USB系統(tǒng)組成及模塊設計

　　1 引 言

　　USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫，而其中文簡稱為“通串線，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設備的連接和通訊。是應用在PC領域的接口技術。USB接口支持設備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。

　　隨著半導體工藝技術的發(fā)展，集成電路設計者能夠?qū)⒂鷣碛鷱碗s的功能集成到單硅片上。SoC是將系統(tǒng)集成在一塊芯片上，包括微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器（或片外存儲控制接口）等。SoC的一項關鍵技術即為IP（Intellectual Property）復用技術。IP核是指在電子設計中預先開發(fā)的用于系統(tǒng)芯片設計的可復用構件，系統(tǒng)設計者在進行一個復雜設計時將眾多IP核在一個芯片上有效集成，從而構成一個功能強大的系統(tǒng)。

　　在設計IP核時應注意其可重用性，為了增強IP核的可能重用性，使IP核能更好地適應不同總線結構的SoC平臺，可以為IP核設計一個總線接口模塊。該模塊主要完成片上總線的協(xié)議轉換和實現(xiàn)，稱之為總線適配器（BusAdapter）。其特點為：IP核與外部的片上總線標準無關，其邏輯相對固定，只需對相應的總線適配器進行配置就能夠有效地集成于不同片上總線的SoC平臺。當前SoC中常用的總線協(xié)議有三種分別是：ARM公司的AMBA、Silicore公司的WISHBONE SoC Interconnection Archi—tecture和Ahera的Avalon總線。

　　本文實現(xiàn)的USB IP核中，設計了總線適配器，在綜合前針對WishBone總線或AMBA ASB總線通過宏定義進行設置，從而使USB IP核能夠直接集成于WishBone或AMBA ASB總線的SoC系統(tǒng)中。

2 USB系統(tǒng)組成部分

　　系統(tǒng)主要分為三個部分：主機、設備和互連。在任何的系統(tǒng)中，只有一個主機，與主機系統(tǒng)的接口稱作主機控制器。他可由硬件、固件和軟件綜合實現(xiàn)。設備可以分為功能性設備即外設和集線器，前者作為系統(tǒng)的功能擴展設備而后者作為設備的擴展連接點。互連定義了主機和外設的連接和通信方式。包括總線拓撲結構、內(nèi)部分層關系、數(shù)據(jù)傳輸模型和總線訪問控制等幾個部分。一個簡單的系統(tǒng)可以由一臺主機和一個外設構成。

3 USB的模塊設計

3．1 模塊劃分

　　USB IP核主要是實現(xiàn)了USBl.1協(xié)議，在對整個協(xié)議分析的基礎上，整個IP核共分成五大模塊：串行接口引擎模塊、協(xié)議層模塊、端點控制模塊、端點存儲模塊和總線適配器模塊。串行接口引擎主要是支持最底層的USB協(xié)議，由于USB協(xié)議中為了增加抗干擾對比特流進行了“不歸零碼（Non Return to Zero Invert）”的編解碼，同時為了可以從比特流中提取同步信號用了“位填充”和“位剔去”。串行接口主要完成比特流方面的處理。協(xié)議層模塊則主要是完成解包和打包。在USB協(xié)議中，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用了端點（Endpoint）這個概念，不同的緩沖區(qū)用了不同的端點號來區(qū)分，端點存儲模塊就是相應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。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，對端點進行相應的控制?？偩€適配器模塊主要是在不同總線結構的SoC中，對USB IP核總線接口進行相應的配置，從而可以進行無縫連接到相應的SoC中。USB IP核模塊劃分如圖1所示。

3．2 串口接口引擎

　　串口接口引擎主要是完成USB協(xié)議中比特流的處理。根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸方向可分為發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分即為USB設備給USB主機發(fā)送數(shù)據(jù)，接收部分則為USB設備從USB主機那里接收數(shù)據(jù)。如圖2所示。

　　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(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)有錯誤時，要進行相應的錯誤處理。如在NRZI解碼后，在對數(shù)據(jù)進行去位填充時發(fā)現(xiàn)了有連續(xù)7個“1”則可以認為數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)了錯誤，數(shù)據(jù)包已經(jīng)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(shù)據(jù)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(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包發(fā)送過來了，在發(fā)送部分還要產(chǎn)生包結束EOP（End of Packet）的信號。