MCU + USB设备控制器IP核的设计

1 引言

在传统的计算机系统上常采用串口(如RS232)和并口连接外围设备，但串口和并口都存在着通信速度 慢，接口独占不利于扩展等无法克服的缺点，而通用串行总线(Universal Serial Bus，即USB)因具有传输 速度快、支持热插拔、扩展方便、抗干扰强、成本低、数据传输质量高、节省系统资源等优点而得到了广 泛的应用，当前它已成为计算机最常用的接口之一[1-3]。

现在USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机(MCU)和纯粹的USB接口芯片。纯粹的USB接口芯片仅处 理USB通信，必须有个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。典型产品有PHILIPS公司的PDIUSBD11(I2C 接口)、PDIUSBD12(并行接口)；NS公司的USBN9603／9*(并行接口)。带USB接口的单片机从应用上又可以 分成两类，一类是从底层设计专用于USB控制的单片机；另一类是增加了USB接口的普通单片机，如Cypress 公司的EZ—USB(基于8051)，选择这类USB控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开 发工具简单，但价格比较高，不利于产品升级和改型[4-6]。

然而，国内产品中所用到的USB 芯片都依赖进口，主要由国外的IC 设计芯片厂商如Cypress，NEC 等 一些国际著名公司提供。鉴于USB 芯片有很好的市场前景和利润空间，尽管国内企业或研究机构目前还只 是处于USB 芯片应用开发的技术水平，人们还是希望自主开发出有自主知识产权的USB 芯片[7-9].因此，近 年来国内也有许多单位在探索独立设计USB 芯片。

本论文针对USB1.1 协议规范，本着自主开发USB 控制芯片，把MCU 和USB 设备控制器用软核的形式集成在一块芯片上，微控制器我们是用14 位指令字长度，且是单字节指令和单周期指令，其核心指令只有 39 条，容易掌握和设计，而且完全满足总体设计的要求。

2 MCU&USB 设备控制器工作原理及总体设计

整个设计的总体结构如图1 所示，差分信号线D+和D-连接主机，接收时主机发送的串行数据通过收 发器和USB 设备控制器解码和校验等处理后存储到相应的RAM 中；发送时由仲裁模块控制从RAM 或 ROM 中提取相应数据经过USB 设备控制器组合和收发器串行发送给主机。MCU 主要协助USB 控制器完 成设备和主机之间的数据传输。



2.1 MCU 的设计

MCU主要完成各种中断处理，而且协助控制器使主机检测和识别设备；设备刚插上PC时，MCU通过读取 ROM中的指令来初始化专用功能寄存器，使能全局中断GIE和USB中断USBint，使控制器能及时响应各种USB 中断；全局中断允许位GIE置位时，允许所有中断；清零时，禁止所有中断。当一个中断被响应时，GIE 位被清零以禁止其它中断，并装载中断服务程序，将中断返回地址压入堆栈。引起装载中断服务程序的中 断标志位在重新允许GIE之前通过软件清零，以避免重复响应中断。在中断服务程序中，通过检测中断标 志位可以判断中断源，各中断标志位的置位不受GIE的影响；在设备与主机通信过程中，MCU处理setup包、 in包、out包、ack、nak、stall包等的中断处理，我们规定了USB中断、定时器中断、外部中断、GPIO中断 的中断入口地址分别为04H、08H、0CH、10H；MCU同时还对各功能寄存器进行相应的操作，比如写端点0的 输入输出包允许的最大值，数据的触发位DSQ（即Data Toggle机制）等。

2.2 arbRAM、arbROM（仲裁模块）的设计

在设计中含有两种存储器：程序存储器（ROM）和数据存储器（SRAM），这两种存储器都有自己的总线， 在一个时钟周期内，可以同时对两种存储器进行访问。USB 和MCU 都可以访问SRAM 和ROM，仲裁模块就是 为两者同时访问时不起冲突而设置的；USB 访问ROM 的地址空间100h-fffh（我们把设备的描述符存放在这 里），且USB 访问仅取14 位宽的低8 位数据。当USB 与MCU 同时访问ROM 时，MCU 优先。USB 与MCU 共享通 用寄存器（SRAM），当USB 的请求访问存储器信号到来时， USB 访问存储器的地址信号的高三位不等于零 时属于USB 访问程序存储器的地址空间。当USB 与MCU 同时访问通用寄存器（SRAM）时，MCU 具有优先权。

2.3 USB 设备控制器的设计

USB 设备控制器是设计的重点部分，是本论文介绍的重点，总体的模块划分如图2 所示；



2.3.1 收发器的设计

USB 收发器作为USB 接口的模拟前端主要把主机发送过来的模拟信号转换成数字信号VP、VM 传到数字锁相环或把协议引擎发送过来的VP0、VM0 数字信号转换成模拟信号，并完成串并和并串的转换；

收发器的模型如图3所示，Dplus为正相USB差分数据线，Dminu为负相USB差分数据线，两者都是双向的。 OEn为USB发送使能，为低时作为发送功能，单相输出口被置为高阻，为高时作为接收功能，单相输入口被 置为高阻。