JP2007538303A - ユニバーサル・シリアル・バス送信機 - Google Patents

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Abstract

それぞれのデータ信号を受け取るためのUSBTXP入力およびUSBTXM入力と、それぞれのデータ信号を、それぞれUSBP線およびUSBM線に印加するためのUSBPドライバ(6)およびUSBMドライバ(7)を含むユニバーサル・シリアル・バス送信機。送信機は、送信信号(USBTXIP)の前縁を定義するためにUSBPおよびUSBM入力の一方での信号のアサート・エッジに応答し、前記送信信号(USBTXIP)の後続する後縁を定義するためにUSBPおよびUSBM入力の他方での信号のアサート停止エッジに応答する送信信号発生器(8)を含む。これは入力信号USBTXPおよびUSBTXMのデューティ・サイクルが50%から大幅に異なる場合でも、連続するクロスオーバ点の受容できないジッタを生じさせることもなく、クロスオーバ点の電圧レベルがUSBPおよびUSBM信号の電圧振幅の50%を中心とするUSB許容値の範囲を超えさせることもない。

Description

本発明は、ユニバーサル・シリアル・バス送信機に関する。
ユニバーサル・シリアル・バス(「USB」)システムは、高速で双方向性の、アイソクロナスな、低コストの、動的接続可能なシリアル・インタフェースである。本明細書では「ユニバーサル・シリアル・バス送信機」という語句はUSB標準の詳細な製造および動作許容値を満たしているか否かに関わらず、ユニバーサル・シリアル・バス標準の一般的な機能要件を満たす送信機を意味するものとして用いる。
USB標準は、パーソナル・コンピュータ(「PC」)または類似のデータ処理装置へ周辺機器を追加する際、電話機を壁面ジャックに接続するように簡単にする外部拡張バスを規定するために開発された。標準は、http://www.usb.org/developers/docsのサイトでインターネット上に公開されている。標準の推進目標は、使いやすさと低コストであった。これらは外部拡張アーキテクチャによって可能となり、下記を特徴とする。
PCホスト・コントローラのハードウェアおよびソフトウェア、
ロバストなコネクタおよびケーブル・アセンブリ、
周辺機器と親和性のあるマスタ・スレーブ・プロトコル、
マルチポート・ハブにより拡張可能、である。
USBはホスト・コンピュータと、同時にアクセス可能な広い範囲の周辺機器との間でのデータ交換をサポートするケーブル・バスである。接続された周辺機器は、ホストによりスケジューリングされるトークン・ベースのプロトコルによってUSB帯域を共有する。バスはホストおよび他の周辺機器の動作中に、周辺機器の接続、構成、使用、および取り外しを可能とする。これは動的(またはホット)接続および取り外しと呼ばれる。
ユニバーサル・シリアル・バスは、USB装置をUSBホストに接続する。USBの物理的相互接続は、層構造のスター型トポロジーである。ハブが各スターの中心にある。それぞれの線区間は、ホストと、ハブまたはファンクション、または他のハブまたはファンクションに接続されたハブとの間の2点間接続である。どのUSBシステム中にもホストは1つだけある。ホスト・コンピュータシステムへのUSBインタフェースは、ホスト・コントローラと呼ばれる。ホスト・コントローラは、ハードウェア、ファームウェア、またはソフトウェアの組合せによって実施することができる。
USBは音声、オーディオ、および圧縮映像の実時間データの12Mbsまでの転送速度をサポートし、より高速への拡張が計画されている。信号の完全性は、差動ドライバ、レシーバ、およびシールドを使用して強化されている。提供される機能には、制御フィールドおよびデータ・フィールド全体にわたる巡回冗長チェック(「CRC」)保護、欠落または破損パケットに対するタイム・アウトを用いた、プロトコルに組み込まれたエラー処理/障害回復機構、プロトコルにおける自己回復、および故障装置の識別のサポートが含まれる。標準によって2つの動作モードが提供されている。すなわち、10〜100Kb/sの対話型装置用の低速度、および電話、オーディオ、圧縮映像用の500Kb/s〜12Mb/sの中速度である。
1つ以上の接続点を提供するために、ホストシステム内にルート・ハブが組み込まれる。USBは、添付図面の図1に概略的に示す4芯のケーブルで信号と電力を転送する。信号伝達は2つの線D+およびD−上で、2点間の区間で発生する。各区間上の信号は、特性インピーダンスが90Ωのケーブル中へ差動で駆動される。差動レシーバは、少なくとも200mVの入力感度と、十分な同相分除去という特徴を有する。クロックは、差動データと共にコード化されて送信される。クロックのコード化方式は、適切な遷移を確保するためのビット挿入を有するNRZIである。各パケットにはレシーバがそれらのビット回復クロックに同期できるように、SYNCフィールドが先行する。ケーブルはまた装置に電力を供給するために、各区間でVBus線およびGND線を備える。
USBはUSBケーブルへUSBデータ信号を駆動するために、差動出力ドライバを用いる。ドライバの静的な出力振幅は、ロー状態では3.6Vへの1.5KΩ負荷に対してVOLが0.3V未満でなければならず、ハイ状態ではグラウンドへの15KΩ負荷に対してVOHが2.8Vより大でなければならない。差動のハイ状態とロー状態の間の出力振幅は、信号スキューを最小にするために、良くバランスがとれていなければならない。放射ノイズおよびクロストークを最小にするために、ドライバの処理速度の制御が必要である。ドライバの出力は、半二重双方向動作を得るために3ステート動作をサポートしなければならない。ホット挿入されつつある、あるいは接続されているが電源が切られている下流側の装置からポートを隔離するために、高インピーダンスも必要である。
米国特許明細書第5,912,569号には、クロスオーバ・レベルを補正するために、一方の出力信号が他方に対して遅延される送信機が開示されている。
米国特許明細書第5,912,569号
「USBP」および「USBM」と呼ばれる2つの信号線上を送信される信号は同期している必要があり、一方の信号の立ち下がりが他方の信号の立ち上がりと一致していることが重要で、特にクロスオーバ・レベルすなわち2つの信号線上の信号の値が同じになる電圧の制御、およびジッタすなわち連続する信号に対するクロスオーバ点が生じる時間の変動の制御が重要である。
発明を解決するための手段
本発明は、添付の特許請求の範囲に記載のユニバーサル・シリアル・バス送信機およびシステムを提供する。
図2は、周知のUSB送信機を示す。データは、入力USBTXPおよびUSBTXMに供給される。USBPドライバ1は、その入力にUSBTXP信号を直接受け取り、USBケーブルのD+線に整形され増幅された信号を供給するUSBP出力を有する。USBMドライバ2は、その入力にUSBTXPをインバータ3によって反転した後に受け取り、USBケーブルのD−線に整形され増幅された信号をインバータを介して供給するUSBM出力を有する。
動作時においては、USBPおよびUSBM出力からの差動信号は、D+線およびD−線上に送信される。パケット内のデータ送信は、差動信号によって得られる。USB規格のプロトコルは、システム中の差動データの通信に用いられる2つの論理レベルであるデータ状態JおよびKを規定している。パケット開始(SOP)は、D+線およびD−線をアイドル状態から反対の論理レベル(K状態)に駆動することにより、起点のポートによって示される。このレベルの切り換えは、SYNCフィールドの最初のビットを表す。パケット終了(EOP)を示すためには、D+線およびD−線の両方がアサート停止(ローに駆動)される、シングル・エンド・オープン(「SEO」)状態が用いられる。
図3に、入力USBTXPおよびUSBTXM、ならびに出力USBPおよびUSBMの信号波形を示す。この例では、USBプロトコルにおけるフレーム終了に対応するシングル・エンド・ゼロを検出し、対応するUSB SE0信号を、USBTXPとUSBTXMの両方を同時に挿入停止状態に設定することによって発生するのに、入力USBTXMのみが用いられている。
USB標準には、ジッタ許容値に対する規格が含まれる(例えばクロック・ジッタに関してはセクション5.10.3、およびデータ・ジッタに関してはセクション7.1.13を参照されたい)。入力信号、およびその補数!USBTXP(ならびにUSBTXM)は、50%から大幅に異なるデューティ・サイクルになり易いことがわかる。この場合、図3に示すように、図2の送信機からのUSBPおよびUSBM信号の連続する遷移間の時間、言い換えれば連続するクロスオーバ点の間の時間は、受容できないジッタを受け易い。すなわち1つのパルスJと次のパルスJの間、あるいは1つのパルスKと次のパルスKの間にこのような受容できないジッタがない場合でも、パルスJの幅は次のパルスKの幅から受容できないほど異なっている。
図4は別の周知のUSB送信機を示している。やはりデータは入力USBTXPおよびUSBTXMに供給される。USBPドライバ4は、その入力にUSBTXP信号を直接受け取り、USBケーブルのD+線に整形され増幅された信号を供給するUSBP出力を有する。USBMドライバ5は、その入力にUSBTXM信号を直接受け取り、USBケーブルのD−線に整形され増幅された信号を供給するUSBM出力を有する。
動作時においては、USBPおよびUSBM出力からの差動信号は、やはりD+線およびD−線上に送信される。図5に入力USBTXPおよびUSBTXMの信号、出力USBPおよびUSBMの信号、およびシングル・エンド・ゼロ信号USB SE0を示す。
USB標準には、クロスオーバ点の電圧レベルの許容値に対する規格が含まれる(例えばセクション7.1.2を参照されたい)。この場合も、入力信号USBTXPおよびUSBTXMは、50%から大幅に異なるデューティ・サイクルになり易い。この場合図5に示されるように、図4の送信機からのUSBP信号とUSBM信号の対応する遷移が同じになる電圧レベル、言い換えればクロスオーバ点の電圧レベルは、USBP信号とUSBM信号の電圧振幅の50%を中心とするUSB許容値の範囲を大幅に超え易い。
本発明の1実施形態によるUSB送信機を、図6に示す。データはやはり入力USBTXPおよびUSBTXMに供給される。USBPドライバ6は、その入力にデータ信号を間接的に受け取り、USBケーブルのD+線に整形され増幅された信号を供給するUSBP出力を有する。USBMドライバ7は、その入力にデータ信号を間接的に受け取り、USBケーブルのD−線に整形され増幅された信号を供給するUSBM出力を有する。本発明のこの実施形態では、ドライバ6および7は、入力信号発生器8を介してデータ信号を受け取る。信号発生器8は、ドライバ6および7に供給される信号の前縁を定義するために、USBTXPおよびUSBTXM入力の一方での信号のアサート・エッジに応答し、ドライバ6および7に供給される信号の後続する後縁を定義するために、USBTXPおよびUSBTXM入力の他方での信号の対応するアサート停止エッジに応答する。信号発生器8からの信号は、ドライバ6および7の一方には直接供給され、ドライバ6および7の他方にはインバータ9を介して供給される。
より具体的には図6に示される送信機では、信号発生器8は、ドライバ6および7に供給される信号USBTXIPの立ち上がりを定義するためにUSBTXP入力での信号の立ち上がりに応答し、ドライバ6および7に供給される信号の後続する立ち下がりを定義するためにUSBTXM入力での信号の対応する立ち上がりに応答する。入力信号USBTXPおよびUSBTXM、ならびに出力信号USBPおよびUSBMは差動信号対であり、したがって対の一方の信号の立ち上がりによるアサートは、対の他方の信号のアサート停止に対応することを理解されたい。信号USBTXIPは、USBPドライバ6には直接供給され、USBMドライバにはインバータ9を介して供給され、したがってドライバ6とドライバ7の出力からD+線とD−線に供給される信号USBPと信号USBMは、相補対となる。
動作時においては、USBPおよびUSBM出力からの差動信号は、やはりD+線およびD−線上に送信される。図7に入力USBTXPおよびUSBTXMでの信号、出力USBPおよびUSBMでの信号、シングル・エンド・ゼロ信号USB SE0、ならびにドライバ6およびドライバ7に供給されるUSBTXIP信号の波形を示す。
信号USBPおよびUSBMのアサート・エッジは常に入力信号USBTXPおよびUSBTXMのアサート・エッジによって得られ、信号USBPおよびUSBMのアサート停止エッジは常に入力信号USBTXPおよびUSBTXMのアサート停止エッジによって得られるので、入力信号USBTXPおよびUSBTXMのデューティ・サイクルが50%から大幅に異なる場合でも、連続するクロスオーバ点の受容できないジッタは生じない。また、信号USBPおよびUSBMは相補的であるので、入力信号USBTXPおよびUSBTXMのデューティ・サイクルが50%から大幅に異なる場合でも、それによってクロスオーバ点の電圧レベルが、USBP信号とUSBM信号の電圧振幅の50%を中心とするUSB許容値の範囲を超えることはない。
図6のUSB送信機は、入力信号発生器8に加えて、信号USBPおよびUSBMが同時にアサート停止されたときにその出力がアサートされるSEO検出器20、入力信号発生器8とUSBPドライバ6の間に挿入されたAND回路21、およびインバータ9とUSBMドライバ7の間に挿入されたAND回路22を含む。AND回路21および22はそれらの他方の入力に、SEO検出器20の出力を反転したものを受け取る。動作時においてはSEOが検出されたとき、AND回路21および22は入力信号発生器8によるドライバ6および7の制御を無効化し、USBP線およびUSBM線の両方をアサート停止する。
入力信号発生器6の実施形態をより詳しく、図8に示す。図8に示される発生器は、入力信号USBTXPおよびUSBTXMをその「0」入力および「1」入力にそれぞれ受け取るように接続されたマルチプレクサ10を含む。マルチプレクサ10はリセット可能なフリップ・フロップ12のデータ入力に接続された出力11を有し、フリップ・フロップ12は、コネクタ15上に信号USBTXIPを供給するための「Q」出力と、フリップ・フロップ12の「D」入力に帰還する形で接続された負の「Qn」出力とを有する。
マルチプレクサ10の単一の出力11の値は、選択入力16上への信号USBTXIPの帰還によって選択されるのに従って信号USBTXPまたはUSBTXMの一方の立ち上がりにより設定される。より具体的には、最初にUSBTXIPがハイである場合は、マルチプレクサ10はUSBTXM信号を選択し、USBTXMが信号11へ送られる。すなわち信号11は、信号USBTXMの立ち上がりに応答して状態を変える。フリップ・フロップ12は、(信号USBTXMの立ち上がりによって発生される)信号11の立ち上がりを待つ。信号11が立ち上がると、フリップ・フロップのQbに接続されたDデータが0であるので、フリップ・フロップ12のQ出力は0にセットされる。ここでUSBTXIPはローであり、マルチプレクサはUSBTXP信号を選択し、USBTXPが信号11へ送られる。ここでフリップ・フロップ12は、信号USBTXPの立ち上がりに対応する信号11の立ち下がりを待つ。
NANDゲート13は、送信機からの送信が禁止されるときトランスミット・イネーブル・バー信号TEBを受け取り、USB標準のフル・スピード・プロトコルが使用されるときフル・スピード・イネーブル信号FS_ENを受け取るように接続される。NANDゲート13の出力は、フリップ・フロップ12のセット入力Setbに接続される。NANDゲート14は、送信機からの送信が禁止されるときトランスミット・イネーブル・バー信号TEBを受け取り、USB標準のスロー・スピード・プロトコルが使用されるときフル・スピード・イネーブル・バー信号FS_ENbを受け取るように接続される。NANDゲート14の出力は、フリップ・フロップ12のリセット入力Rstbに接続される。使用時には送信機は、信号TEB、FS_EN、およびFS_ENbを供給するプロセッサも含むホスト・ノードの一部を形成する。
動作時においては、送信の前にプロセッサは、D+線(フル・スピード)またはD−線(スロー・スピード)上の遠隔のレシーバでのプルアップ抵抗に対応する電圧に応答して、信号TEBと、信号FS_ENおよびFS_ENbの一方をアサートする。各NANDゲートは、フル・スピード・プロトコルが必要な場合はD+上を状態「1」、D−上を状態「0」とするように、スロー・スピード・プロトコルが必要な場合はD+上を状態「0」、D−上を状態「1」とするように、フリップ・フロップ12を初期化することによって応答する。フリップ・フロップ12のこの状態は最初、送信を可能にするようにトランスミット・イネーブル・バー信号TEBがアサート停止されるとき、Qn出力からD入力への帰還によって保持される。
次に入力USBTXPおよびUSBTXMの一方でデータ信号がアサートされるとき、フリップ・フロップ12が既に対応する状態にある場合は、その状態の変化は生じない。入力USBTXPおよびUSBTXMの他方でデータ信号がアサートされたときだけ、フリップ・フロップ12が状態を変化させる。この動作モードは、フリップ・フロップ12が意図しないシングル・エンド・ゼロ状態(D+=D−=0)を回避し、SEO状態(D+=D−=0)が強制される場合を除き、J状態(D+=1,D−=0)かK状態(D+=0,D−=1)のどちらかに駆動することを確実にしていることを理解されたい。
本発明によるUSBホスト・ノードの実施形態を、図9に示す。ホスト・ノードは、信号プロセッサ19と共に、ドライバ6、7、およびAND回路21、22からなる送信モジュールを23として示した図6の送信機と、ケーブルのD+線およびD−線からの信号を受け取るためのレシーバ・モジュール18とを含むトランシーバ17を備える。プロセッサ19は、送信機の入力信号発生器8に信号USBTXPおよびUSBTXMを供給し、図8に示す送信機の場合はまた信号TEB、FS_EN、およびFS_ENbを供給する。
USBシステムで使用されるケーブルの概略図。 従来のUSB送信機のブロック概略図。 従来のUSB送信機の出力信号の波形ダイアグラム。 他の従来のUSB送信機のブロック概略図。 従来の送信機の出力信号の波形ダイアグラム。 本発明の実施例によるUSB送信機のブロック概略図。 本発明の実施例による送信機の出力信号の波形ダイアグラムの一例。 本発明の実施例によるUSB送信機の詳細なブロック概略図。 本発明の実施例によるUSBホスト送受信機のブロック概略図の一例。

Claims (5)

  1. それぞれのデータ信号を受信するためのUSBTXP入力およびUSBTXM入力と、送信信号(USBTXIP)を発生するために前記USBTXPおよびUSBTXM入力に応答する送信信号発生器(8)と、それぞれのデータ信号をUSBP線およびUSBM線にそれぞれ印加するために前記送信信号(USBTXIP)に応答するUSBPドライバ(6)およびUSBMドライバ(7)と、からなり、
    前記送信信号発生器(8)は、それぞれ前記USBTXPおよびUSBTXM入力を受信するための入力とマルチプレクサ出力(11)とを有するマルチプレクサ手段(10)を備え、前記マルチプレクサ出力(11)は、送信信号(USBTXIP)の開始部を定義するための前記USBTXPおよびUSBTXM入力のうちの一方の信号の挿入端、ならびに前記送信信号(USBTXIP)の後続する部分を定義するための前記USBTXPおよびUSBTXM入力の他方での信号の対応する挿入停止端に、交互に選択的に応答することを特徴とするユニバーサル・シリアル・バス送信機。
  2. 前記送信信号発生器(8)が、前記USBP線およびUSBM線の一方に前記送信信号(USBTXIP)を印加するための出力(15)と、前記送信信号を反転し、前記USBP線およびUSBM線の他方に該反転信号を印加するための反転手段(9)と、を含む請求項1に記載のユニバーサル・シリアル・バス送信機。
  3. 前記送信信号発生器(8)が、前記マルチプレクサ出力(11)の状態変化に応答するフリップ・フロップ出力(15)で、前記送信信号(USBTXIP)を生成するためのフリップ・フロップ手段(12)と、前記マルチプレクサ手段(10)に選択信号(16)を印加するために前記送信信号(USBTXIP)に応答し、それにより前記マルチプレクサ出力(11)が、前記USBPおよびUSBM入力の一方での信号の前記挿入端、ならびに前記USBPおよびUSBM入力の他方での前記信号の対応する挿入停止端に交互に選択的に応答するようになる帰還手段(16)と、を含む請求項1または2に記載のユニバーサル・シリアル・バス送信機。
  4. 前記送信機によって前記USBP線およびUSBM線の両方に印加される前記各データ信号を挿入停止させるために、前記USBTXPおよびUSBTXM入力の両方での信号の挿入停止に応答するシングル・エンド・オープン検出器(20)を含む請求項1乃至3のいずれかに記載のユニバーサル・シリアル・バス送信機。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のユニバーサル・シリアル・バス送信機と、前記USBP線およびUSBM線上から受信した信号に応答するユニバーサル・シリアル・バス受信機とを含む、ユニバーサル・シリアル・バス送受信機。
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