USB2.0接口IP核的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的USB 2. 0 接口完全依據(jù)于USB 2. 0的協(xié)議,可以完成協(xié)議的處理和數(shù)據(jù)的交換。整個(gè)系統(tǒng)采用了MCU 固件和硬件電路相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,根據(jù)不同的功能以及軟硬件實(shí)現(xiàn)的難易程度,進(jìn)行了相應(yīng)的模塊劃分。從圖1 中可以看出,硬件電路分成4 個(gè)模塊:收發(fā)器,USB 協(xié)議控制器,工作模式控制器和緩存控制器。這些模塊將在下面具體介紹。

　　根據(jù)協(xié)議可知,USB 定義了四種傳輸類(lèi)型:控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。 其中控制傳輸是用于支持在設(shè)備和主機(jī)之間關(guān)于設(shè)置信息、命令信息和狀態(tài)信息的傳送,是必不可少的,而其他三種傳輸方式是真正有用的數(shù)據(jù)傳輸,是可選的。MCU 作為固件,其功能是協(xié)助完成USB 的控制傳輸,這可使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,因?yàn)槿绻@部分功能使用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)將會(huì)變得非常復(fù)雜。雖然單片機(jī)的速度很慢,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬件電路,但是對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),控制傳輸只發(fā)生在主機(jī)和設(shè)備連接的開(kāi)始階段和其他傳輸之前,因此速度稍慢一些對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的在傳輸速度方面的性能影響不大;但是對(duì)于其他傳輸方式,尤其是同步傳輸和批量傳輸來(lái)說(shuō),這樣會(huì)降低USB 2. 0 高速傳輸?shù)男阅?是不能容忍的,所以這就決定了其不能參與USB 其他方式的數(shù)據(jù)傳輸。

模塊設(shè)計(jì)

收發(fā)器( Transceiver)

　　根據(jù)UTMI(USB Transceiver Macrocell Interface) ①可知,USB 2. 0 接口的收發(fā)器主要負(fù)責(zé)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的恢復(fù)、位填充和位剝離、NRZI(非歸零反轉(zhuǎn)) 的編碼和解碼、串并和并串的轉(zhuǎn)換、同步字段和包結(jié)束碼的檢測(cè)和生成等功能,同時(shí)支持高速和全速傳輸,提供30 MHz(16 位并行數(shù)據(jù)) 時(shí)鐘和60 MHz(8位并行數(shù)據(jù)) 時(shí)鐘。

　　因?yàn)檫@部分是USB 2. 0 接口的模擬前端,并且是高速(480 MHz) 的串行信號(hào)處理,為了降低設(shè)計(jì)難度和減小開(kāi)發(fā)周期,本文直接采用了CYPRESS 公司的CY7C 68000 芯片。 　

工作模式控制器( Work Mode Controller)

　　根據(jù)協(xié)議可知,從USB 設(shè)備連接到主機(jī)的USB 接口的過(guò)程中,USB 設(shè)備有多種可能的狀態(tài)。不同的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)不同的功能。特別注意的是,如果USB 設(shè)備在一段特定的時(shí)間內(nèi)探測(cè)不到總線(xiàn)活動(dòng)時(shí),必須進(jìn)入掛起態(tài),此時(shí)USB 設(shè)備保持當(dāng)前的狀態(tài)、地址及配置,這樣可以有效地降低功耗。當(dāng)檢測(cè)到總線(xiàn)上任何非空閑信號(hào)時(shí),設(shè)備必須被喚醒,回到原來(lái)的工作狀態(tài)。

　　該模塊主要負(fù)責(zé)USB 設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,包括設(shè)備與主機(jī)的高速握手信號(hào)檢測(cè)、主機(jī)復(fù)位信號(hào)檢測(cè)、掛起和喚醒狀態(tài)檢測(cè)等功能。具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖2 所示。

　　當(dāng)USB 設(shè)備剛剛和主機(jī)建立連接時(shí),工作在全速狀態(tài),主機(jī)發(fā)送復(fù)位信號(hào),在復(fù)位過(guò)程中,設(shè)備發(fā)送Chirp K 信號(hào)給主機(jī),支持USB 2. 0 的主機(jī)接收到此信號(hào)后發(fā)送3 組交替的Chirp K和Chirp J信號(hào)。設(shè)備探測(cè)到此信號(hào)后,在復(fù)位信號(hào)結(jié)束后就工作在高速(480Mbps) 工作狀態(tài),否則USB 設(shè)備工作在全速(12 Mbps) 狀態(tài).當(dāng)設(shè)備工作在高速模式下時(shí),直接使用收發(fā)器提供的30MHz 的時(shí)鐘;當(dāng)設(shè)備工作在全速模式下時(shí),此模塊要對(duì)收發(fā)器提供的時(shí)鐘進(jìn)行40分頻,然后再供給USB 的其他模塊單元。這是因?yàn)樵谌俟ぷ髂Ｊ綍r(shí),數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇兴俾适?2Mbps ,僅為高速傳輸?shù)?/ 40。檢測(cè)總線(xiàn)狀態(tài),當(dāng)接收到來(lái)自主機(jī)的軟復(fù)位信號(hào)時(shí),此模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)給整個(gè)USB 接口電路。處在任何一種狀態(tài)的設(shè)備都必須接收主機(jī)的復(fù)位信號(hào)。

　　檢測(cè)總線(xiàn)狀態(tài),當(dāng)USB設(shè)備發(fā)現(xiàn)總線(xiàn)上的連續(xù)空閑(高速時(shí)總線(xiàn)狀態(tài)為SE0 ,全速時(shí)總線(xiàn)狀態(tài)為J ) 時(shí)間超過(guò)3 ms 時(shí),該模塊產(chǎn)生掛起(suspend) 信號(hào)給整個(gè)USB 2. 0 接口電路,使之進(jìn)入掛起狀態(tài),所有模塊都不工作,此時(shí)整個(gè)電路的功耗會(huì)變得很低;處在掛起狀態(tài)的設(shè)備,探測(cè)到總線(xiàn)上的非空閑(總線(xiàn)狀態(tài)一般為K態(tài)) 信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生喚醒信號(hào),使整個(gè)電路在一定時(shí)間內(nèi)回到全速或高速工作狀態(tài)。

USB協(xié)議控制器( USB Protocol Controller)

　　這部分是USB 2. 0 接口電路的核心單元,處理大部分USB2. 0 的協(xié)議請(qǐng)求,完成數(shù)據(jù)的通信。USB總線(xiàn)是一種輪訊方式的總線(xiàn),主機(jī)控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。每一次傳輸可以由多個(gè)事務(wù)構(gòu)成,每一個(gè)事務(wù)最多可以傳送3個(gè)數(shù)據(jù)包,分別為標(biāo)記包(Token Packet) 、數(shù)據(jù)包(Data Packet) 和握手包(Handshake Packet)。傳輸開(kāi)始時(shí),由標(biāo)志包來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)的傳輸方向,然后發(fā)送端開(kāi)始發(fā)送包含有用信息的數(shù)據(jù)包或者零數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包(根據(jù)傳輸?shù)牟煌A段而有所不同) ,接收端則要相應(yīng)地發(fā)送一個(gè)握手包表明傳送。

　　該模塊的具體工作流程如圖3 所示,在接收數(shù)據(jù)時(shí),首先對(duì)包標(biāo)識(shí)符( PID) 進(jìn)行解析,如果是標(biāo)記包(Token Packet) ,則用5 位CRC 進(jìn)行校驗(yàn); 如果校驗(yàn)錯(cuò)誤,則忽略該信息包,校驗(yàn)正確后將數(shù)據(jù)送入U(xiǎn)SB 邏輯控制器,針對(duì)不同的PID 進(jìn)行相應(yīng)的處理。如果是數(shù)據(jù)包(Data Packet) ,則用16 位CRC 校驗(yàn),然后將有效數(shù)據(jù)送入緩存控制器進(jìn)行緩存,再根據(jù)傳輸類(lèi)型,分別送入不同的模塊; 在控制傳輸方式下, 則將數(shù)據(jù)傳送給MCU ,利用MCU 完成主機(jī)對(duì)設(shè)備相應(yīng)的配置工作以及完成和主機(jī)配置方面的數(shù)據(jù)交換,在其他傳輸方式下,則直接通過(guò)DMA 總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送到SDRAM 中存儲(chǔ)。

　　如果是握手包(handshake Packet) ,則不需要CRC 校驗(yàn),因?yàn)槠湟呀?jīng)包含自身反碼的校驗(yàn)字段,直接將解析后的PID 送入U(xiǎn)SB 邏輯控制器。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),如果是數(shù)據(jù)包,首先從緩存控制器模塊得到所需數(shù)據(jù),然后生成16 位CRC 校驗(yàn)碼和相應(yīng)數(shù)據(jù)包的PID ,傳送到收發(fā)器中進(jìn)行發(fā)送;如果是握手包,則直接生成相應(yīng)握手包(ACK,NAK,STALL) 的PID ,然后送到收發(fā)器中發(fā)送.同時(shí),USB 協(xié)議是通過(guò)切換從屬于數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器的時(shí)序位來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸同步的。僅在接收器接受到帶有正確的數(shù)據(jù)PID的無(wú)錯(cuò)數(shù)據(jù)包時(shí),接收器時(shí)序位才切換;而僅在數(shù)據(jù)發(fā)送器收到合法的ACK握手PID 時(shí),發(fā)送器時(shí)序位才切換。如果同步失敗,則根據(jù)具體情況重傳或丟棄該數(shù)據(jù)包,這樣可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

　　USB 邏輯控制器負(fù)責(zé)將設(shè)備的地址和端點(diǎn)號(hào)放入狀態(tài)寄存器,只有標(biāo)記包中的地址(先使用缺省地址,然后更改為主機(jī)配置的地址) 正確時(shí)才接受相應(yīng)的數(shù)據(jù)包,然后根據(jù)標(biāo)記包中的端點(diǎn)號(hào)來(lái)區(qū)分不同的傳輸模式:控制傳輸是雙向端口,只有一個(gè)端點(diǎn)號(hào),一般將編號(hào)為0 的端點(diǎn)作為控制端點(diǎn)以響應(yīng)控制事務(wù)的輸入輸出;其他傳輸模式是單向端口,輸入和輸出方向都定義為不同的端點(diǎn)號(hào)。