一种高速USB设备控制器IP核的设计与实现

　　1 引言

　　为了满足各种不同设备类型需求，USB2.0 规范在USB1.1 全速（12Mbps）及低速（1.5Mbps）的基础上增加了高速（480Mbps）传输速率，同时为了兼容USB1.x 规范，高速设备在全速信号环境中必须以全速正常工作，即能够在高/全速两种信号环境中正确地进行速率切换，这也加大了高速设备控制器的设计难度。本文通过分析USB2.0 协议， 利用VerilogHDL 实现了符合该规范的高速设备控制器IP 核，同时对设计中的几个问题加以讨论并提出相应的解决方案。

　　2 USB2.0 协议

　　包（Packet）是USB 传输的最小单位。每个数据包的开始都有同步头（SYNC）以及相应的包标示符（PID），包的结尾处都有包结束符（EOP）。在全/低速信号环境中，SYNC 长度为8 个时钟周期（对应一个字节01h），EOP 为2 个时钟周期的单端0 （singleend,SE0）。而在高速信号环境中，除了新添加了几个信息包PID,以及同步头、EOP 分别增加到4 个字节长度和1 个字节（有个例外， 就是SOF 后面的EOP 可以到4 字节）长度以外，为保证包中数据的正确性而进行的PID 互补校验以及数据字段的CRC 校验都没有变化。

　　USB 传输（Transfer）是通过一个或者多个包含一系列数据包的事务（transaction）完成的，事务的格式示意图如图1（a）所示。令牌数据包定义传输类型、目标设备地址、端点号码以及数据传输方向，如图1（b）；数据阶段的数据包装载长度与传输类型相关的数据，如图1（c）；握手应答包（在同步传输中没有）定义该次事务的结果， 视接收情况分为4 种：ACK、NAK、STALL、NYET,分别表示数据成功接受、设备忙、设备（端点）不可用、还没有足够的缓存空间接受下一个数据包。

　　每一个USB 设备的端点都有其特定的属性标明如何访问它，每一种传输类型也都和具体的应用要求相联系。为了支持各种设备类型，USB 规范提供中断（interrupt） 传输、块（bulk） 传输和同步（isochronous） 传输以满足不同的应用要求。控制（control）传输基本用于主机（HOST）对设备进行配置以及下达各种命令，且有专门的PID 标示。因高速环境中总线带宽大大的提升，所以包的数据字段的有效载荷都相应的加大了。不过对于任何高速设备来说，首先都是以全速设备出现，如果其复位时发出握手信号（线性调频脉冲）主机端应答成功，则断开上拉电阻而进入高速模式。

　　3 设备控制器核的设计与实现

　　3.1 设计思想

　　目前USB 设备端控制器的实现主要有两种方式：一是全集成芯片，如专用的微处理器（MCU）内嵌符合USB 规范的SIE（Serial Interface Engine）；二是部分集成芯片，如分立的通用微处理器+SIE。前者涉及到要开发专用的MCU,开发时间长、风险大；后者集成度虽低，但不需专门设计MCU,极大地缩短了开发时间和风险性，同时应用时具有更大灵活性。考虑设计开发时间、设计工作量及应用测试等因素，本设计采用第二种方式（外置通用MCU），完成设备控制器整个数字部分IP 核的设计。

　　设计完成的IP 核实现了控制，中断，批量，同步四种模式传输，同时根据总线信号环境自动完成高/全速转换。为了降低MCU 的开发难度，精简内部的中断产生， 自动实现数据重传而不需要MCU 的任何干预。

　　3.2 模块划分及具体实现

　　该USB 设备控制器的逻辑功能框图如图2（a）所示。SIE（串行接口引擎）为该设计的核心。设备在接收数据时， 对NRZI 数据流进行解码并提交数据及其接收情况；发送数据时生成相应的数据PID 并进行NRZI 编码发送出去。为了更好地实现整个控制逻辑，把整个设备端控制器核划成6 大块：物理层PHY,收发器宏单元接口UTMI,协议层PL,存储接口仲裁MIA , 内部状态控制寄存器CSR 以及端点存储DPRAM,如图2（b）所示。

　　3.2.1 PHY

　　由USB2.0 协议规范可知， 高速设备控制器必须能在高/全速信号环境之间正确切换， 因此PHY必须能够根据工作模式确定其信号环境；其次必须进行高速480M/全速12 MHz 的NRZI 数据流解码、编码工作及其相应的串并、并串转换。设计中PHY使用了Philips 的ISP1501, 因此该部分数模混合设计不做介绍，ISP1501 的详情请参考文献。

　　3.2.2 UTMI

　　UTMI 控制suspend/resume 的产生以及生成全/高速之间切换的模式信号， 由于ISP1501 的数据线宽度为16 bits,一次处理一个字（1 word=2 bytes），故还要起到PHY 与协议层（PL）之间数据交换的缓冲作用。内部框架如图3 所示。速度协商控制（SNC）为该模块的核心。

3.2.3 PL

协议层模块是整个SIE 的核心，控制着整个数据传输。总流程图如图4（a）所示。该过程主要有两个步骤：第一，检查PID 的有效性；第二，如果PID 有效，则根