基于層次模型的USB2.0接口芯片IP核固件的設(shè)計(jì)

1 引言

USB2.0規(guī)范的推出極大地刺激了包括各類計(jì)算機(jī)外設(shè)在內(nèi)的多種電子消費(fèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì), USB已成為微機(jī)和眾多電子設(shè)備的重要標(biāo)準(zhǔn)接口。目前國(guó)外一些大公司已陸續(xù)推出了符合USB2.0規(guī)范的接口芯片，但國(guó)內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域的研究尚處于較初級(jí)的階段。本文對(duì)USB IP核設(shè)計(jì)方法,提出了一種USB2.0設(shè)備接口IP核固件的實(shí)現(xiàn)方案，該方案采用合理定義的層次模型并已被實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案具備良好穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的固件結(jié)構(gòu)。

2 USB2.0設(shè)備接口IP核的設(shè)計(jì)

USB2.0設(shè)備接口芯片IP核分為硬件和固件兩大部分。其中硬件部分主要完成USB2.0協(xié)議中的鏈路層功能；而固件除協(xié)助硬件完成USB2.0協(xié)議外，還負(fù)責(zé)解釋設(shè)備子類協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)對(duì)具體外部應(yīng)用系統(tǒng)（設(shè)備元件）的操作。

從硬件結(jié)構(gòu)分析，基于增強(qiáng)型8051MCU核的 USB2.0設(shè)備接口芯片(IP核)應(yīng)包括以下幾個(gè)模塊：

（1）USB2.0傳輸宏單元接口模塊UTMI（USB2.0 Trans ceiv er Macrocell Interface）： USB2.0 IP核與USB總線之間的接口，負(fù)責(zé)接收USB2.0總線上的高速串行數(shù)據(jù)；

（2）串行接口引擎模塊SIE（Serial In ter face Engine）：一方面與UTM接口進(jìn)行USB總線上的包級(jí)處理和傳輸級(jí)處理；另一方面與內(nèi)部的端點(diǎn)緩沖及MCU進(jìn)行交互；

（3）端點(diǎn)緩沖模塊Endpoint_Buffer：存放與主機(jī)端交互的數(shù)據(jù)；

（4）通用可編程接口及多總線模塊GPIO- MultiBus：IP核與外部應(yīng)用系統(tǒng)（設(shè)備元件）之間的聯(lián)系通道，包括DMA控制模塊；

（5）微處理器模塊MCU及其接口模塊MCU_

Bus：MCU（8051核）中固件將配合其他各硬件模塊完成所需功能。
USB2.0設(shè)備接口IP核固件不僅要完成與主機(jī)的通信，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部應(yīng)用系統(tǒng)（設(shè)備元件）操作，因此，IP核固件可分為以下三大模塊。

（1）USB傳輸處理模塊：接收并分析底層硬件送來(lái)的各種信號(hào)（如SIE送來(lái)的各種中斷請(qǐng)求），負(fù)責(zé)將Endpoint中接收到的主機(jī)命令/數(shù)據(jù)向上傳送到主機(jī)命令解析模塊，并在需要時(shí)向主機(jī)返回命令處理結(jié)果；

（2）主機(jī)命令解析模塊：分析處理USB傳輸處理模塊送來(lái)的主機(jī)命令，并負(fù)責(zé)將命令執(zhí)行結(jié)果返給USB傳輸處理模塊；

（3）設(shè)備應(yīng)用處理模塊：根據(jù)主機(jī)命令發(fā)送具體操作信號(hào)到外部應(yīng)用系統(tǒng)（設(shè)備元件），并返回外部器件的狀態(tài)/數(shù)據(jù)。

為使固件系統(tǒng)充分穩(wěn)定并具有良好的可擴(kuò)展性，我們將固件抽象為設(shè)備枚舉、傳輸控制、命令解析、外部應(yīng)用操作等幾個(gè)層次，如圖1所示。