CN117909278B - 一种usb集线器芯片、usb集线器及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及USB集线器领域，公开了一种USB集线器芯片、USB集线器及数据传输方法，其中USB集线器芯片包括上行物理收发器、多个下行物理收发器、第一串行接口引擎、内建USB设备单元、集线器控制模块、内建USB设备控制模块及内建连接器。上行物理收发器和下行物理收发器与第一串行接口引擎连接，内建USB设备单元与第一串行接口引擎通过内建连接器连接，内建USB设备控制模块与内建USB设备单元连接。内建USB设备单元用于根据预先设定的USB设备类型，实现对应的USB设备功能，内建连接器用于USB接口协议的转换，并根据USB接口协议在内部总线上模拟物理收发器在收发数据时的信号。该USB集线器芯片，可自定义内建USB设备功能，扩展USB集线器的应用，能实现对主机的远程唤醒。

Description

一种USB集线器芯片、USB集线器及数据传输方法

技术领域

本发明涉及USB集线器领域，具体涉及一种USB集线器芯片、USB集线器及数据传输方法。

背景技术

USB总线是日常生活中常用的一种外设连接方式，由于电脑主机的USB接口数量有限，常常需要通过集线器(HUB)来扩展接口数量。现有的USB集线器，仅能用于数据传输和供电，功能单一，无法实现对主机的远程唤醒，不便于扩展应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种USB集线器芯片，具有可通过编程自定义功能的内嵌USB设备，可以实现自定义功能，能对主机进行远程唤醒。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种USB集线器芯片，包括：上行物理收发器，用于从上行USB接口收发的串行总线接口信号和数据之间的互相转化；多个下行物理收发器，用于对应的多个下行USB接口收发的串行总线接口信号和数据之间的互相转化；第一串行接口引擎，与所述上行物理收发器和所述多个下行物理收发器连接，用于上行USB接口连接的主机与多个下行USB接口连接的USB设备之间传输数据的解析；集线器控制模块，与所述第一串行接口引擎连接，用于控制所述第一串行接口引擎工作；内建USB设备控制模块，与所述内建USB设备单元连接，用于根据预先设定的USB设备类型，控制所述内建USB设备单元实现对应的USB设备功能；内建连接器，通过内部总线与所述第一串行接口引擎及所述内建USB设备单元连接，用于USB接口协议的转换，并根据USB接口协议在内部总线上模拟物理收发器在收发数据时的信号。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：设置有内建USB设备单元，内建USB设备单元可以通过根据预先的配置，实现预设的USB功能，解决现有USB集线器的功能单一化的缺陷。且内建USB设备可向主机发送数据，可以实现主机的远程唤醒。内建USB设备单元通过内建连接器和芯片内部总线与第一串行接口引擎连接，不占用连接USB外部设备的下行物理收发器数量，降低功耗，节约硬件资源。

上述的USB集线器芯片，所述内建USB设备单元包括第二串行接口引擎，所述第二串行接口引擎与所述内建USB设备控制模块及所述内建连接器连接。

上述的USB集线器芯片，还包括存储单元，所述存储单元与所述内建USB设备控制模块连接，所述存储单元存储有计算机程序及USB设备数据，所述内建USB设备控制模块通过调用所述计算机程序控制所述内建USB设备单元实现预设的USB设备功能。

上述的USB集线器芯片，所述USB设备数据包括设备描述符。

上述的USB集线器芯片，还包括至少一个快充单元，所述快充单元与下行USB接口和所述集线器控制模块连接。

一种USB集线器，包括：上述的USB集线器芯片；上行USB接口，与所述USB集线器芯片的上行物理收发器连接，用于与主机连接；多个下行USB接口，与所述USB集线器芯片的多个下行物理收发器一一对应连接，用于与USB设备连接。

上述的USB集线器，还包括I/O设备单元，所述I/O设备单元与所述USB集线器芯片的内建USB设备控制模块连接，所述I/O设备单元用于信息的输入与输出。

上述的USB集线器，所述I/O设备单元包括按键、LED或I/O接口电路之中的至少一个，所述按键通过按键电路与所述内建USB设备控制模块连接，所述LED通过LED驱动电路与所述内建USB设备控制模块连接。

一种上述的USB集线器的数据传输方法，包括如下步骤：

S1：读取USB集线器配置，确认是否有内建USB设备及其数量，若有内建USB设备，执行程序存储器中的相应的计算机程序；

S2：按照内建USB设备数量扩展下行USB接口数量为M+N，其中M为下行物理收发器的数量，N为内建USB设备的数量；

S3：连接内建USB设备；

S4:复位内建USB设备的计算机程序，第一串行接口引擎对下行USB接口连接的外部USB设备和内建连接器连接的内建USB设备单元进行枚举；

S5：第一串行接口引擎对从上行物理收发器接收到的主机数据进行解析，并按照端口号对数据进行重新打包；

S6：第一串行接口引擎将重新打包的数据包按照对应的端口号，通过对应的下行物理收发器和内建连接器发送至对应的USB设备；

S7：第一串行接口引擎对从下行物理收发器和内建连接器接收到的数据分别进行解析，再整合打包后通过上行物理收发器发送至主机。

上述的USB集线器的数据传输方法，，所述步骤S5包括：

S6.1：当需要发送数据至内建USB设备时，将对应端口号的数据包通过内建连接器发送至第二串行接口引擎；

S6.2：第二串行接口引擎将收到的数据包进行解析，并将解析结果发送至内建USB设备控制模块；

S6.3：内建USB设备控制模块根据收到数据及预设的计算机程序，执行预设的功能，并将需要发送的数据发送至第二串行接口引擎；

S6.4：第二串行接口引擎将需要发送的数据进行打包，并通过内建连接器发送至第一串行接口引擎。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的USB集线器芯片的原理框图；

图2为本发明实施例的USB集线器的原理框图；

图3为本发明实施例的USB集线器上电后的工作流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参照图1，本发明的实施例提供了一种USB集线器，包括上行物理收发器、多个下行物理收发器、第一串行接口引擎、内建USB设备单元、集线器控制模块、内建USB设备控制模块和内建连接器。其中上行物理收发器与上行USB接口连接，用于通过上行USB接口收发的串行总线接口信号和数据之间的互相转化。多个下行物理收发器与多个下行USB接口一一对应连接，用于下行USB接口收发的串行总线接口信号和数据之间的相互转化。第一串行接口引擎与多个上行物理收发器和多个下行物理收发器连接，用于上行USB接口连接主机与下行USB接口连接的USB设备之间的USB设备之间的数据传输控制，对上行物理收发器接收的数据包进行解析，并按照端口号重新打包后分发至对应的下行物理收发器转化为接口信号，通过对应的下行USB接口分发至对应的USB设备；或者将多个USB设备的数据解析，并重新整合打包成一个数据包发送至上行物理收发器转化为对应的接口信号，通过上行USB接口发送至主机。内建USB设备单元用于根据预先设定的USB设备类型，实现对应的设备功能。集线器控制模块与第一串行接口引擎连接，用于控制第一串行接口引擎工作。内建USB设备控制模块和内建USB设备单元连接，用于根据预先设定的USB设备类型，控制内建USB设备单元实现对应的USB设备功能，即在USB集线器内部设置一个功能可编辑的内建USB设备。内建USB设备与第一串行接口引擎之间通过内建连接器连接，内建连接器用于USB接口协议的转换，并根据USB接口协议在内部总线上模拟物理收发器在收发数据时的信号。

可以理解的是，集线器控制模块和内建USB设备控制模块可以分别设置在不同的控制器中，也可以设置在同一个控制器中，分配不同寄存器资源给两个控制模块以实现各自的功能。参照图1，在本实施例中，集线器控制模块和内建USB设备控制模块设置在同一MCU中。

上述的USB集线器控制芯片，通过设置可编辑的内建USB设备单元，可以通过在MCU中构建内建USB设备控制模块，并调用预先设置的计算机程序，实现特定USB设备的功能，从而扩展USB集线器的功能。可以通过配置内建USB设备单元为键盘，向主机发送特定的键值等方式实现对主机的远程唤醒。由于内建USB设备单元设置在芯片内部，与第一串行接口引擎之间的连接属于芯片内部连接，不属于芯片外部的板级连接，无需实现真实的USB物理层，不需要具备强大的驱动能力、静电放电能力及足够的带宽和过电保护能力，仅需要通过逻辑控制在芯片总线上模拟出物理层收发数据时的信号即可。第一串行接口引擎通过模拟USB协议物理层收发数据信号的内建连接器与内建USB设备单元直接连接，避免占用下行物理收发器，节约了成本和功耗，也不影响USB集线器连接的外部USB设备的数量。

参照图2，可以理解的是，内建USB设备单元的数量可以为多个，通过多个内建连接器与第一串行接口引擎连接，由于目前USB协议中，高速或全速设备最多支持15组端点，所以内建USB设备单元的数量和下行物理收发器数量的和不能超过15。参照图1，在本实施例中，USB集线器控制芯片包括4个下行物理收发器，最多可再支持11个内建USB设备。

参照图1，在本实施例中，内建USB设备单元包括第二串行接口引擎，第二串行接口引擎用于将内建USB设备控制模块发出的数据通过内建连接器打包后发送给第一串行接口引擎，或者对第一串行接口引擎通过内建连接器发送的数据进行解析，并反馈至内建USB设备控制模块。相应的，内建连接器通过逻辑运算，在芯片内部总线上模拟出一个上行物理收发器及一个下行物理收发器收发数据时的信号，实现两个串行接口引擎之间的连接。可以理解的是，内建连接器与第一串行接口引擎和第二串行接口引擎之间的总线协议可以为UTMI接口协议或者PIPE接口协议等公开标准的USB接口协议，且宜与下行物理收发器选择相同的接口协议，使得部分电路可以复用，以降低研发成本。由于UTMI接口协议和PIPE接口协议等USB接口协议均为领域内的公知常识，根据选择使用的公开的协议内容进行内建连接器的设计为领域内技术人员的常规技术手段，固在此不对内建连接器的具体设计实施方式进行赘述。

参照图2，在本实施例中，USB集线器芯片还包括用于存储计算机程序及USB设备数据的存储单元，存储单元包括程序存储器和数据存储器，计算机程序存储在程序存储器内，用户可以将需要实现的USB设备功能的计算机程序预先录入到程序存储器中，内建USB设备控制模块通过调用该计算机程序，实现对应的USB设备功能。USB设备数据存储于数据存储器中，可以理解的是，USB设备数据应该包括对应需要实现的USB设备的设备描述符，还可以为实现USB设备功能需要发送的数据，如键盘的键值，以及表征USB设备状态的标志位等。

在一些实施例中，为了提高USB集线器的供电能力，还可以在USB集线器芯片内设置快充单元，快充单元与下行USB接口和集线器控制模块连接，以使至少一个下行USB接口可以支持PD快充协议或者QC快充协议等快充协议。

本发明实施例提供的USB集线器，包括上述的USB集线器芯片，还包括一个上行USB接口及多个下行USB接口，上行USB接口和多个下行USB接口均与USB集线器芯片连接。

为了进一步方便USB集线器中内建USB设备的功能开发，在一些实施例中，USB集线器内可以设置I/O设备单元，实现向USB集线器芯片内进行信息的输入，或者对USB集线器芯片内一些信息的输出。I/O设备单元可以包括按键、LED、I/O接口电路中的至少一个，按键通过按键电路与USB集线器芯片的MCU连接，LED通过LED驱动电路与MCU连接，I/O接口电路可以包括多个继电器或者光电耦合器。可以理解的是，I/O设备单元还可以包括显示屏、蜂鸣器或者喇叭等其他I/O设备。

参照图3，本发明实施例提供的USB集线器，其工作过程如下：

S1：读取USB集线器配置，确认是否有内建USB设备及其数量，若有内建USB设备，执行程序存储器中的相应的计算机程序；

S2：按照内建USB设备数量扩展下行USB接口数量为M+N，其中M为下行物理收发器的数量，N为内建USB设备的数量；在本实施例中，由于USB集线器芯片具有四个下行物理收发器，可以连接4个外部USB设备，内建USB设备单元的端口号从5开始分配。

S3：连接内建USB设备；内建USB设备与主机的连接以及端口的使能，均通过集线器控制模块直接配置第一串行接口引擎中的相应的标志寄存器来实现。

S4:复位内建USB设备的计算机程序，第一串行接口引擎对下行USB接口连接的外部USB设备和内建连接器连接的内建USB设备单元进行枚举；复位内建USB设备时，主要是复位数据存储器中的相关标志位及计数值，使内建USB设备复位至初始状态。由于内建USB设备没有对应的USB接口及物理层，枚举内建USB设备时，跳过握手阶段，由集线器控制模块直接对第一串行接口引擎的寄存器进行配置，来实现内建USB设备与第一串行接口引擎的接入，并告诉第一串行接口引擎内建USB设备为高速设备、全速设备还是低速设备。

S5：第一串行接口引擎对从上行物理收发器接收到的主机数据进行解析，并按照端口号对数据进行重新打包；

S6：第一串行接口引擎将重新打包的数据包按照对应的端口号，通过对应的下行物理收发器和内建连接器发送至对应的USB设备；

S7：第一串行接口引擎对从下行物理收发器和内建连接器接收到的数据分别进行解析，再整合打包后通过上行物理收发器发送至主机。

其中，靠内建USB设备单元实现的内建USB设备与第一串行接口引擎的数据收发过程如下：

S6.1：当需要发送数据至内建USB设备时，将对应端口号的数据包通过内建连接器发送至第二串行接口引擎；

S6.2：第二串行接口引擎将收到的数据包进行解析，并将解析结果发送至MCU内的内建USB设备控制模块；

S6.3：内建USB设备控制模块根据收到数据及预设的计算机程序，执行预设的功能，并将需要发送的数据发送至第二串行接口引擎；

S6.4：第二串行接口引擎将需要发送的数据进行打包，并通过内建连接器发送至第一串行接口引擎。

内建USB设备对应的计算机程序看参考需要实现的USB设备的计算机程序，通过发送需要实现的设备功能的设备描述符，使内建USB设备被识别为相应的设备，并由计算机程序控制发送预设的数据实现预设USB设备的功能。

以键盘为例，在枚举流程中，主机通过集线器向内建USB设备的端点0转述读设备描述符的报文，第一串行接口引擎对主机报文解析后，再重新打包，并通过内建连接器发送至内建USB设备单元，内建USB设备控制模块从数据存储器中调取预设的符合H ID协议要求的键盘设备的设备描述符发送给第一串行接口引擎，第一串行接口引擎再将其发送给主机。主机根据收到的描述符内容，将内建USB设备识别为键盘设备，属于中断类型的端点，第一串行接口引擎对中断类型的端点进行轮询。通过编写计算机程序，可以让内建USB设备定期向主机发送一个预设的键值，如代表空格的32，来防止主机进入休眠。或者与I/O设备单元配合，当按键按下时，或者I/O接口电路有高电平输入时，在被轮询到时发送预设的键值给主机，实现对主机的远端唤醒。

通过上位机修改写入数据存储器中的设备描述符，并修改响应主机时发送的数据，即可修改内建USB设备的类型及功能，可以通过修改设备描述符，使内建USB设备被识别为多端点设备。每次修改后，重置USB集线器即可使配置生效。配合设置显示器、LED或者喇叭等其他I/O设备，即可使集线器实现数据传输及供电以外的额外功能，大大提高了USB集线器的功能扩展性。

需要注意的是，在本发明的描述中，如有涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系的，均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一或第二等的，只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种USB集线器芯片，其特征在于，包括：

上行物理收发器，用于从上行USB接口收发的串行总线接口信号和数据之间的互相转化；

多个下行物理收发器，用于对应的多个下行USB接口收发的串行总线接口信号和数据之间的互相转化；

第一串行接口引擎，与所述上行物理收发器和所述多个下行物理收发器连接，用于上行USB接口连接的主机与多个下行USB接口连接的USB设备之间传输数据的解析；

内建USB设备单元，用于根据预先设定的USB设备类型，实现对应的USB设备功能；

集线器控制模块，与所述第一串行接口引擎连接，用于控制所述第一串行接口引擎工作；

内建USB设备控制模块，与所述内建USB设备单元连接，用于根据预先设定的USB设备类型，控制所述内建USB设备单元实现对应的USB设备功能；

内建连接器，通过内部总线与所述第一串行接口引擎及所述内建USB设备单元连接，用于USB接口协议的转换，并根据USB接口协议在内部总线上模拟物理收发器在收发数据时的信号；

所述内建USB设备单元是可编辑的，所述内建USB设备单元包括第二串行接口引擎，所述第二串行接口引擎与所述内建USB设备控制模块及所述内建连接器连接。

2.根据权利要求1所述的USB集线器芯片，其特征在于，还包括存储单元，所述存储单元与所述内建USB设备控制模块连接，所述存储单元存储有计算机程序及USB设备数据，所述内建USB设备控制模块通过调用所述计算机程序控制所述内建USB设备单元实现预设的USB设备功能。

3.根据权利要求2所述的USB集线器芯片，其特征在于，所述USB设备数据包括设备描述符。

4.根据权利要求1所述的USB集线器芯片，其特征在于，还包括至少一个快充单元，所述快充单元与下行USB接口和所述集线器控制模块连接。

5.一种USB集线器，其特征在于，包括：

根据权利要求1至4任一项所述的USB集线器芯片；

上行USB接口，与所述USB集线器芯片的上行物理收发器连接，用于与主机连接；

多个下行USB接口，与所述USB集线器芯片的多个下行物理收发器一一对应连接，用于与USB设备连接。

6.根据权利要求5所述的USB集线器，其特征在于，还包括I/O设备单元，所述I/O设备单元与所述USB集线器芯片的内建USB设备控制模块连接，所述I/O设备单元用于信息的输入与输出。

7.根据权利要求6所述的USB集线器，其特征在于，所述I/O设备单元包括按键、LED或I/O接口电路之中的至少一个，所述按键通过按键电路与内建USB设备控制模块连接，所述LED通过LED驱动电路与所述内建USB设备控制模块连接。

8.一种根据权利要求5至7任一项所述的USB集线器的数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：读取USB集线器配置，确认是否有内建USB设备及其数量，若有内建USB设备，执行程序存储器中的相应的计算机程序；

S2：按照内建USB设备数量扩展下行USB接口数量为M+N，其中M为下行物理收发器的数量，N为内建USB设备的数量；

S3：连接内建USB设备；

S4:复位内建USB设备的计算机程序，第一串行接口引擎对下行USB接口连接的外部USB设备和内建连接器连接的内建USB设备单元进行枚举；

S5：第一串行接口引擎对从上行物理收发器接收到的主机数据进行解析，并按照端口号对数据进行重新打包；

S6：第一串行接口引擎将重新打包的数据包按照对应的端口号，通过对应的下行物理收发器和内建连接器发送至对应的USB设备；

S7：第一串行接口引擎对从下行物理收发器和内建连接器接收到的数据分别进行解析，再整合打包后通过上行物理收发器发送至主机。

9.根据权利要求8所述的数据传输方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

S6.1：当需要发送数据至内建USB设备时，将对应端口号的数据包通过内建连接器发送至第二串行接口引擎；

S6.2：第二串行接口引擎将收到的数据包进行解析，并将解析结果发送至内建USB设备控制模块；

S6.3：内建USB设备控制模块根据收到数据及预设的计算机程序，执行预设的功能，并将需要发送的数据发送至第二串行接口引擎；

S6.4：第二串行接口引擎将需要发送的数据进行打包，并通过内建连接器发送至第一串行接口引擎。