USB - UART" и FT245B "USB - FIFO" были расширены путем добавления нового режима работы Bit Bang. В данном режиме выходной интерфейс микросхем реализует 8 независимых линий ввода/вывода. В таком режиме мост может, например, управлять работой реле без дополнительного микроконтроллера. Кроме того, была изменена схемотехника кристалла. В него был интегрирован контур "power-on-reset". В остальном никаких дополнительных доработок не было.

2006 год был ознаменован появлением нового поколения микросхем - FT232R и FT245R, в которых были воплощены пожелания многих разработчиков: интегрированные на кристалл энергонезависимая память для хранения настроек режима работы и идентификаторов USB, встроенный тактовый генератор и некоторые пассивные компоненты.

Дополнительно каждая микросхема имеет уникальный идентификатор FTDIChipIDTM, "прошиваемый" при производстве на фабрике.

Встроенная EEPROM с выделенной областью для записи пользовательской информации и уникальный идентификатор в сумме дают возможность создавать на базе новых микросхем FTDI аппаратные ключи для защиты от несанкционированного доступа. Для работы с новой функцией была разработана новая библиотека, которая работает совместно с драйвером D2XX.

По сравнению с предыдущими версиями претерпел кардинальные изменения встроенный преобразователь напряжения 3.3 В. В новых версиях микросхем его нагрузочная способность достигла 50 мА, что в 10 раз больше, чем у предыдущих версий. Внесены усовершенствования и в режим Bit Bang. Теперь изменение состояния линий ввода/вывода может сопровождаться контрольными сигналами чтения или записи. Новое поколение микросхем рассчитано на работу в индустриальном температурном диапазоне от -40°С до +85°С. Новые микросхемы выпускаются в двух типах корпусов - SSOP 28 и QFN 32. Оба типа корпуса отвечают требованиям стандарта RoHS.

Микросхемы серии FT232R имеют дополнительные возможности по сравнению с микросхемами FT245R.

Изменилось функциональное назначение выводов TXLED, RXLED, TXDEN, PWREN, SLEEP. В новой модификации эти выводы носят название CBUS. Настройка выводов CBUS хранится в EEPROM и выбирается индивидуально для каждого из выводов. По умолчанию их функциональное назначение соответствует перечисленным выше сигналам. Другими возможными конфигурациями шины CBUS могут быть режим Bit Bang или возможность транслирования тактового сигнала от встроенного генератора.

В режиме Bit Bang могут работать 4 из 5 линий CBUS. Они могут служить дополнительными линиями ввода/вывода. На скорость обмена по линиям CBUS будет влиять загрузка основного канала USB - UART.

Для передачи тактовых сигналов от встроенного генератора на внешние устройства могут быть задействованы все 5 выводов шины CBUS. Частота выходного сигнала на любом из выводов может быть задана равной 6, 12, 24 или 48 МГц независимо от конфигурации других выводов. Такая возможность позволяет отказаться от использования в схеме дополнительных элементов, таких как, например, тактовые генераторы и распределители тактовых сигналов.

Следует отметить, что новые версии микросхем FT232R и FT245R несовместимы по выводам с микросхемами предыдущей серии "B".

В качестве иллюстрации приведем две схемы преобразователя USB - RS232 на базе микросхемы FT232BM (рис.1) и на базе микросхемы FT232R (рис.2). Видно, насколько упростилась схема включения нового кристалла.

Рисунок 1

Рисунок 2

В ряду продукции фирмы FTDI также стоит отметить микросхему FT2232C. На ее базе можно реализовать два независимых канала "USB - UART" или "USB - FIFO". Выходные интерфейсы выбираются независимо друг от друга. Кроме основных функций, микросхемы данной серии могут быть использованы для загрузки конфигурации в микросхемы FPGA производства компании Altera или для эмуляции последовательных интерфейсов IIC, SPI или JTAG.

Несколько слов хотелось бы сказать и о выборе выходного интерфейса. Решение данной задачи зависит от требуемой скорости передачи и наличия свободных линий ввода/вывода микроконтроллера, установленного в целевом приборе. Максимальной скорости передачи в 8 Мбит/с можно достичь при использовании микросхемы FT245 "USB - FIFO". Подключение к внешнему контроллеру обеспечивают 8 линий данных, 2 линии для передачи управляющих сигналов чтения или записи и 2 линии статуса приемного и передающего буферов. Для микросхем FT232 "USB - UART" FT232 максимально возможной скоростью будет 3 МБода. Обмен между контроллером и микросхемой происходит по интерфейсу UART. В этом случае используются 2 линии для передачи данных и 6 линий для обеспечения аппаратного контроля обмена. Линии аппаратного контроля могут не использоваться.

Следует учитывать, что в реальных системах достичь максимальной скорости обмена в 8 Мбит/с удается далеко не всегда. Одним из ограничивающих факторов во многих случаях является скорость работы операционной системы компьютера. По результатам проведенных испытаний при работе с ОС Windows XP от микросхем FT245 можно с уверенностью ожидать скоростей порядка 6 Мбит/с.

Если прибор оснащен интерфейсом RS-232, либо имеющиеся ресурсы контроллера не позволяют выделить 12 линий ввода/вывода, а возникла необходимость обеспечить связь по USB, то самый простой выход - аппаратный мост FT232 "USB - UART". В общем случае, в целевом приборе придется заменить аппаратный драйвер RS232 на FT232 и установить драйвер виртуального COM-порта на компьютере.

Итак, использование специализированных микросхем FTDI решает аппаратную проблему реализации интерфейса USB в целевом приборе. Но остается открытым вопрос разработки драйвера. Компания FTDI дает решение и этой задачи. Для работы с мостами разработаны и свободно распространяются два типа драйверов: VCP (виртуальный COM-порт) и D2xx. Разработчику остается выбрать подходящий драйвер.

В общем случае, преимущество драйвера VCP заключается в том, что для обмена данными по USB можно использовать ранее созданное программное обеспечение, работающее с COM-портом, при условии, что эти программы осуществляли корректный доступ к последовательному порту через стандартные WIN32 API-функции. В этом случае модификация программы будет заключаться лишь в замене номера последовательного порта. Отметим, что драйвер VCP поддерживает работу со всеми микросхемами FTDI независимо от того, какой способ связи с микроконтроллером они используют: последовательный ("USB - UART") или параллельный ("USB - FIFO").

Драйверы D2xx включают драйвер WDM, который осуществляет связь с устройством через Windows USB Stack и библиотеку DLL, которая связывает прикладное программное обеспечение (написанное на VC++, Borland C++ Builder, Delphi, VB и т.п.) с драйвером WDM. В общем случае, они являются альтернативой драйверам VCP. Исключением будет использование последовательных каналов IIC, SPI или JTAG для микросхем FT2232 или новой технологии FTDIChipIDTM для микросхем серий FT232R и FT245R, которые могут быть реализованы только с помощью драйверов D2xx. Драйверы D2XX позволяют достичь максимальных заявленных скоростей обмена данными - 8 Мбит/с для каналов, образующих параллельный интерфейс с микропроцессорной системой, и 3 Мбит/c при использовании последовательной связи с микроконтроллером.

На данный момент драйверы разработаны для таких операционных систем, как Windows (98, ME, 2000, CE, server 2003, XP и XP x64), Mac OS (8, 9, X) и Linux. Драйверы VCP для Windows XP имеют сертификат WHQL, в ближайших планах компании FTDI - получение сертификата WHQL для драйверов D2xx.

Продолжающийся рост количества конечных устройств с интерфейсом USB, в том числе и с функцией хоста, не остался незамеченным компанией FTDI. На 2006 год в планах компании запуск в производство аппаратных хост-контроллеров с программируемым интерфейсом пользователя. По предварительной информации, в устройство будет заложена возможность выбора типа интерфейса - разработчик сможет выбрать один из последовательных интерфейсов (SPI, IIC, UART), либо параллельный интерфейс. В разработке также находится контроллер с поддержкой высокоскоростного режима (480 Мбит/с). Выходной интерфейс здесь предполагается сделать аналогичным интерфейсу хост-контроллера.

Особо отметим, что по заявлению FTDI ни одна из ранее разработанных микросхем USB, будь то концентратор FT8U100AX или мосты "USB - UART/FIFO" FT8U232AM/245AM не планируются к снятию с производства.

Использование продукции компании FTDI позволит забыть о необходимости "дотошно" изучать спецификацию USB. Реализация интерфейса USB в целевом приборе теперь становится делом не месяцев, а недель, подтверждая заголовок статьи "USB - это просто"!