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,，目前國內(nèi)的USB開發(fā)者所采用的芯片都是由國外的芯片商所提供，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的前提。
1 USB通信原理
USB通信邏輯上分成了3層：信號層,、協(xié)議層和數(shù)據(jù)層,。信號層用來實(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,，它們在信號層被編碼成NRZI位信息后傳送出去,。數(shù)據(jù)傳輸層用來實(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?br />
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,，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。它們在數(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,。
控制傳輸用來對設(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)傳輸用來傳送音頻或視頻的數(shù)據(jù),；中斷傳輸用來傳輸類似PCI或ISA總線上中斷信號的數(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DP和DN的上拉、下拉來區(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,，對于一串0來說，它的數(shù)據(jù)線的電平狀態(tài)會(huì)按位跳變,，對以一串l則不然,，電平會(huì)長時(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總線狀態(tài)以及識別總線速度。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(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PID進(jìn)行校驗(yàn)，即PID[7:4]～PID[3:0],，還要對必要的令牌包進(jìn)行CRC5校驗(yàn),，對數(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Register進(jìn)行解碼,，來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,，CRC校驗(yàn)檢錯(cuò)等來仿真。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中對表可以看出,，本設(shè)計(jì)在滿足頻率(FX8>480 MHz)的條件下,，精簡了多個(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
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,。
發(fā)布者：小宇