USB IP核的設計和應用

接收部分：從同步域中恢復出12 MHz的時鐘信號，接收主機過來的比特流對其進行不歸零碼(NRZI)解碼，剔除位填充然后進行串并轉換，最后將轉換后的數據以字節(jié)的形式傳給協(xié)議層。接收部分還要能判斷出一個包的開始，在USB傳輸過程中，是以包為單位的，因此接收部分首先要測包的開始SOP(Start of Packet)，所有包都是從同步字段(SYNC)開始的，同步字段是產生最大的邊緣轉換密度(Endge Transition Density)的編碼序例。以NR―ZI編碼的二進制串“KJKJKJKK”同步字段最后2位是同步字段結束的標記，同時標志了包標識符(Pacekt Iden一tiler，PID)的開始。只有當檢測到包SOP才開始后面的NRZI解碼、去位填充和串并操作，否則就繼續(xù)處于等待階段。
在接收部分還需要有檢錯部分，在檢查到傳輸過來的數據有錯誤時，要進行相應的錯誤處理。如在NRZI解碼后，在對數據進行去位填充時發(fā)現了有連續(xù)7個“1”則可以認為數據在傳輸過程中出現了錯誤，數據包已經損壞，必須通知協(xié)議層。在接收部分需要特別注意的是：在接收USB主機過來數據時，是不同的時鐘域，因此必須考慮到亞穩(wěn)態(tài)問題。在本設計中，由于只處理單個比特信號，因此用了兩級寄存器來消除亞穩(wěn)態(tài)。
發(fā)送部分：將協(xié)議層打包好的加上同步字段，然后進行并串轉換，將字節(jié)形式轉換成比特流形式，接著根據協(xié)議將數據進行位填充和NRZI編碼，通過D+和D一信號傳送給USB主機。這個同步字段也是告訴USB主機有一個新數據包發(fā)送過來了，在發(fā)送部分還要產生包結束EOP(End of Packet)的信號。
3．3 USB協(xié)議層
協(xié)議層主要分成三個子模塊：解包模塊、打包模塊和協(xié)議引擎模塊。這一層主要是將經過串口接口引擎模塊過來的數據進行解包，剔除USB協(xié)議中的信息。同時將端點中要發(fā)送的數據，在協(xié)議引擎控制下進行相應的打包，然后通過SIE模塊傳送給USB主機。
3．3．1 解包模塊
本模塊主要將接收到的信息包數據進行解析，解析出包標識(PID)，端點地址和USB設備地址以及包含在包中的有效數據。在解包時，對令牌包進行CRC5校驗，對數據包進CRCl6檢驗，若出錯則進行相應的出錯處理。從上面所述可知，任何包都有同步字段而同步字段在串口接口引擎模塊中已經除去了，因此本模塊不用關心同步字段。整個解包數據流如圖3所示。

整個解包過程如下：首先判斷接收的包是什么包，若為TOKEN包(0UT或IN或SOF或SETUP或ACK或NAK或STALL或PRE)則轉入到TOKEN包的處理進程，若為數據包(DATA0或DATAl)則轉入到DATA包的處理進程。在TOKEN包或DATA包中若發(fā)現數據有
錯則丟棄此包并報錯。

3．3．2 打包模塊
根據PE送來的PID組織相應的信息包，把要發(fā)送的數據安排在相應的數據包，或者組織令牌包。發(fā)送令牌包時，不必產生CRC5校驗位。在發(fā)送數據包時，需要把有效數據的CRCl6校驗位放在末尾一起發(fā)送。這個模塊主要就是如何把協(xié)議層引擎模塊送過來的數據進行打包，打包的概念其實質就是把要發(fā)送的數據根據其相應的信息安排相應的發(fā)送順序。同樣打包的過程中也不用考慮同步字段，同步字段在串口接口引擎層加入。整個打包數據流如圖4所示。
3．3．3 協(xié)議層引擎模塊
在USB設備中，某一個時刻和主機通信的只能是一個端點，當前操作都基于這個端點地址。主機不能同時和幾個端點進行通信，端點的屬性在設備和主機剛開始連接時進行的枚舉過程中已經確定，保存在各端點對應的寄存器中，比如是IN還是OUT端點，是支持控制傳輸、批量傳輸還是中斷傳輸的端點等。協(xié)議引擎模塊是整個協(xié)議層的核心控制單元，控制了其他所有模塊的工作方式，根據當前端點的配置或當前狀態(tài)處理傳輸事務，并在傳輸事務中實時更新控制與狀態(tài)寄存器。他的功能包括：有效處理IN，OUT和SETUP事務，確定當前傳輸事務要操作的端點地址，正確應答各種包和管理數據的發(fā)送和接收，同時實現USB協(xié)議中的錯誤恢復機制。
3．4 端點控制模塊和端點模塊
端點模塊：端點其實就是USB進行通信時，用于存數據的緩沖區(qū)，為了提高數據存取的速度，本IP核的端點設計成FIFO。端點控制模塊：主要是端點控制寄存器和端點狀態(tài)寄存器，此模塊中包含了USB IP核的頂層控制和狀態(tài)寄存器。如USB設備的狀態(tài)控制寄存器、設備地址寄存器、中斷屏蔽寄存器和中斷源寄存器等。為了增加靈活性，在設計時針對每一個端點分別設計了設置和功能相同但地址不同的寄存器，包括端點的控制狀態(tài)寄存器、中斷源寄存器、中斷屏蔽寄存器、緩沖區(qū)的指針寄存器。端點根據協(xié)議可以配置1到16個，在實際設計中根據本身系統(tǒng)需要可以對USB IP核配置端點數，增加了USB IP核端點可擴展性。
3．5 總線適配器模塊