摘  要： 基于USB 2.0協(xié)議規(guī)范提出了一個USB 2.0設備控制器串行接口引擎SIE的IP核的設計，并內嵌8051軟核作為其微控制器進行SoC設計。所設計的SIE核在FPGA開發(fā)板上經(jīng)過驗證。
關鍵詞： 串行接口引擎；通用串行總線；片上系統(tǒng)；微控制器

　憑借著每年超過20億新單元的安裝速度，通用串行總線USB（Universal Serial Bus）如今已成為最為流行的計算機接口。只要與計算機打交道，人們的日常生活已經(jīng)離不開USB端口，通過它們人們可與鼠標、鍵盤、掃描儀、數(shù)碼相機、手機和平板電腦等人們想象的到的設備相連接。USB憑借可靠、高速、方便和省電的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛得到主要的操作系統(tǒng)的支持。
　目前大多數(shù)的USB設計都是進行系統(tǒng)集成，采用現(xiàn)成商用的USB芯片進行開發(fā)，并沒有涉及到對IP核的設計與開發(fā)。本文通過分析USB 2.0協(xié)議，使用Verilog HDL 硬件描述語言設計實現(xiàn)了一個USB 2.0設備控制器串行接口引擎SIE（Serial Interface Engine）核，選取MC8051軟核作為其微控制器，并通過Wishbone片上總線進行連接。
1 USB 2.0設備控制器系統(tǒng)設計
1.1 系統(tǒng)設計
　根據(jù)USB 2.0設備控制器所要實現(xiàn)的功能，本系統(tǒng)采用自頂向下（Top-to-Down）的設計結構，將設備控制器劃分為7個主要功能模塊：物理層收發(fā)器（USB PHY）、UTMI接口、協(xié)議層PL（Protocol Layer）、RAM緩沖區(qū)、存儲器接口和仲裁器、控制和狀態(tài)寄存器及功能總線接口。
　USB 2.0 IP核結構框圖如圖1所示。SIE部分的SSRAM、功能總線接口、PHY模塊為可更改的，通過對相應模塊的更改可使本IP滿足不同應用的需求。最下面接口用于連接微控制器）。

　由于USB 2.0串行總線上最高速率高達480 MHz，遠高于Standard Cell電路的處理能力，因此需要全定制的Transceiver來進行數(shù)據(jù)恢復。PHY的主要作用是將接收來的差分信號進行NAZI編碼和位填充[2]。
1.2 各模塊具體實現(xiàn)
　UTMI接口是與PHY相連接的接口模塊，它并不對輸入和輸出的數(shù)據(jù)進行處理，主要用于控制總線掛起/恢復模式和全速/高速模式的切換。
　協(xié)議層PL是USB設備控制器中最核心的模塊，它負責所有的USB數(shù)據(jù)I/O和通信的控制，其中包括DMA和內存接口、協(xié)議引擎PE（Protocol Engine）、組包PA（Packet Assembly）和解包PD（packet Disassembly）幾個子模塊。PL內部框架如圖2所示。

　PA和PD模塊分別是對USB包進行裝配和拆分。DMA和內存接口是PE模塊到內存的接口，它提供了直接的內存訪問（Direct Memory Access）和DMA塊傳輸。協(xié)議引擎PE是PL中的核心模塊，PE處理所有標準USB協(xié)議握手和控制通信，包括SOF標記、應答（ACK、NACK和NYET）以及對PING標記的回答。PE模塊將端點控制狀態(tài)寄存器（CSR）的值解碼成內部控制信號線，將端點緩沖區(qū)（Buffer）寄存器EP_BUF的值解碼成Buffer的大小和指針。圖3描述了PE核心的基本操作。USB設備總是等待一個來自USB總線主機的標記包，才開始執(zhí)行其他的操作。一旦接收到標記包，解包模塊將對其解碼，PE執(zhí)行合適的操作。USB主循環(huán)根據(jù)標記包的不同將操作分為特殊包處理、Setup循環(huán)、IN數(shù)據(jù)循環(huán)和OUT數(shù)據(jù)循環(huán)。
　存儲器接口和仲裁器實際上就是一個2選1的選擇器，選擇SRAM與Wishbone總線（及連接微控制器）還是SRAM與PL層的DMA內存接口連接。

2 微控制器模塊
2.1 MC8051主要特性
　在USB的通信過程中，微控制器主要用來處理各種中斷，識別主機發(fā)送的是何種請求，返回相應的數(shù)據(jù)，從而完成設備的枚舉和之后的數(shù)據(jù)傳輸。本設計采用了MC8051的IP軟核，該IP滿足USB對微控制器功能的要求。通過修改MC8051中的固件（Firmware）來對SIE的寄存器進行配置，以實現(xiàn)USB 2.0設備控制器不同的功能。
2.2 8051與USB 2.0 IP核的連接
　由于SIE與MC8051使用不同的時鐘域（SIE使用PHY提供的60 MHz時鐘，而MC8051使用自身的時鐘），并且MC8051是個通用的IP核，其接口并沒有采用本USB 2.0 IP核的Wishbone兼容接口，而且MC8051是個8 bit的通用MCU（處理數(shù)據(jù)寬度是8 bit），因此MC8051和本USB 2.0 IP核不能直接相連。
　本文設計了一個與Wishbone總線兼容的接口轉換模塊，以使MC8051能正確地連接在Wishbone總線上，完成與SIE的數(shù)據(jù)傳輸。轉換模塊主要實現(xiàn)了跨時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)位數(shù)轉換（8 bit到32 bit和32 bit到8 bit）以及Wishbone總線兼容信號的加入。實際上完成了一個異步FIFO的功能，但比FIFO使用起來更加靈活，因為8051執(zhí)行每條指令會有一定的指令延時，如果使用FIFO，很難保證SIE可以正確的接收到數(shù)據(jù)?？鐣r鐘域的數(shù)據(jù)傳輸主要體現(xiàn)在SIE和微控制器之間，SIE主要使用PHY提供的60 MHz的時鐘，而微控制器MC8051的工作頻率不超過40 MHz。為了防止跨時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸容易產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)，在接口轉換模塊里采用了“超前送數(shù)”的策略，即MCU讀寫命令在有效信號到達之前把數(shù)據(jù)放入三態(tài)數(shù)據(jù)端口寄存，讀寫信號到達之后進行數(shù)據(jù)傳輸。
　微控制器與SIE之間的數(shù)據(jù)交換可以分為寫入地址與數(shù)據(jù)和寫地址并讀數(shù)據(jù)兩種方式，分別對應著USB固件中兩種最基本的命令函數(shù)。連接轉換模塊通過狀態(tài)機來進行控制，接收到數(shù)據(jù)后隨即進行數(shù)據(jù)和地址的轉換，并將轉換好的數(shù)據(jù)和地址存入寄存器中。轉換完成后進入WE狀態(tài)，進行判斷。如進行寫入地址與數(shù)據(jù)則進入到WE_AD狀態(tài)，該狀態(tài)會將Wishbone總線的控制位CYC、STB和WE置高同時輸出轉換好的地址與數(shù)據(jù)；寫地址并讀數(shù)據(jù)則進入WE_A，該狀態(tài)將控制位CYC與STB置高，WE為低表示讀過程，同時輸入要讀數(shù)據(jù)的地址，WE_A過后就進入RE_DATA讀取數(shù)據(jù)并輸出。
　數(shù)據(jù)位數(shù)轉換的原理實際上很簡單，采用標志位對其進行區(qū)分，如圖4所示。其中，WE是寫入信號，低電平有效；flag為2 bit的標志位；done是轉換完成信號；datain和dataout分別是8 bit輸入信號和轉換好的32 bit輸出信號。8 bit轉32 bit的過程為：在flag為00、01、10、11每段分別向datain中寫入1個8 bit數(shù)據(jù)，最先寫入的為低8 bit，然后是次8 bit，依次寫完。等到done信號置高后，再按照Wishbone總線數(shù)據(jù)的操作方式進行傳輸。32 bit數(shù)據(jù)轉8 bit與該過程相反。

　該連接模塊已成功通過FPGA驗證，能夠正確轉換與傳輸數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)驗證
3.1 FPGA驗證環(huán)境搭建
　本文選用Xilinx公司的Virtex-II Pro FPGA開發(fā)板作為驗證USB 2.0 SIE核的平臺。選用Cypress公司的CY7C68000芯片作為前端的收發(fā)器（PHY），將USB總線上480 MHz的串行數(shù)據(jù)流轉換成8 bit 60 MHz的并行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試平臺架構如圖5所示。

　CY7C68000與FPGA開發(fā)板之間采用100腳Hirose FX2擴展插槽相連接，該接口有LVCMOS25的HS_CLKIN高速時鐘輸入的接口來作為收發(fā)器PHY_CLK 60 MHz時鐘的引入。緩沖區(qū)使用ISE軟件自帶的RAM IP核。本設計使用ISE 10.1.03對USB SIE模塊綜合后的FPGA資源使用情況為：Slices數(shù)為1 718個，Slice Flip Flops數(shù)為1 801個，4輸入LUT數(shù)為2 885，最大時鐘頻率為127.583 MHz，滿足了USB 2.0設備控制器工作所需的60 MHz時鐘要求。
3.2 結果和分析
　將程序下載到FPGA實驗板上后，將收發(fā)器CY7C68000連到主機，主機馬上會出現(xiàn)一個“檢測到新硬件”的消息。這表示設備枚舉過程的完成，枚舉就是從設備讀取一些信息，了解是什么樣的設備，如何進行通信，這樣主機就可以根據(jù)這些信息來加載合適的驅動程序。枚舉過程屬于控制傳輸，一般分為3個階段，具體過程如下。
　（1）建立階段。建立階段如圖6所示，USB主機首先發(fā)送來一個SETUP令牌包，PID為0x2d，設備地址為0x00，端點0x10（控制端點）。后面緊跟一個數(shù)據(jù)包，PID為0xc3是DATA0的數(shù)據(jù)包，后面的數(shù)據(jù)0x80 0x06 0x00 0x01 0x00 0x00 0x40 0x00表示這是一個Get_Descriptor標準設備請求的數(shù)據(jù)包。USB設備收到并檢測無誤之后會返回一個ACK（PID為0xd2）握手包告訴主機已收到數(shù)據(jù)。
?。?）數(shù)據(jù)階段。主機會發(fā)出一個IN包，如圖7所示，PID為0x69，設備收到IN包后用數(shù)據(jù)包DATA1（PID為0x4b）返回它自己的設備描述符，描述符里有該設備自身特性的信息。主機收到數(shù)據(jù)包后會返回一個ACK握手包（PID為0xd2），表示數(shù)據(jù)接收正確。

?。?）狀態(tài)階段。主機會發(fā)出OUT包，但與數(shù)據(jù)階段不同，狀態(tài)階段所發(fā)數(shù)據(jù)包內容為空。設備收到數(shù)據(jù)包后返回一下ACK握手包表示枚舉過程的結束。
　本文提出的USB 2.0設備控制器IP的架構具有強的實用性和復用性。它既可以作為單獨的設備芯片使用，也可與其他IP一起進行SoC設計，只需在片上總線上添加相應的模塊。單獨設計的接口轉換模塊成功完成內嵌8051微控制器核的設計，也可以利用該模塊外接一個51系列微控制器，具有很強的靈活性。在操作系統(tǒng)上添加相應的驅動程序即可進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶒灐?br /> 參考文獻
[1] Universal serial bus specification（Rev 2.0）[S]. www.usb.org， 2002.4.
[2] USB 2.0 transceriver macrocell interface（UTMI） Specification （Version 1.05）[S].2001.3.
[3] 周立功.USB 2.0與OTG規(guī)范及開發(fā)指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.
[4] AXELSON J.USB開發(fā)大全[M].北京：人民郵電出版社，2011.