MCU與USB設(shè)備控制器IP核的設(shè)計

1引言

在傳統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng)上常采用串口（如RS232）和并口連接外圍設(shè)備，但串口和并口都存在著通信速度慢，接口獨占不利于擴(kuò)展等無法克服的缺點，而通用串行總線（Universal Serial Bus，即USB）因具有傳輸速度快、支持熱插拔、擴(kuò)展方便、抗干擾強(qiáng)、成本低、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、節(jié)省系統(tǒng)資源等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前它已成為計算機(jī)最常用的接口之一。

現(xiàn)在USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(jī)（MCU）和純粹的USB接口芯片。純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有個外部微處理器來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。典型產(chǎn)品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD12（并行接口）；NS公司的USBN9603/9*（并行接口）。帶USB接口的單片機(jī)從應(yīng)用上又可以分成兩類，一類是從底層設(shè)計專用于USB控制的單片機(jī)；另一類是增加了USB接口的普通單片機(jī)，如Cypress公司的EZ—USB（基于8051），選擇這類USB控制器的最大好處在于開發(fā)者對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，開發(fā)工具簡單，但價格比較高，不利于產(chǎn)品升級和改型。

然而，國內(nèi)產(chǎn)品中所用到的USB芯片都依賴進(jìn)口，主要由國外的IC設(shè)計芯片廠商如Cypress，NEC等一些國際著名公司提供。鑒于USB芯片有很好的市場前景和利潤空間，盡管國內(nèi)企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)目前還只是處于USB芯片應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)水平，人們還是希望自主開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權(quán)的USB芯片。因此，近年來國內(nèi)也有許多單位在探索獨立設(shè)計USB芯片。

本論文針對USB1.1協(xié)議規(guī)范，本著自主開發(fā)USB控制芯片，把MCU和USB設(shè)備控制器用軟核的形式集成在一塊芯片上，微控制器我們是用14位指令字長度，且是單字節(jié)指令和單周期指令，其核心指令只有39條，容易掌握和設(shè)計，而且完全滿足總體設(shè)計的要求。

2 MCU設(shè)備控制器工作原理及總體設(shè)計

整個設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，差分信號線D+和D-連接主機(jī)，接收時主機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)通過收發(fā)器和USB設(shè)備控制器解碼和校驗等處理后存儲到相應(yīng)的RAM中；發(fā)送時由仲裁模塊控制從RAM或ROM中提取相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過USB設(shè)備控制器組合和收發(fā)器串行發(fā)送給主機(jī)。MCU主要協(xié)助USB控制器完成設(shè)備和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 MCU的設(shè)計

MCU主要完成各種中斷處理，而且協(xié)助控制器使主機(jī)檢測和識別設(shè)備；設(shè)備剛插上PC時，MCU通過讀取ROM中的指令來初始化專用功能寄存器，使能全局中斷GIE和USB中斷USBint，使控制器能及時響應(yīng)各種USB中斷；全局中斷允許位GIE置位時，允許所有中斷；清零時，禁止所有中斷。當(dāng)一個中斷被響應(yīng)時，GIE位被清零以禁止其它中斷，并裝載中斷服務(wù)程序，將中斷返回地址壓入堆棧。引起裝載中斷服務(wù)程序的中斷標(biāo)志位在重新允許GIE之前通過軟件清零，以避免重復(fù)響應(yīng)中斷。在中斷服務(wù)程序中，通過檢測中斷標(biāo)志位可以判斷中斷源，各中斷標(biāo)志位的置位不受GIE的影響；在設(shè)備與主機(jī)通信過程中，MCU處理setup包、in包、out包、ack、nak、stall包等的中斷處理，我們規(guī)定了USB中斷、定時器中斷、外部中斷、GPIO中斷的中斷入口地址分別為04H、08H、0CH、10H；MCU同時還對各功能寄存器進(jìn)行相應(yīng)的操作，比如寫端點0的輸入輸出包允許的最大值，數(shù)據(jù)的觸發(fā)位DSQ（即Data Toggle機(jī)制）等。

2.2 arbRAM、arbROM（仲裁模塊）的設(shè)計

在設(shè)計中含有兩種存儲器：程序存儲器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），這兩種存儲器都有自己的總線，在一個時鐘周期內(nèi)，可以同時對兩種存儲器進(jìn)行訪問。USB和MCU都可以訪問SRAM和ROM，仲裁模塊就是為兩者同時訪問時不起沖突而設(shè)置的；USB訪問ROM的地址空間100h-fffh（我們把設(shè)備的描述符存放在這里），且USB訪問僅取14位寬的低8位數(shù)據(jù)。當(dāng)USB與MCU同時訪問ROM時，MCU優(yōu)先。USB與MCU共享通用寄存器（SRAM），當(dāng)USB的請求訪問存儲器信號到來時，USB訪問存儲器的地址信號的高三位不等于零時屬于USB訪問程序存儲器的地址空間。當(dāng)USB與MCU同時訪問通用寄存器（SRAM）時，MCU具有優(yōu)先權(quán)。

2.3 USB設(shè)備控制器的設(shè)計

USB設(shè)備控制器是設(shè)計的重點部分，是本論文介紹的重點，總體的模塊劃分如圖2所示；

2.3.1收發(fā)器的設(shè)計

USB收發(fā)器作為USB接口的模擬前端主要把主機(jī)發(fā)送過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號VP、VM傳到數(shù)字鎖相環(huán)或把協(xié)議引擎發(fā)送過來的VP0、VM0數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并完成串并和并串的轉(zhuǎn)換；

收發(fā)器的模型如圖3所示，Dplus為正相USB差分?jǐn)?shù)據(jù)線，Dminu為負(fù)相USB差分?jǐn)?shù)據(jù)線，兩者都是雙向的。OEn為USB發(fā)送使能，為低時作為發(fā)送功能，單相輸出口被置為高阻，為高時作為接收功能，單相輸入口被置為高阻。

2.3.2 Dpll（數(shù)字鎖相環(huán)）模塊

數(shù)字鎖相環(huán)實現(xiàn)時鐘恢復(fù)、分頻及同步時鐘；該模塊用外部的6M時鐘CLK進(jìn)行分頻，產(chǎn)生1.5M的USB系統(tǒng)時鐘，以及把收發(fā)器產(chǎn)生的差分信號和并行信號進(jìn)行鎖相，避免產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

2.3.3 SIE（串行接口引擎）模塊

SIE是USB控制器的主要模塊；實現(xiàn)協(xié)議層的功能、信息包的解析和組合、同步信號識別、位填充和位剝離、NRZI（非歸零反轉(zhuǎn)）的編碼和解碼、同步字段和包結(jié)束碼的檢測和生成、CRC5、CRC16校驗等功能；圖4是設(shè)備接收主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時的狀態(tài)機(jī)。

從圖4可以看出設(shè)備在沒有數(shù)據(jù)傳輸時處于空閑態(tài)，低速設(shè)備空閑時D+、D-處于J態(tài)，當(dāng)有K態(tài)到來時進(jìn)入狀態(tài)轉(zhuǎn)換；以KJKJKK為同步位，同步字段里的最后的2位是同步字段結(jié)束的記號，并且標(biāo)志了包標(biāo)識符（PID，Packet Identifier）的開始。然后根據(jù)不同的PID分別進(jìn)入地址態(tài)或數(shù)據(jù)態(tài)，緊跟在地址態(tài)后面的是端點態(tài)，因為地址和端點分別是有7位和4位構(gòu)成共11位，所以只要5位CRC校驗就可以了，CRC校驗完后就要結(jié)束此次的包傳輸，USB協(xié)議中以2個SE0態(tài)和一個J態(tài)來表示包的結(jié)束。在數(shù)據(jù)態(tài)判斷是否為SE0態(tài)，SE0態(tài)表示8個字節(jié)的數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢，因為非SE0態(tài)即J、K態(tài)都表示工作態(tài)，所以在數(shù)據(jù)態(tài)中如果總線上沒有SE0到來就一直接收數(shù)據(jù)。

2.3.4 ENDPCTL（端點控制）模塊

設(shè)計中用到兩個端點，端點0和端點1.端點0是半雙工傳輸，主要是在設(shè)備的枚舉過程中用于控制傳輸，端點1是在枚舉完成后的中斷傳輸中用設(shè)備和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于中斷傳輸主要是通過端點1輸入，但也有少許輸出（如鍵盤的LED燈輸出），我們?yōu)榱斯?jié)省資源，所以由端點0完成少許的輸出。

2.3.5 BUFCTL（緩沖器控制）模塊

緩沖器控制模塊是USB和SRAM及ROM的連接橋梁，在主機(jī)要求輸入數(shù)據(jù)的IN token狀態(tài)時，控制器從SRAM或ROM中取出數(shù)據(jù)送給主機(jī)或主機(jī)輸出數(shù)據(jù)的OUT token狀態(tài)時，控制器把接收到的數(shù)據(jù)存放在SRAM中，它主要根據(jù)串行接口引擎SIE的接收或發(fā)送準(zhǔn)備信號來控制讀寫信號，保證數(shù)據(jù)能正確傳輸。USB與MCU共享通用寄存器區(qū)，usbREQUST為來自USB的請求訪問存儲器信號，usbADDR為USB訪問存儲器的地址信號，usbADDR［11：8］不等于零時屬于USB訪問程序存儲器的地址空間。當(dāng)USB與MCU同時訪問數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）時，MCU具有優(yōu)先權(quán)。

3系統(tǒng)驗證環(huán)境

在完成了Verilog代碼設(shè)計后，我們進(jìn)行了仿真、綜合驗證，前仿用Modelsim、綜合用Synplify Pro、綜合后仿真用Cadence中的NC_Verilog，主要由于NC_Verilog在后仿中的速度要優(yōu)于Modelsim，提高了效率；圖5是用NC_Verilog仿真設(shè)備的枚舉過程；

任何USB的數(shù)據(jù)傳輸都是建立在成功通過枚舉的基礎(chǔ)上的，只有正確完成了枚舉，USB主機(jī)和設(shè)備之間的通信才正在建立起來。所以枚舉是USB通信的最關(guān)鍵的一步。在驗證過程中模擬了PC主機(jī)向設(shè)備發(fā)送各種命令來完成枚舉。在圖5中pid［3：0］中D、3、9、2、1、B分別表示Setup、DATA0、IN、Ack、Out、DATA1.當(dāng)設(shè)備插上PC時主機(jī)會持續(xù)的SE0來復(fù)位設(shè)備，這時設(shè)備的地址默認(rèn)為00，然后主機(jī)第一次發(fā)送Setup包來獲取設(shè)備的前8個設(shè)備描述符，當(dāng)設(shè)備成功返回數(shù)據(jù)后，主機(jī)第二次發(fā)送Setup包來給設(shè)備配置地址，從圖中faddr［7：0］可以看出我們給設(shè)備配置的地址為02，在這以后主機(jī)都是通過這個地址向設(shè)備獲取全部的18個設(shè)備描述符和全部的配置描述符集，在取完這些描述符后主機(jī)對設(shè)備進(jìn)行配置，主機(jī)就識別出設(shè)備了。

4結(jié)論

本文描述了自主研發(fā)的MCU+USB設(shè)備控制器的設(shè)計思路。用Verilog語言對其進(jìn)行了RTL級描述。用Modelsim進(jìn)行前仿驗證，并在Cadence公司的NC_Verilog上通過了綜合后仿驗證。為了進(jìn)一步驗證設(shè)計的正確性，本項目選擇了XILINX公司的Virtex xc2s2006pq208芯片及XC18V02的存儲器，并把上述IP核綜合到此FPGA上加以驗證。綜合結(jié)果表明，協(xié)議層模塊占用了1672個Slice（71%），652個Slice Registers（13%），2870個4 input LUTs（61%），51個bonded IOBs（36%）。使用上華工藝，該芯片已經(jīng)流片返回了，并通過demo板連接到PC上，PC可以檢測出為人體輸入學(xué)設(shè)備，說明該芯片完全符合制定的設(shè)計要求。