基于FPGA和VHDL的USB2.0控制器设计

在视频存储和图像宽带领域中，经常遇到实时高速数据传输的要求。2000年4月，由Intel、Microsoft、NEC、Compaq、Lucent、Phillips等公司共同制订的USB2.0（Universal Serial Bus）传输协议，其速度远远超过了目前使用IEEE1394接口进行视频传输的400Mbps，达到了480Mbps；而且具有即插即用的PnP（Plug And Play）、可进行菊花链式的级联（通过USB HUB进行外围扩展）、可串连多达127个USB设备等优点。应用该协议可支持实时语音、音频和视频数据的传输。

本文针对高速数据传输需求，根据USB2.0的协议规范，利用VHDL语言实现符合该协议的功能控制器，在视频压解系统中使数据在PC与外设之间高速传输。如图1所示由视频A/D采集的原始视频数据，在Philips公司生产的TM1300专用视频处理器中压缩后，通过USB控制器送至PC机。PC机的整个通过USB控制器传输到TM1300，解压后发送至视频D/A。



1 控制器结构原理

USB2.0控制器结构框图如图2所示。控制器主要由两个部分组成，其一为与外设的接口，另一个是内部协议层逻辑PL（Protocol Layer）。内部存储器仲裁器实现对内部DMA和外部总线对存储器访问之间的仲裁。PL则实现USB的数据I/O和控制。



接口有三种：一种是与微控制器之间的功能接口；一种是与单口同步静态存储器（SSRAM）之间的接口；另外一种是与物理层之间的接口。这里符合UTMI（USB Transceiver Macrocell InteRFace）规范定义。

2 控制器实现

控制器接口的信号框图如图3所示。存储器采用标准的单口SRAM，其信号接口由32位数据线SRAM_DATA、15位地址线SRAM_ADDR及读写信号（SRAM_WE和SRAM_RD）组成，系统所需SRAM的容量为2 15×32bit=128KB。



而与微控制器之间的接口信号包括32位数据线DATA、18位地址线ADDR以及DMA请求和响应信号（DMA_REQ和DMA_ACK）。由于要支持到128KB，需要17位地址线，另外还需要一根地址线来选通SSRAM和USB控制器内部的寄存器，总共需要18根地址线addr[17:0]。定义如下：

USB_RF_SEL ＜= ！addr[17]；

USB_MEM_SEL ＜=addr[17];

第18位地址addr[17]为高时选择缓冲存储器，否则选择内部寄存器。地址addr[16:2]直接用于存储器SSRAM的地址。

2.1 UTMI接口

UTMI接口信号包括：与发送数据相关的信号（TxValid、TxReady等），与接收数据相关的信号（RxActive、RxValid、RxError等）以及16位双向数据线。

在物理层，该控制器需要一个外部的USB收发器（Transceiver），本文采用的是Philips公司的ISP1501芯片。该芯片用作USB2.0的模拟前端，从USB电缆来的差分信号进行反转不归零码（NRZI）解码和位解填充转换成16位并行数据；反之，16位并行数据通过一个差分驱动电路经过串行化、位填充和NRZI编码输出到USB电缆上。ISP1501通过管脚MODE0和MODE1决定收发器的工作模式，共有4种工作模式：MODE[1:0]为“00”时，收发器处于断开状态；为“01”时处于全速（Full Speed）模式（此时USB带宽为12Mb/s）；为“10”时是高速（High Speed）模式（此时USB最大带宽是480Mb/s）；为“11”时是HS chirp模式。

UTMI接口通过译码MODE[1:0]来控制ISP1501在HS和FS之间转变。

If mode_hs='1'then

MODE＜='10'

Elsif mode_hs='0'then

MODE＜='01'

End if;   

2.2 协议层

控制器的核心逻辑位于PL（Protocl Layer）模块，负责管理所有USB数据I/O和控制通信，其结构如图4所示。



DMA和存储器接口提供随机存储器访问和DMA操作。该模块使PL和外部微控制器采用DMA方式访问SSRAM。当外部总线有访问SRAM的请求时，且PL没有请求访问存储器，控制逻辑如下：req、ack分别对应外部总线和存储器之间的请求和响应信号，din、addr和we分别是外部总线给出的数据、地址和写信号,mreq是内部DMA向存储器发送的请求信号，mdin、maddr和mwe分别是内部DMA给出的数据、地址和写信号。

sel ＜=(req OR ack_r) AND(NOT mreq);

if sel='1' then

sram_out＜=din;

sram_adr＜=addr;

sram_we＜=req AND we;

else

sram_out＜=mdin;

sram_adr＜=maddr;

sram_we ＜=mwe;

end if;

由控制逻辑可看出，内部DMA操作的优先级比外部总线高。

协议引擎（Protocol Engine）处理所有标准的USB握手信号和控制通信。分组组装器组装分组并送入输出FIFO，先组装分组头，插入适当的PID（分组标识）和校验和，然后加入数据域。分组拆装器先解码出PID和序列号以及校验和，再从8位PID取低4位（或高4位取反）得到PID[3:0]，通过USB2.0协议的PID类型定义译码出PID名，判断是Token分组（OUT、IN、SOF和SETUP）还是DATA分组（DATA0、DATA1、DATA2和MDATA）。

Pid_Token＜=pid_OUT OR pid_IN OR pid_SOF OR pid_SETUP；

Pid_DATA ＜=pid_DATA OR pid_DATA1 OR pid_DATA2 OR pid_MDATA;

如果是Token分组（格式定义如图5所示），则将后续的16bit数据分别放入两个8bit临时Token寄存器token0和token1，然后取出分组中的7位地址、4位端点号及5位CRC校验码。



Token_fadr＜=token0[6:0];

Token_endp＜=token1[2:0] & token0;

Token_crc5＜=token1[7:3];

对于特殊的Token须进行特殊的处理，本文实现的控制器只对SOF这一特殊Token进行操作，解出PID后的11位帧号及5位CRC5校验码。

Frame_no＜=token1[2:0] & token0；

Token_crc5＜=token1[7:3]；

检验校验码是否出错，如果出错等待下一个Token，否则将地址、端点号和帧号等放入相应寄存器。Token类型如果是IN，则执行组装分组并发送寄分组；如果是OUT则拆卸接收到的数据分组。对于其他不支持的Token则视为错误处理：Pid_ERROR＜=pid_ACK OR pid_NACK OR pid_STALL OR pid_NYET OR pid_PRE OR pid_ERR OR pid_SPLIT OR pid_PING;如果出错则不进行Token的解码，而等待下一个Token的到来。

如果是DATA分组，则紧接着PID的是最大载荷为1024字节的数据和16位CRC16校验码。对数据的处理先写入端点寄存器，然后通过DMA操作写入SSRAM。下面详细介绍端点寄存器和DMA操作。

2.3 端点操作

数据的传输实际上通过端点（Endpoint）进行，控制器通过写端点的寄存器来配置端点，该控制器最多可有16个端点，每个端点有相应的4个寄存器：Epn_CSR、Epn_INT、Epn_BUF0和Epn_BUF1(这里n=0、1、2或3)，其格式如图6所示。本文使用addr[8:2]7根据地址线来访问这些寄存器，addr[8:4]用来选择端点号，其值（16进制）从4到19分别表Epn(n=0...15)。addr[3:2]指定寄存器类型：“00”代表CSR（Control Status Register）;“01”代表中断寄存器；“10”指向Buffer0；“11”代表Buffer1。这两个Buffer用来作临时数据存储，Buffer0和Buffer1分别作为专用的输入/输出缓冲器来提高USB的数据吞吐能力。双Buffer能够减少微控制器和驱动软件之间的延迟。其中端点的CSR寄存器指定端点的工作模式并且向控制器报告指定端点的状态。Ep_CSR[31:30]必须初始化为“00”（最初使用Buffer0），通过读这2位可以知道下次所要处理的缓冲器；为“01”时，指定Buffer1。Ep_CSR[27:26]和Ep_CSR[25:24]分别指定端点类型和传输类型，其类型编码参见表1。Ep_CSR[21:18]指定端点号，总共可以有16个端点。Ep_CSR[15]时DMA使能位，为“1”时允许外部DMA操作，否则不允许DMA操作。

表1 类型编码表



当控制器收到中断时，读中断源寄存器（Ep_INT[6:0]）来判断中断源和产生的原因。可自定义中断源，如Ep_INT定义为该控制器接收到不支持的PID而产生的中断：Ep_INT＜=Pid_ERROR。Ep_INT和Ep_INT分别表示Buffer1和Buffer0的满或空的状态位。

Ep_BUF[31]（标记缓冲器是否被使用过）在使用后被控制器置“1”，在清空或重填充该缓冲器后，控制器清除该位。该闰初始化时为“0”。Ep_BUF[30:17]指定缓冲器能容纳的字节数。Ep_BUF[16:0]缓冲器的指针，装载存储器SRAM中数据的地址。

控制端点（Endpoint0）比较特殊，由于它既要接收也要发送数据，因此对于控制端点，Buffer0用于OUT缓冲器，Buffer1则是IN缓冲器。从SETUP和OUT分组来的数据，写入Buffer0，IN分组的数据则是从Buffer1中获取。



2.4 DMA操作

DMA操作允许控制器与功能接口之间数据的透明传输。一旦设置了DMA操作，则不需要微控制器的干预。每个端点有一对DMA_REQ和DMA_ACK信号。当CSR寄存器中DMA使能信号位（Ep_CSR[15]）被置位时，USB控制器使用DMA_REQ和DMA_ACK这两个信号来进行DMA的流控制。当缓冲区有数据或为空需要填充时发送DMA请求信号DMA_REQ，每传输4字节，响应一个DMA_ACK信号。

由于USB2.0协议定义的事务操作以8bit为单位，因此完成一次32bit的DMA操作需要进行4次写8bit。内部DMA采用高效的One-hot状态机设计方法，状态转换如图7所示。当需要将接收到的数据存储到SRAM（rx_dma_en=1）时进入WAIT_MRD状态，在该状态选中一个临时数据寄存器，并向存储器发送请求信号mreq,从存储器中预取4字节（当接收到的数据少于4字节时，保证有4字节的数据写入存储器）到该寄存器中，然后进入MEM_WR状态。当PL的分组拆装器接收到1字节数据时，将该字节写入临时存储器，转入下一状态MEM_WR1；当分组拆装器没数据给DMA仲裁器时则进入MEM_WR2状态，在此状态将临时存储器中的数据写入SRAM，然后回到IDLE状态。在操作过程中，使用计数器adr_cb对传输字节数进行计数，通过addr_cb[1:0]的值标识当前传输的是32bit中的哪个字节。计数器sizu_c每接收1字节数值加1。



在需要读取SRAM中的数据（tx_dma_en=1）时，DMA仲裁器由IDIE状态进入MEM_RD1状态，读取4字节数据到发送缓冲区中，然后进入状态MEM_RD2，再读4字节进入状态MEM_RD3，这8字节轮流使用Buffer0和Buffer1缓冲区：

在需要读取SRAM中的数据（tx_dma_en=1）时，DMA仲裁器由IDLE状态进入MEM_RD1状态，读取4字节数据到发送缓冲区中，然后进入状态MEM_RD2，再读4字节进入状态MEM_RD3，这8字节轮流使用Buffer0和Buffer1缓冲区：

if((NOT adr_cb) AND mack

then Buffer0＜=SRAM_DATA_I;

elsif (adr_cb AND mack)

then Buffer1＜=SRAM_DATA_I;

end if;

在MEM_RD3状态判断是否还需要读下一个数据，如果需要再进入状态MEM_RD2，否则在传输完所有字节后，返回到IDLE状态。在发送数据过程中，使用14bit计数器sizd_c决定传输字节数，取自Ep_BUF[30:17]，每发送1字节数据，它的值减1。在图7中的各个状态中，由于超时、CRC校验错误或得到的数据发生错误时，PE产生的Abort信号会使当前状态都回到IDLE。

文中阐述了USB2.0功能控制器的一种实现方案。 其VHDL语言实现代码，已在XILINX公司的FPGA Virtex XVV3006fg456中通过了Xilinx ISE的仿真、综合及布局布线。FPGA的规模是32万门，1536个CLB（可配置逻辑单元）。该控制模块占用2050个Slice(66%),使用了1697个Slice触发器（27%）和3047个4输入LUT表（49%）。整个FPGA的速度可达到56.870MHz，完全满足视频数据的高速传输（对32bit数据操作，达到480Mb/s的速度时钟只需15MHz）。该方案实现的控制器便于修改且易于实现，可作为一个功能模块嵌入到SOC中，可使不同情况最大限度地灵活设计片上系统。