USB接口IP核關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

USB（通用串行總線）作為一種外設(shè)連接技術(shù)，是計(jì)算機(jī)外設(shè)連接技術(shù)的重大變革，USB具有速度快、通用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗低、穩(wěn)定、易開發(fā)等眾多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用，逐步成為PC機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)接口。USB接口控制芯片是實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備與主機(jī)建立通信所必須的芯片，目前國(guó)內(nèi)的USB開發(fā)者所采用的芯片都是由國(guó)外的芯片商所提供，如Cypress、NEC、Motorola等大的IC設(shè)計(jì)公司，價(jià)格較貴。由于USB的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和集成電路設(shè)計(jì)公司都把目光投向USB這項(xiàng)具有廣闊市場(chǎng)前景的技術(shù)。USB內(nèi)核（USB Core）是USB接口控制芯片的關(guān)鍵模塊，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、高速的USB內(nèi)核更是芯片成功推向市場(chǎng)的前提。

1 USB通信原理

USB通信邏輯上分成了3層：信號(hào)層、協(xié)議層和數(shù)據(jù)層。信號(hào)層用來(lái)實(shí)現(xiàn)在USB設(shè)備和主機(jī)的物理連接之間傳輸位信息流的信息。邏輯層用來(lái)實(shí)現(xiàn)在USB設(shè)備和USB主機(jī)端的協(xié)議軟件之間傳輸包字節(jié)流的信息，它們?cè)谛盘?hào)層被編碼成NRZI位信息后傳送出去。數(shù)據(jù)傳輸層用來(lái)實(shí)現(xiàn)在USB主機(jī)端的客戶端驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備端的功能接口之間傳輸有一定意義的信息，這些信息在協(xié)議層被打包成包格式。

1．1 傳輸?shù)幕締卧?/p>

包（Packet）是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧?。結(jié)構(gòu)，如圖1所示，根據(jù)USB規(guī)范，包的類型有：令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和專用包。

USB總線操作（通訊過程）都可以歸結(jié)為3種包的傳輸：令牌包、數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包。任何操作都是從主機(jī)開始的，主機(jī)以預(yù)先排好的時(shí)序，發(fā)出一個(gè)描述操作類型、方向、外設(shè)地址以及端點(diǎn)號(hào)，稱之為令牌包Foken Packet。然后由在令牌中指定的數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包Data Packet或者報(bào)告它沒有數(shù)據(jù)可以傳輸。而數(shù)據(jù)的目的地一般要以一個(gè)應(yīng)答包Handshake Packet做出響應(yīng)表明傳輸是否成功。

1．2 事務(wù)處理

事務(wù)處理（Transaction）是指USB總線上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過程。事務(wù)處理的類型包括輸入事務(wù)、輸出事務(wù)、設(shè)置（Setup）事務(wù)，幀開始（SOF），幀結(jié)束（EOF）等類型，下面以輸入事務(wù)處理為例加以介紹。

如圖2顯示了輸入事務(wù)處理中無(wú)差錯(cuò)事務(wù)情況，首先由主機(jī)向總線發(fā)出輸入令牌包通知某個(gè)設(shè)備向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)所指定的設(shè)備接收到此令牌包并檢驗(yàn)身份后，將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)組裝成數(shù)據(jù)包向主機(jī)傳送出去；接著當(dāng)主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)校驗(yàn)無(wú)差錯(cuò)后，創(chuàng)建一個(gè)ACK的握手包返回給設(shè)備通知主機(jī)已正確接收到數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行新的事務(wù)處理過程。若主機(jī)接收數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤，則不發(fā)送ACK握手包，表示處理過程沒有成功；若設(shè)備未準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，設(shè)備會(huì)向主機(jī)發(fā)送NAK握手包，提醒主機(jī)暫時(shí)不能發(fā)送數(shù)據(jù)；若設(shè)備出錯(cuò)，則返回主機(jī)STALL握手包通知設(shè)備出錯(cuò)。

1．3 總線傳輸

為了滿足不同外設(shè)和用戶的要求，USB提供了4種傳輸方式：控制傳輸、實(shí)時(shí)傳輸、中斷傳輸、批量傳輸。它們?cè)跀?shù)據(jù)格式傳輸方向數(shù)據(jù)包容量限制和總線訪問限制等方面有著各自不同的特征。

控制傳輸用來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化和配置管理，所有USB設(shè)備必須直接控制傳輸，是總線傳輸中最復(fù)雜的傳輸方式；實(shí)時(shí)傳輸用來(lái)傳送音頻或視頻的數(shù)據(jù)；中斷傳輸用來(lái)傳輸類似PCI或ISA總線上中斷信號(hào)的數(shù)據(jù)；批量傳輸用于打印機(jī)或掃描儀等傳輸大塊數(shù)據(jù)的設(shè)備。

控制傳輸一般包括2或3個(gè)事務(wù)處理階段，即設(shè)置階段，數(shù)據(jù)階段（可選）和狀態(tài)階段。圖3給出了設(shè)置階段的細(xì)節(jié)。如果數(shù)據(jù)沒有正確接收設(shè)備就會(huì)忽略它，而且不返回應(yīng)答包。

2 USB IP模塊設(shè)計(jì)和代碼編寫

USB接口主要有UTM（USB Transceiver Macrocell）、SIE（SefiM Interface Engine）和設(shè)備功能總線組成。電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示，時(shí)鐘域分為：Transceiver時(shí)鐘域，SIE時(shí)鐘域和Wish- bone總線時(shí)鐘域。

2．1 UTM模塊

USB總線數(shù)據(jù)線由DP和DN組成，是I／O端口。并行通過對(duì)DP和DN的上拉、下拉來(lái)區(qū)別低速USB設(shè)備和高速USB設(shè)備。

USB總線上的數(shù)據(jù)首先通過UTM，進(jìn)行NRZI解碼和位剝離后，串并轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)，傳送給SIE中的UTMI或從UTMI接收8位并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過NRZI編碼和位填充后，發(fā)送到USB總線。由于USB系統(tǒng)采用NRZI編碼，對(duì)于一串0來(lái)說，它的數(shù)據(jù)線的電平狀態(tài)會(huì)按位跳變，對(duì)以一串l則不然，電平會(huì)長(zhǎng)時(shí)間不變，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)接受方的時(shí)間同步漂移，為了避免漂移，每遇到6個(gè)1就在NRZI編碼之前加0，即位填充。

NRZI的vefilog實(shí)現(xiàn)代碼為：

2．2 串行接口引擎

串行接口引擎（Serial Interface Engine，SIE）主要由PL（Protocol Layer），MA（memory buffer arbiter），UTMI（UTM Interface）等組成。PD，PA，PE3個(gè)模塊組成了USB SIE的協(xié)議層（PL）。

UTMI（UTM Interface）是UTM和SIE的接口主要功能是檢測(cè)總線狀態(tài)以及識(shí)別總線速度。負(fù)責(zé)PL與UTM的數(shù)據(jù)交換。

PD將UTMI接收到的信息數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，解析出包標(biāo)識(shí)（PID）、端點(diǎn)地址和設(shè)備地址以及包含在包中的有效數(shù)據(jù)命令。在解碼時(shí)，對(duì)PID進(jìn)行校驗(yàn)，即PID［7:4］～PID［3:0］，還要對(duì)必要的令牌包進(jìn)行CRC5校驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRCl6校驗(yàn)。CRCl6，CRC5多項(xiàng)式為：x16+x15+x2+1和x5+x2+1。

設(shè)計(jì)中把命令解碼電路也設(shè)計(jì)在PD上，解碼電路的設(shè)計(jì)思路是：通過一個(gè)計(jì)數(shù)器將8 bit的命令數(shù)據(jù)分別存放在8個(gè)：Register中，然后對(duì)Register進(jìn)行解碼，來(lái)判斷該條命令帶表的含義和執(zhí)行的操作。例如：Get Descriptor命令，主機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)為8’ha0，8’h06，8’h00，8’h01，8’h00，8’h00，8’h4O，8’h00，然后解碼電路根據(jù)這8 bit來(lái)判斷命令的含義。如果主機(jī)發(fā)送命令有誤，或該設(shè)備不支持命令，則這條命令被忽略或返回NAK握手包。

PA根據(jù)PE（Protocol Engine）送來(lái)的PID組織相應(yīng)的信息包，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)安排在相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，或者令牌包。發(fā)送令牌包時(shí)，不必產(chǎn)生CRC5校驗(yàn)位。在發(fā)送數(shù)據(jù)包寸，需要把有效數(shù)據(jù)的CRCl6校驗(yàn)位放在包末尾一起發(fā)送。

PE可以對(duì)IN，OUT以及Setup事務(wù)進(jìn)行單線程處理，且確定當(dāng)前傳輸事務(wù)要操作的端點(diǎn)地址，所有對(duì)MA和RF的當(dāng)前操作都基于這個(gè)端點(diǎn)地址。PE要根據(jù)當(dāng)前端點(diǎn)的配置或當(dāng)前狀態(tài)處理傳輸事務(wù)，并在傳輸事務(wù)中實(shí)時(shí)更新控制／狀態(tài)寄存器CSR。SIE還能通過CSR中的中斷向量請(qǐng)求設(shè)備總線的控制支持。

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中包含了UTM，SIE，并根據(jù)協(xié)議寫出了含有設(shè)備描述符的ROM。這樣IP具有USB接口的功能，可以作為一個(gè)USB設(shè)備與主機(jī)進(jìn)行通信。根據(jù)USB協(xié)議，模擬主機(jī)動(dòng)作編寫Testbench，它主要由模擬主機(jī)數(shù)據(jù)包（Send Data），Stuffing檢測(cè)，CRC校驗(yàn)檢錯(cuò)等來(lái)仿真。仿真波形，如圖5所示。

最后將電路用ASIC實(shí)現(xiàn)。采用0．35μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)后端設(shè)計(jì)，數(shù)字電路采用單元庫(kù)自動(dòng)布線，模擬電路手工繪制版圖，并進(jìn)行DRC和LVS檢查，最終版圖預(yù)覽圖，如圖8所示，芯片面積為1．2 ms2；經(jīng)過后仿真得出：工作頻率為120 MHz，工作電流9 mA，靜態(tài)電流40μA。工作頻率可以實(shí)現(xiàn)高速USB協(xié)議的要求，功耗、電流等參數(shù)也符合設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)與國(guó)內(nèi)其他的研究結(jié)果進(jìn)行比餃，如表1所示。

從表1中對(duì)表可以看出，本設(shè)計(jì)在滿足頻率（FX8》480 MHz）的條件下，精簡(jiǎn)了多個(gè)單元，節(jié)省了資源，完全符合USB協(xié)議的要求。將IP下載到FPGA中與主機(jī)通信，主機(jī)能正確讀出設(shè)備描述符和正確完成其他操作，并在主機(jī)端顯示USB2．0 Device。進(jìn)一步證明了設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了基于USB協(xié)議層模塊的設(shè)計(jì)，最后在Modelsim6．0下仿真和ISE9．1進(jìn)行了綜合，采用Xilinx Spartan3E的XC3S1OOE進(jìn)行FPGA驗(yàn)證，并利用0．35μm CMOS工藝進(jìn)行系統(tǒng)的后端設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了工作頻率120 MHz，功耗30 mW。

結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的USB協(xié)議層模塊各功能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)、整體性能良好。此IP core可以廣泛應(yīng)用于各種USB設(shè)備接口、通信轉(zhuǎn)接器件，也可以集成在SOC中，作為系統(tǒng)芯片總線接口。文中設(shè)計(jì)的USB IP已成功地應(yīng)用于兩款USB設(shè)備端的接口控制芯片（USB轉(zhuǎn)PS／2接口IC和USB集線器IC），在實(shí)際應(yīng)用中性能可靠、速度穩(wěn)定，而且價(jià)格低廉。