U盤SoC的設(shè)計與實現(xiàn)

DATA階段：數(shù)據(jù)階段是可選的，并且數(shù)據(jù)階段的傳送方向可以是IN或OUT。以IN為例來介紹，當(dāng)Pid_in、token_valid_i、ep0_sel有效時，udc_as_o被拉高，表示開始數(shù)據(jù)傳送，轉(zhuǎn)入ctrl_in_stage_empty，接著轉(zhuǎn)入ctrl_in_stage狀態(tài)，CPU將device_bufok_i拉高，表示開始接收數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)傳完后，send_hdsk_pkt_o信號變高，表示數(shù)據(jù)接收正確，并將toggle機制翻轉(zhuǎn)，要求打包模塊發(fā)送一個ACK的握手包。
STATUS階段：STATUS階段也分為STATUS IN和STATUS OUT兩種情況。在STATUS OUT階段，接受到HOST發(fā)送過來的空數(shù)據(jù)包后，狀態(tài)機會將send_hdsk_pkt_o信號拉高，發(fā)送ACK包給HOST。其狀態(tài)機同SETUP狀態(tài)機類似。
中斷、批量、同步傳輸?shù)腎N實現(xiàn)：在硬件設(shè)計上，中斷、批量和同步3種傳輸方式的處理都是一樣的，只是在系統(tǒng)配置時，各傳輸方式對應(yīng)的端點不同。下面以3種傳輸方式的IN傳輸來介紹。圖5為3種傳輸方式的IN傳輸?shù)臓顟B(tài)機。

從上圖可看出，在收到IN令牌后，狀態(tài)機將tide_as_o拉高，表示開始傳送數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入In_transfer_empty狀態(tài)，再轉(zhuǎn)入In_transfer狀態(tài)，cpu若能傳送數(shù)據(jù)，則把device_buf_ok_i信號置高，開始接收數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)傳送完畢時，狀態(tài)機會將send_data_pkt_o拉高，將此信號送至打包模塊，從而將所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給HOST。
2．1．5 打包模塊
本模塊接收從SIE傳來的控制信號，根據(jù)USB協(xié)議，產(chǎn)生所需要的包傳送給發(fā)送模塊。
2．1．6 tx模塊
tx模塊是總線發(fā)送模塊。它將打包模塊發(fā)送過來的包信息，進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，位填充，NRZI編碼后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。此模塊同rx模塊類似，不再贅述。
2．2 8051CPU
此設(shè)計中的CPU為一個驗證過的IP核。它包含：1個8位中央處理器、1個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路、4 KB ROM程序存儲器、128B RAM數(shù)據(jù)存儲器、可尋址64 KB外部數(shù)據(jù)存儲器和64 KB外部程序存儲器的控制電路、32條可編程的I／O線(4個8位并行I／O接口)、2個16位的定時，計數(shù)器、1個可編程全雙工串行接口、5個中斷源、2個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。將USB的通信請求接入到CPU的一個外部中斷接口上，當(dāng)USB的通信請求到來時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個中斷，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。
此外，還需要設(shè)計一個CPU的固件firmware，實現(xiàn)USBCORE的上電初始化過程(向UDC_Control中的控制寄存器和狀態(tài)寄存器寫入初始數(shù)據(jù))、USB CORE中斷處理并完成USB傳輸事務(wù)、使設(shè)備擺脫異常狀態(tài)等功能。
2．3 UDC_Control
UDC_Control模塊位于CPU和USB CORE之間，它完成CPU對USB通信的控制和數(shù)據(jù)的讀寫操作。UDC_CTRL模塊中設(shè)有22個特殊功能寄存器，來完成USB通信。
USB_INT1和USB_INT2為中斷寄存器，其各個位分別表示USB通信的9種中斷請求(剩下的位為保留位)，但USBCORE一次只能向CPU提供一個中斷信號，這兩個USB_INT寄存器供軟件在進(jìn)入中斷后查詢是USB的何種中斷。EP0_CTRL、EP0_INFIFO_DATA、EPO_INFIFO_CNT、EP0_OUTFIFO_ DATA、EP0_OUTFIFO_CNT這5個寄存器都是與Endpoint0相關(guān)的，Endpoint0是由一個輸入端點和一個輸出端點組成，用來實現(xiàn)控制傳輸。所有支持USB標(biāo)準(zhǔn)請求和Class定義的請求都通過這個端點來處理。其中EP0_CTRL用來對Endpoint0的傳輸進(jìn)行控制，當(dāng)CPU要向USB主機傳送數(shù)據(jù)時，就會將數(shù)據(jù)寫入EP0_INFIFO_DATA，EP0_INFIFO_CNT是CPU向EP0_INFIFO_DATA中寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。EP0_OUT，Endpoint1，Endpoint2，Endpoint3，Endpoint4的寄存器情況類似，在此不再多做介紹。UDC_STATUS和DEVICE_CTRL是接口狀態(tài)和控制寄存器，對CPU和USB CORE的通信進(jìn)行監(jiān)控。
2．4 NandFlash
針對NandFlash讀寫的特點，特別是其可隨機讀，但無法隨機寫的問題，需要通過設(shè)置緩沖區(qū)來解決。在與USB Host進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過程中，最小的單位是扇區(qū)：512字節(jié)。由于NandFlash在寫之前必須先擦除，而一擦又必須擦一個Block，因此在擦除某Block之前必須保存同一個Block中有關(guān)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。因此，如果每收到一個扇區(qū)的內(nèi)容就進(jìn)行一次擦、保存、寫的操作，系統(tǒng)任務(wù)將十分繁重，無法及時響應(yīng)USB Host端的請求。因此，在系統(tǒng)中設(shè)置32K的緩沖區(qū)，每完一次數(shù)據(jù)傳輸后，記下本次要寫的開始扇區(qū)和總扇區(qū)數(shù)，將本次要寫的數(shù)據(jù)涉及的扇區(qū)以外的數(shù)據(jù)從NandFlash中讀出來，存放在緩沖區(qū)中對應(yīng)位置，然后擦除一個Block，再將緩沖區(qū)中內(nèi)容一次全部重新寫入NandFlash。