USB2.0转千兆以太网接口设计

发布时间：2019-09-24 05:37

【摘要】：互联网IT产业发展到今天，已经进入后PC时代，包括嵌入式设备和新一代PC在内的电子产品都不断的向小型化、智能化、便捷化和网络化发展，随着计算机技术和通信电子技术的不断发展与壮大，各种电子产品和终端设备通过网络连接的需求性和可能性也越来越大。目前以太网是网络连接与数据传输中使用最为广泛的技术，并且逐渐从快速以太网向千兆以太网技术过渡，不仅是桌面网络的主导者，而且还成为了局域网连接中的主干网络。在个人PC和嵌入式设备等电子产品中，USB接口凭借着低成本、低功耗、高可靠性以及即插即用等特点已经成为这些电子产品的主流接口，然而大部分嵌入式设备虽然具有USB接口，但没有以太网接口，因此这些电子产品如果想接入以太网进行数据共享与信息传输，那么就需要USB转以太网的设备来进行不同接口的转换，并且保证数据的转换速率，最终达到接入以太网的目的。本文设计的USB2.0转千兆以太网接口系统就是为了解决那些只有USB接口的电子设备期望接入以太网的迫切需求。本文采用亚信电子（ASIX）推出的AX88178A作为系统的主控芯片，搭配了AT93C66作为EEPROM，使用USB总线进行供电，最终在四层PCB电路板上实现USB2.0与千兆以太网数据的相互转换。在后期系统测试阶段，采用Ganymede Software公司推出的Chariot进行网络带宽的测试，也就是测量数据从USB2.0接口转换到千兆以太网接口的传输速度。在测量中使用两台配置有千兆以太网网卡的PC，，并且设立对照组和实验组，分别测量了对照组和实验组数据传输的单向带宽和双向带宽。在测量的时候使用了数据量的小包和大包测量，最后验证了大包测量的正确性，为了减小误差，测量时使用平均测量法，最后将所有带宽进行叠加，然后测得系统的总带宽。从最后的测量结果来看，本文设计的USB2.0转千兆以太网接口性能良好，数据传输稳定，达到了设计的预期目标，并且为系统升级换代到后续的USB3.0和万兆以太网提供了良好的平台。
【图文】：

USB系统,主机控制器

图 2-1 基于 PC 体系的 USB 系统1.USB 主机控制器USB 主控制器属于 PC 硬件，主要由 USB 控制芯片，USB Hub 控制芯片，端口连接器和控制器等外围电路组成。USB 主机控制器芯片提供 USB 的物理主要实现 USB 电缆上数字信号和差模信号的转换，同时提供端点的物理存储模根据 USB 传输机制自动管理各端点的储存和数据交换。USB 主机控制器通过总线和主机 CPU 进行通信，也就是整个 PC 上的 USB 是建立在 PCI 总线上基础上在 PC 上，USB 主机与 USB 外围设备不断的进行读和写的操作，以读操作为例PC 软件和驱动程序对 USB 主机控制器发送读请求，并且将这个请求发送到根 Hub，根 Hub 首先确定目标设备是否连接正常，然后通过数据管道将读请求送到 USB 设备。设备接收到主机请求命令后，准备好数据，发送到 USB 根 H最后 USB 主机控制器将接收到的来自设备的串行数据转换成并行数据，通过总线传送到 PC 内存缓存中，留给驱动使用。写操作过程和读操作过程比较类似

驱动程序,主机

图 2-2 USB 主机驱动程序3.USB 设备类驱动程序不同的 USB 类设备都需要配置相应的 USB 设备驱动程序，USB 设备驱动程序负责把用户所要求的命令发送给 USB 主控制器，为了存储 USB 通信数据，此时内存缓存区要进行相应的初始化。用户软件主要用来对 USB 进行控制以及进行实时数据交换。用户软件是当需要对传输的数据进行特殊处理或者特定要求下运行时，而操作系统又无法完全满足要求，这时候就需要用户自己开发软件程序了。2.3.2 USB总线拓扑结构在 USB 总线系统中有且只有一个 USB 主机，USB 总线采用分层的星型拓扑结构来连接 USB 设备。USB 系统以根集线器为起点（HOST-ROOT HUB），最多可支持七层 127 个地址，也就是最多支持 127 个 USB 外围设备。实际应用中，一个 USB系统所支持的 USB 设备是少于 127 个的，因为 USB HUB 也要占用地址，即便如此，
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP334.7

【参考文献】