USB2.0主机控制器IP核的设计

摘要 ：为了摆脱对USB2.0 主机控制器ASIC 芯片的依赖，提高产品集成度，本文设计了针对全速和高速USB 海量存储设备的USB2.0 主机控制器IP 核。首先介绍USB2.0 主机控制器IP核中主要涉及的USB2.0 通信协议以及与物理层芯片接口的ULPI 接口规范协议，并依据协议规范，利用VHDL 硬件描述语言完成USB2.0 主机控制器IP 核的ULPI 接口模块以及USB2.0通信协议模块的设计。使用Xilinx 公司的ISE Simulator 工具进行波形仿真，并在XilinxXUPV2 开发板上进行验证，仿真结果及FPGA片上实验表明本文设计的USB2.0 主机控制器能够完成对USB 海量存储设备的有效管理。

0 引言

在USB 协议标准发展的过程中，USB2.0 接口凭借其连接简单、稳定、速度快以及即插即用等优点，广泛应用于计算机、通信和消费类电子产品中。然而目前大部分USB 主机端控制器都是使用国外公司研制的专用ASIC 芯片，USB2.0 主机控制器IP 核的设计可以摆脱对这些芯片的依赖，使得应用灵活方便。本文完成了针对全速和高速海量存储设备USB2.0主机控制器IP 核中与物理层芯片接口的ULPI[2]模块以及USB2.0 协议模块的设计和实现。

ULPI 模块介于USB2.0 主机控制器的协议模块和物理层芯片之间，完成对插入USB 设备的状态检测，判别是何种设备（全速还是高速），然后将设备置于相应的状态再进行USB 的各种传输事务。每一个USB 的传输都是由事务组成的。而每一个事务都是由USB 传输的最基本单位包（packet）来组成的，USB 的包主要是由令牌包、数据包、握手包和特殊包这四种类型组成的。令牌包和数据包又包含不同的类型[4]，握手包仅由一个PID 域组成用以传输联络信号来反映目前数据处理的状态。USB 协议包含了四种数据传输类型，分别为控制传输，批量传输，中断传输和同步传输，其中控制传输是所有设备必须要支持的传输方式，对时间没有严格限制的大量的数据传输要用到批量传输；同步传输也被称为实时传输。

1 系统设计

图1 整体系统图

图 1 中FPGA型号为Xilinx Virtex-II proxc2vp30，标识为ISP1504 的子板通过FPGA扩展口接入到FPGA 开发板，子板以物理层芯片ISP1504 为核心并配以简单外围电路构成，上面带有USB 接口用来插入USB 设备。ISP1504 用来完成数据的串行化和解串，以及NRZI编码和比特位填充等功能。FPGA 中内嵌microblaze 软核处理器，USB 主机控制器IP 核作为用户IP 核挂接到处理器的PLB 总线上，再加入USB 驱动，便可以实现microblaze 处理器对全速和高速USB 海量存储设备的管理。本文主要介绍USB 主机控制器IP 核设计中的两个重要模块--与物理层接口的ULPI 模块以及USB2.0 协议层模块的设计实现。

2 ULPI 接口模块的设计及实现

ULPI（UTMI+低引脚数）接口规范是应用于高速通用串行总线（USB）和便携式USB（USBOTG）收发器芯片的行业规范。ULPI 模块提供USB 主机控制器与UTM 正常通信的物理层通道，是主机控制器实现正常通信的重要接口之一。该模块依据ULPI规范实现了总线事件检测的功能，完成了上电，正常操作，挂起和复位状态之间的转换等。

此模块采用状态机来实现，主要通过对 ISP1504 的功能控制寄存器写入一定的数据，使得物理层芯片的收发器进入相应的状态（全速、高速以及高速挂起），对状态机中时间控制采用计数器实现，主机端发送kj 序列对首先通过写ISP1504 的功能控制寄存器使之进入高速chirp 检测状态，然后在数据线上发送全0 和全1 来完成的。本设计USB2.0 主机控制主要针对全速和高速海量存储设备设备，全速和高速的状态转移图如图2 所示：

图 2 ULPI 模块状态转移图

芯片上电之后，通过写ISP1504 的功能控制寄存器的reset 位来复位芯片，之后通过差分数据线的状态来检测是否有设备插入，并根据状态判断是低速设备还是全速设备（D-为高电平，即连接的设备为低速设备。若D+为高电平，即连接的设备为全速设备。）需特别说明的是，主机端对高速设备的检测并不是一下完成的，是首先置为全速设备，然后主机端通过设置控制功能寄存器驱动出SE0 信号，如果收到设备发回的chirp k信号，主机端就会发送线性调频的kj 序列对，每个k 或者j 持续时间在40-60us,如果设备是高速设备，在检测到主机发过来的3 个kj 序列对之后设备的控制器会使其自身进入高速模式，即高速收发正常的操作状态。如果没有收到设备返回的chirp k 信号则认为是全速设备回到全速状态下进行传输。当总线上没有数据传输（空闲状态）超过3ms,则会进入FS 挂起状态，当收到主机端发送的resume信号时恢复到FS状态，同理如果在高速状