USB2.0設(shè)備接口IP核的設(shè)計實用性分析

1、 引言

USB2.0規(guī)范的推出極大地刺激了包括各類計算機(jī)外設(shè)在內(nèi)的多種電子消費產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計， USB已成為微機(jī)和眾多電子設(shè)備的重要標(biāo)準(zhǔn)接口。目前國外一些大公司已陸續(xù)推出了符合USB2.0規(guī)范的接口芯片，但國內(nèi)對該領(lǐng)域的研究尚處于較初級的階段。本文對USB IP核設(shè)計方法，提出了一種USB2.0設(shè)備接口IP核固件的實現(xiàn)方案，該方案采用合理定義的層次模型并已被實現(xiàn)，實驗結(jié)果表明該方案具備良好穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的固件結(jié)構(gòu)。

2 、USB2.0設(shè)備接口IP核的設(shè)計

USB2.0設(shè)備接口芯片IP核分為硬件和固件兩大部分。其中硬件部分主要完成USB2.0協(xié)議中的鏈路層功能；而固件除協(xié)助硬件完成USB2.0協(xié)議外，還負(fù)責(zé)解釋設(shè)備子類協(xié)議，并實現(xiàn)對具體外部應(yīng)用系統(tǒng)（設(shè)備元件）的操作。

從硬件結(jié)構(gòu)分析，基于增強(qiáng)型8051MCU核的 USB2.0設(shè)備接口芯片（IP核）應(yīng)包括以下幾個模塊：

（1）USB2.0傳輸宏單元接口模塊UTMI（USB2.0 Trans ceiv er Macrocell Interface）： USB2.0 IP核與USB總線之間的接口，負(fù)責(zé)接收USB2.0總線上的高速串行數(shù)據(jù)；

（2）串行接口引擎模塊SIE（Serial In ter face Engine）：一方面與UTM接口進(jìn)行USB總線上的包級處理和傳輸級處理；另一方面與內(nèi)部的端點緩沖及MCU進(jìn)行交互；

（3）端點緩沖模塊Endpoint_Buffer：存放與主機(jī)端交互的數(shù)據(jù)；

（4）通用可編程接口及多總線模塊GPIO- &MultiBus：IP核與外部應(yīng)用系統(tǒng)（設(shè)備元件）之間的聯(lián)系通道，包括DMA控制模塊；

（5）微處理器模塊MCU及其接口模塊MCU_

Bus：MCU（8051核）中固件將配合其他各硬件模塊完成所需功能。

USB2.0設(shè)備接口IP核固件不僅要完成與主機(jī)的通信，還要實現(xiàn)對外部應(yīng)用系統(tǒng)（設(shè)備元件）操作，因此，IP核固件可分為以下三大模塊。

（1）USB傳輸處理模塊：接收并分析底層硬件送來的各種信號（如SIE送來的各種中斷請求），負(fù)責(zé)將Endpoint中接收到的主機(jī)命令/數(shù)據(jù)向上傳送到主機(jī)命令解析模塊，并在需要時向主機(jī)返回命令處理結(jié)果；

（2）主機(jī)命令解析模塊：分析處理USB傳輸處理模塊送來的主機(jī)命令，并負(fù)責(zé)將命令執(zhí)行結(jié)果返給USB傳輸處理模塊；

（3）設(shè)備應(yīng)用處理模塊：根據(jù)主機(jī)命令發(fā)送具體操作信號到外部應(yīng)用系統(tǒng)（設(shè)備元件），并返回外部器件的狀態(tài)/數(shù)據(jù)。

為使固件系統(tǒng)充分穩(wěn)定并具有良好的可擴(kuò)展性，我們將固件抽象為設(shè)備枚舉、傳輸控制、命令解析、外部應(yīng)用操作等幾個層次，如圖1所示。

3、 USB大容量存儲設(shè)備固件的設(shè)計與實現(xiàn)

本IP核固件采用的是Windows OS支持的Bulk-Only傳輸協(xié)議及SCSI命令集。

3.1 固件總流程

圖2所示為USB大容量存儲設(shè)備固件工作流程。

該固件涉及到對4個主要中斷的處理，即 Com mand端點0的In 中斷和Out中斷、Bulk-In端點中斷和Bulk-Out端點中斷。其中端點0主要用于設(shè)備枚舉過程中主機(jī)與設(shè)備的交互，Bulk端點則用于枚舉成功后主機(jī)與設(shè)備的交互。

3.2 設(shè)備枚舉層流程

圖3所示為USB設(shè)備的枚舉流程。設(shè)備從接入 USB電纜開始，依次經(jīng)過Attached、Powered、Default和Addressed幾個狀態(tài)，最終進(jìn)入Configured態(tài)成為可用設(shè)備。

枚舉過程中所需的各種描述符表可由用戶設(shè)置后存放在指定存儲單元。

3.3 Bulk-Only傳輸控制層流程

設(shè)備枚舉成功后Bulk端點開始工作。設(shè)備端 Bulk-Only工作流程如下：

1.主機(jī)通過Bulk-Out端點發(fā)出命令包CBW；

2.設(shè)備接收CBW，解析其中包含的SCSI命令；

3.設(shè)備執(zhí)行SCSI命令，如需要，通過Bulk端點完成Data交換；

4.設(shè)備根據(jù)SCSI命令執(zhí)行情況通過Bulk-In端點返回命令狀態(tài)包CSW給主機(jī)；

5.設(shè)備等待主機(jī)的下一個CBW。

圖4所示為Bulk-In和Bulk-Out中斷服務(wù)流程。其中涉及到USB設(shè)備的幾種工作狀態(tài)有：

（1）命令接收態(tài)：本次命令處理完（已返回 CSW），設(shè)備等待下一次主機(jī)命令。在該狀態(tài)下，設(shè)備將等待Bulk-Out中斷，試圖從Bulk-Out端點接收一個有效的CBW。

（2）狀態(tài)發(fā)送態(tài)：本次命令已執(zhí)行完畢，等待主機(jī)索要CSW。在該狀態(tài)下，設(shè)備將等待Bulk-In中斷，試圖從Bulk-In端點發(fā)送一個有效的CSW 給主機(jī)。

（3）數(shù)據(jù)接收態(tài)：設(shè)備通過解析主機(jī)命令得知主機(jī)將發(fā)送數(shù)據(jù)，于是設(shè)備等待接收數(shù)據(jù)。在該狀態(tài)下，設(shè)備將等待Bulk-Out中斷，試圖從Bulk-Out端點接收一個或一批數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完后設(shè)備將根據(jù)具體情況確定命令執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)。

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送態(tài)：設(shè)備通過解析主機(jī)命令得知主機(jī)將索要數(shù)據(jù)，于是設(shè)備準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。在該狀態(tài)下，設(shè)備將等待Bulk-In中斷，試圖從Bulk- In端點發(fā)送一個或一批數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完設(shè)備將根據(jù)具體情況確定命令執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)。

（5）異常狀態(tài)：當(dāng)發(fā)生某些不可預(yù)知的錯誤時，設(shè)備進(jìn)入異常態(tài)，并將根據(jù)不同錯誤類型采取不同措施試圖從錯誤中恢復(fù)。

3.4 SCSI命令解析（層）流程

對某種特定的大容量存儲設(shè)備來說，一些無意義的SCSI命令可以不必處理（實際上主機(jī)也不會使用這些命令）。設(shè)備在接收到有效的SCSI命令后，將根據(jù)命令的不同要求為數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收做好準(zhǔn)備，并切換到下一個有效的工作狀態(tài)，如圖5 所示。

3.5 對存儲介質(zhì)的讀寫操作及優(yōu)化

設(shè)備固件在正確分析主機(jī)送來的SCSI命令后，可能會對存儲介質(zhì)進(jìn)行讀、寫、擦除等操作。為進(jìn)一步提高存儲介質(zhì)的讀寫速度，本固件方案還對存儲介質(zhì)操作進(jìn)行了有效的優(yōu)化：

（1）大批量數(shù)據(jù)讀寫時采用了DMA方式；

（2）對寫操作需時較長的存儲介質(zhì)（如 FLASH）采用了中間緩沖，以減少寫操作次數(shù)或?qū)懖僮饕浦梁笈_進(jìn)行；

（3）對存儲介質(zhì)上的磁盤碎片定期進(jìn)行優(yōu)化整理。

合理地組合應(yīng)用這些方法可以有效地改進(jìn)介質(zhì)訪問的效率。

4、結(jié)論

上述大容量存儲設(shè)備的IP核固件已成功實現(xiàn)，其硬件基礎(chǔ)是具有自主版權(quán)的、含MCU51核的USB設(shè)備接口IP核，固件采用Keil51C語言和51匯編語言混合完成。該固件采用分層設(shè)計，可以較容易地根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境替換其中某些層次的代碼模塊，具有較強(qiáng)的移植性和實用性。為保證IP核固件具有一定的“健壯性”，實現(xiàn)過程中還需要注意仔細(xì)設(shè)計其中的錯誤檢測和錯誤恢復(fù)機(jī)制，包括如何合理安排眾多的中斷源、如何充分考慮協(xié)議中規(guī)定的操作時間限制、如何處理Watch Dog溢出等等。

本文討論的USB2.0設(shè)備固件方案不僅有效改進(jìn)和提高了USB設(shè)備的設(shè)計開發(fā)水平，還可廣泛應(yīng)用于USB2.0設(shè)備接口的實際應(yīng)用設(shè)計，具有良好的理論和應(yīng)用價值。

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