基于層次模型的USB2.0接口芯片IP核固件的設計

1 引言

USB2.0規(guī)范的推出極大地刺激了包括各類計算機外設在內的多種電子消費產(chǎn)品的開發(fā)設計, USB已成為微機和眾多電子設備的重要標準接口。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，但國內對該領域的研究尚處于較初級的階段。本文對USB IP核設計方法,提出了一種USB2.0設備接口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)，實驗結果表明該方案具備良好穩(wěn)定性和可擴展性的固件結構。

2 USB2.0設備接口IP核的設計

USB2.0設備接口芯片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，還負責解釋設備子類協(xié)議，并實現(xiàn)對具體外部應用系統(tǒng)（設備元件）的操作。

從硬件結構分析，基于增強型8051MCU核的 USB2.0設備接口芯片(IP核)應包括以下幾個模塊：

（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，負責接收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接口進行USB總線上的包級處理和傳輸級處理；另一方面與內部的端點緩沖及MCU進行交互；

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

（4）通用可編程接口及多總線模塊GPIO- MultiBus：IP核與外部應用系統(tǒng)（設備元件）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設備接口IP核固件不僅要完成與主機的通信，還要實現(xiàn)對外部應用系統(tǒng)（設備元件）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），負責將Endpoint中接收到的主機命令/數(shù)據(jù)向上傳送到主機命令解析模塊，并在需要時向主機返回命令處理結果；

（2）主機命令解析模塊：分析處理USB傳輸處理模塊送來的主機命令，并負責將命令執(zhí)行結果返給USB傳輸處理模塊；

（3）設備應用處理模塊：根據(jù)主機命令發(fā)送具體操作信號到外部應用系統(tǒng)（設備元件），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展性，我們將固件抽象為設備枚舉、傳輸控制、命令解析、外部應用操作等幾個層次，如圖1所示。