1 通用串行總線和數字音頻
1.1 通用串行總線
　　通用串行總線(USB)是一種工業標準連接總線，用于支持寬范圍的PC外設的設計。USB拓撲有三個元素：主機(Host)，集線器(Hub)和功能塊(Function)。PC是主機，而外設是功能塊。外設通過USB電纜和協議與主機PC接口。為使能外設的多樣性，USB協議定義了4種傳輸類型：控制、同步、中斷和塊。
　　每種外設都應支持控制傳送以便配置和命令/狀態信息流能在主機PC和外設之間流動。同步傳送提供可靠的總線訪問和恒定的數據率以支持CTI(Computer Telephony Integration)和音頻系統。中斷傳送支持像游戲桿、鼠標和鍵盤之類的HID(Human Input Device)，這些設備不經常地傳送少量的數據，但帶有確定的服務周期。塊傳送支持像打印機和數字相機之類的外設，這些設備當總線帶寬有效時傳送大量數據給PC。
　　USB實行一種分塊的帶寬分配方案，如果外設超過當前帶寬分配或等待時間要求，那么將拒絕訪問外設。在同步和中斷傳輸中可使用高達90%的總線帶寬，剩余的10%被保留用于控制傳輸。塊傳輸只能在帶寬有效時進行。
1.2 Intel8x930Ax/Hx USB控制器
　　計算機外設的豐富及消費電子設備與計算機連接的實現，擴展了PC機的應用空間，同時外設的日益豐富也給用戶造成了連接上的困難。USB技術的提出是基于采用通用連接技術實現外設的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC機連接外設的范圍之目的。USB外設需通過USB與PC接口，8x930Ax/Hx便是一種將PC和外設溝通的器件。8x930Ax/Hx芯片是INTEL公司開發的具有USB功能的微控制器，既符合USB規范，又具有USB器件的某些結構特征。它基于INTEL MCS251微控制器內核，其高性能和低價格的組合使它成為PC圖象外設、數字音頻、PC電話及存儲設備的理想解決方案。
　　8x930Ax和8x930Hx這兩類芯片除了與USB的接口有點不同外，其余的功能完全相同。它們都為PC外設提供了一個USB接口。另外，8x930Hx還提供了Hub功能，允許連接另外的PC外設或HUB。下面以8x930Ax為例說明其功能和特性。
　　Intel8x930Ax USB外設控制器除集成了USB的特征外還提供了高性能大存儲器合裝和尋址、低功耗、低噪聲、有效的高級語言支持和增強的指令集以及綜合的特性和功能。Intel8x930Ax芯片為68引腳的PLCC封裝，其引腳排列如圖1所示，8x930Ax中的USB結構如圖2所示。

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1.2.1 收發器
　　USB電纜只包含4根電線：Vbus、D+、D－和GND。數據以12Mbs的全速信號率或1.5Mbs的低速率在D+和D－線上被差分驅動。收發器建在芯片上，不需要外部電路，除了在D+或D－線上用來選擇全速或低速設備的上拉限定電阻之外。
1.2.2 SIE
　　SIE(Serial Interface Engine)通過包排序、信號產生/檢測、CRC產生/校驗、NRZI數據編碼、位填充和包標識(PID)產生/解碼來處理USB通信協議，并保證傳送到USB電纜上的數據字節以LSb開頭。
1.2.3 FIU
　　FIU(Function Interface Unit)管理基于傳送類型和FIFO狀態來接收和發送USB數據。它監視事務狀態、管理FIFO和通過中斷請求轉播控制事件給8x930Ax的CPU。
1.2.4 FIFO
　　8x930Ax CPU控制器總共有8個FIFO：4個發送FIFO和4個接收FIFO。發送/接收FIFO支持4個功能塊端點(0～3)。端點0為16字節，專門用于控制傳送。端點1可配置到1024個字節，端點2和3每個為16字節，它們可用于中斷、同步或塊傳送。發送和接收FIFO是循環存放的堆棧，支持兩個大小可變的分立數據組和作為存放數據組中的字節數用的一字節計數寄存器。FIFO還有檢測FIFO空或滿的標記且具有重新發送和接收當前數據組的能力。
1.2.5 Firmware
　　Firmware是USB和用戶應用代碼之間的接口。8x930Ax的代碼可使用Intel MCS51指令集以保護用戶以往的軟件投資、也可用MCS251指令集以便使應用得到最佳的性能。
　　8x930Ax具有的其它特征為：
　　·256K字節外部代碼/數據存儲器；
　　·1K字節片上數據RAM；
　　·CPU中40字節通用目的寄存器；
　　·增強的串口(MCS51 UART)；
　　·3個16位定時器/計數器；
　　·硬件看門狗計時器(WDT)；
　　·4個8位I/O口；
　　·2種節電模式：空閑和掉電；
　　·256K字節地址空間；
　　·外部總線(復合)
　　地址：16、17或18位
　　數據：8位
　　·0、8或16K字節片上ROM；
　　·1024字節片上RAM；
　　·40字節寄存器文件；
　　·8個中斷矢量，與USB相關的有4個；
　　·用戶可選配置：外部地址范圍、等待狀態、頁模式；
　　·實時等待狀態；
　　·MCS51和MCS251微控制器代碼級兼容；
　　8x930Ax USB控制器的可編程計數陣列(PCA)，為要求實時比較/捕獲、高速I/O及脈寬調制(PWM)功能的應用增加了靈活性。集成在8x930Ax芯片上的外設有多樣的組合，使之成為功能強大的微控制器。
1.3 USB音頻
　　目前用PC產生音頻有兩種方法。第一種是CD音頻，與家庭立體聲壓縮光盤播放機類似，CD－ROM驅動讀壓縮光盤和產生模擬信號輸出。此模擬信號輸入PC聲卡，經進一步處理后，用標準RCA插頭從PC機輸出。通過PC產生音頻的第二種方法是通過從內存讀文件給聲卡來完成，聲卡完成解碼或處理，將數字數據轉換為模擬量，并用標準RCA插頭從PC輸出此模擬信號，這是當一個用戶下載一個音頻文件或從硬件驅動播放時的使用過程。
　　使用PC聲卡可能存在下列缺點：在將聲卡裝入PC插槽時，聲卡將占用像中斷、端口地址一樣的PC資源。另外，聲卡必須被插入PC機箱內，因此必須重新配置，這在許多用戶看來是困難的。機箱內還有電磁干擾(EMI)噪聲，這會限制機箱內音頻方案的聲音質量。在從CD－ROM到聲卡的過程中存在模擬信號，因為設計的復雜性，聲卡限制了通道數目。這會妨礙它們的音階能力，而且在沒有給音箱增加功率時無法在多通道環繞聲系統中使用。
　　USB位于機箱外，因此很適合于音頻應用。音頻數據在PC機內是數字的，它轉換為模擬量時恰好位于音箱放大電路前面，這將改善聲音的質量。數字音頻具有更高的逼真性，這在音頻的高端更明顯。基于USB的音頻方案很容易被改變以允許音箱廠商在主機PC和USB控制器之間不用增加任何硬件就可提高音頻的質量。例如，具有多于兩個音頻數據通道是可能的，以豐富用戶的多媒體終端。類似地，易于即插即用的特性使USB結構更吸引人。這樣，數據處理可在主機上完成，為音箱制造商提供了一個降低存儲成本的方法，用戶只需買一對有USB兼容能力的音箱即可。
　　USB也具有處理音頻應用要求的帶寬，CD具有44.1kHz的采樣率，每個采樣為16位。因為USB的幀速率是10ms內，音頻外設將接收包含44個采樣的9幀數據及包含45個采樣的1幀數據。也就是說，在10ms的時間周期內，外設將接收9×44+45＝441個采樣，平均每毫秒接收44.1個采樣，等于44.1kHz的采樣率。
　　假設音頻數據為二個通道，加上協議開銷10個字節，和最壞情況下16%的位填充，播放系統需控制(45×16×2+10)×1.16＝1682位/ms，或接近210字節/ms。每個USB幀具有1024字節的數據負荷。因此，立體聲音頻信號的播放大約會消耗可用USB帶寬的20%。每個210字節包中，有(45×16×2)/8＝180字節的原始音頻數據。
2 8x930Ax/Hx接口
2.1 8x930Ax/Hx與USB的接口
　　8x930Ax/Hx與USB除了上述接口外，對于音頻應用還具有以下特點：①對于給定數據有效載荷大小，音頻應用將使用8x930Ax/Hx的端點1，且8x930Ax/Hx端點1的1024字節FIFO將被配置成2個512字節。②數據傳送類型采用同步傳送。在音頻流發送期間，從幀X來的數據將被讀入A。在幀(X+1)的開始點，A中的數據將變為無效，而從主機來的數據被讀入B。在幀(X+2)的開始點，B中的數據無效，從主機來的數據將覆蓋A。需注意的是，在同步傳送中不使用重新發送的特性。③USB協議要求傳輸的數據必須以LSb和LSB開頭。在一個給定字節內由SIE負責從LSb到MSb進行發送，因此用戶不必擔心LSb開頭，但用戶需保證多字節數據包以LSB開頭進行傳送。
2.2 8x930Ax/Hx與音頻編解碼器的接口
　　一旦數據從USB電纜上俘獲進入收發器FIFO，有二種方法將數據從8x930Ax/Hx傳送到音頻編解碼器。第一種是通過串行I/O端口。第二種是通過系統總線(8位I/O端口0和2)。對于同步傳送，8x930Ax/Hx被配置成高速設備，運行在12MHz。
　　串行I/O端口支持與Modem和其它外部外設的通信。它能工作在3個全雙工異步模式或1個半雙工同步模式。在半雙工模式(模式0)，時鐘由RXD引腳輸出，同時數據也由RXD引腳發送和接收。通過使用串行端口控制(SCON)和串行緩沖(SBUFF)寄存器來控制傳送。與發送/接收FIFO類似，數據以LSb開頭傳送。
　　另外的接口信號通過使用剩余的I/O端口(端口1和3)來控制，SCON寄存器中的TI位能被登記以決定一個數據采樣傳送的完成，由此觸發LRCLK信號。因為8x930Ax/Hx只有一個串行I/O口，控制信息的傳送需被明確編程。系統總線(端口0和2)用來與外部存儲器進行通信。外部總線通過使用接口的8位端口支持16位尋址和8位數據。一個端口用于8位地址信息而另8位端口則是地址和數據復合使用的，從音頻編解碼的觀點來看，不管8x930Ax/Hx是否被配置成頁模式或非頁模式。
　　使用并行接口的音頻編解碼器可看作是第二個存儲設備。音頻編解碼器可使用控制接口請求數據樣品或控制信息，在控制器檢測到請求后，它把數據寫入到系統總線上。應特別注意地址解碼和總線定時。
　　8x930Ax/Hx的第17和18位尋址模式是非常有用的。外部PAL或邏輯門能解碼這二個信號以產生音頻編解碼器的使能信號。控制信號的傳送可用端口1和3來進行。與串口I/O方法類似，在這些引腳上的信號轉換都應被明確編程。
　　8x930Ax/Hx與Analog Device公司16位并行立體聲音頻編解碼器AD1845的接口框圖如圖3所示。