《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 可編程邏輯 > 業(yè)界動態(tài) > 一款集成HUB的USB設(shè)備控制器的設(shè)計

一款集成HUB的USB設(shè)備控制器的設(shè)計

2008-07-22
作者:楊存永, 詹克團, 楊 英,

  摘 要: 介紹了USB設(shè)備控制器" title="設(shè)備控制器">設(shè)備控制器的基本功能和原理,提出了一款基于6502MCU的通用的帶HUB的全速USB設(shè)備控制器的體系結(jié)構(gòu),并完成了整個芯片的設(shè)計,而且通過了FPGA驗證。這款芯片可以用來開發(fā)帶HUB的全速USB設(shè)備、全速USB設(shè)備或全速USB HUB。
  關(guān)鍵詞: USB HUB SIE 轉(zhuǎn)發(fā)器 FPGA


  近年來,USB技術(shù)已經(jīng)成為計算機領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)之一,得到了廣泛的應(yīng)用。早在1998年,由于USB1.1規(guī)范的推出以及Windows98加強了對USB的支持,USB就得到了飛速的發(fā)展和普及,各種USB設(shè)備不斷涌現(xiàn)。2000年,USB2.0規(guī)范推出之后,USB一改只能適用于中低速設(shè)備的局面,在高速傳輸領(lǐng)域也占領(lǐng)了大量的市場份額。2001年推出的USB-OTG解決了大量USB設(shè)備之間的直接互連問題,因此USB規(guī)范將得到更加迅速的發(fā)展。
  根據(jù)USB規(guī)范,USB系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)呈金字塔狀,集線器(HUB)是金字塔中不可或缺的部件,是主機與設(shè)備之間建立連接的橋梁。根據(jù)USB2.0規(guī)范,全速USB HUB可以連接低速、全速和高速下行設(shè)備(高速設(shè)備降為全速運行)。
  本文提出一款基于6502 MCU的通用的帶HUB的全速USB設(shè)備控制器的體系結(jié)構(gòu),并完成整個芯片的設(shè)計。這款芯片可以用來開發(fā)帶HUB的全速USB設(shè)備、全速USB設(shè)備和全速USB HUB。
1 系統(tǒng)設(shè)計
  常見的USB設(shè)備控制器的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器用于實現(xiàn)物理層的USB規(guī)范,它包含一個接收器和一個發(fā)送器,接收器用于接收和判決總線D+、D-的信號,發(fā)送器用于驅(qū)動D+、D-的信號。串行接口引擎(SIE)主要用于解析協(xié)議層的USB規(guī)范,如時鐘提取、NRZI編碼/解碼、比特填充/抽取、CRC校驗、PID檢測/產(chǎn)生、串并/并串轉(zhuǎn)換等。功能控制器主要用于處理功能層的USB規(guī)范。緩沖區(qū)是功能控制器與SIE互相通信的橋梁,通常SIE把總線上接收到的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中,供功能控制器讀取并解析;同時,功能控制器又會把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中,供SIE讀取并發(fā)送。


  集成HUB的USB設(shè)備控制器又稱為復(fù)合設(shè)備控制器,它在本質(zhì)上是兩個USB設(shè)備,在系統(tǒng)中擁有兩個不同的設(shè)備地址。因為USB是分時復(fù)用的串行總線,在正常情況下,任何時候主機都只能與系統(tǒng)中的某一個設(shè)備進行通信,所以復(fù)合設(shè)備控制器也可以把設(shè)備控制器和HUB控制器的很多部件合二為一,分時復(fù)用。
  本文提出的集成HUB的全速USB設(shè)備控制器的設(shè)計方案如圖2所示。該控制器支持一個上行端口和四個下行端口,并實現(xiàn)了USB鍵盤的功能。SIE主要負責物理層和協(xié)議層的協(xié)議解析,MCU主要負責設(shè)備層的協(xié)議解析,緩沖區(qū)是SIE和MCU之間通信的橋梁,SIE把接收到的數(shù)據(jù)包存放在緩沖區(qū)中供MCU讀取,MCU把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中供SIE讀取。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能主要由HUB 轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)。


2 SIE設(shè)計
  在USB HUB內(nèi)部需要有一個全速SIE用來處理USB規(guī)范第八章規(guī)定的大部分協(xié)議,它的主要功能包括:
  ·包的識別與組織;
  ·時鐘與數(shù)據(jù)分離;
  ·NRZI編碼和解碼;
  ·比特填充和提取;
  ·CRC校驗碼的識別和產(chǎn)生;
  ·地址檢測;
  ·PID檢測和產(chǎn)生;
  ·串/并轉(zhuǎn)換和并/串轉(zhuǎn)換。
  在設(shè)計SIE的時候,根據(jù)它的功能又將其分成幾個不同的模塊,如圖3所示。PHY模塊主要完成數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換和并/串轉(zhuǎn)換、比特填充和提取、NRZI編碼和解碼、時鐘與數(shù)據(jù)的分離等功能,此模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)主要以串行狀態(tài)存在。PL模塊負責數(shù)據(jù)包的解析與組織、PID檢測和產(chǎn)生、CRC檢驗碼的識別和產(chǎn)生、地址檢測等功能。FUNCTION模塊完成SIE與MCU的接口邏輯功能。


3 轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計
  轉(zhuǎn)發(fā)器是HUB實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的核心模塊。轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)的功能主要有:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、幀同步、掛起喚醒處理、總線沖突檢測與解決、往低速下行端口發(fā)送Keep-alive等。
  在設(shè)計轉(zhuǎn)發(fā)器的時候,根據(jù)數(shù)據(jù)的流向?qū)D(zhuǎn)發(fā)器進行了進一步的模塊細分,如圖4所示。hub_up模塊負責接收來自上行端口的信號,并檢測出SOP和EOP;同時轉(zhuǎn)發(fā)來自內(nèi)部端口和下行端口的信號。hub_dp模塊包含四個子模塊,支持四個下行端口,負責接收來自下行端口的信號,并檢測出SOP和EOP;同時往下行設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)合法的下行數(shù)據(jù)。rpt_engine模塊中有一個重要的連接狀態(tài)機,其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示,它以數(shù)據(jù)包為單位控制上行端口和下行端口之間的連接的建立和拆除,同時控制集線器正確地掛起和喚醒。

?


  在圖5所示的連接狀態(tài)機中,狀態(tài)跳轉(zhuǎn)主要通過SOP(包開始)和EOP(包結(jié)束)信號實現(xiàn),所以SOP和EOP信號直接影響狀態(tài)機的正確跳轉(zhuǎn),從而影響了轉(zhuǎn)發(fā)器的穩(wěn)定性。檢測SOP信號時要考慮兩個重要的因素:首先,SOP信號要產(chǎn)生得盡可能快,從而可以較快地打開數(shù)據(jù)通道,減小數(shù)據(jù)流中SYNC的損失;其次,檢測與本地時鐘異步的數(shù)據(jù)流而產(chǎn)生的SOP信號要與本地時鐘同步,否則會使寄存器建立時間和保持時間得不到滿足。檢測EOP信號時也要考慮兩個因素:首先,要排除長度不夠的SE0的干擾和SE0狀態(tài)向J狀態(tài)跳變的抖動干擾;其次,EOP信號也要與本地時鐘同步。
  全速HUB的上行端口始終是一個全速連接,但是它的下行端口可能是全速連接也可能是低速連接。低速數(shù)據(jù)經(jīng)過上行端口時,雖然它的速率是低速的,但是它的極性卻是全速的。全速數(shù)據(jù)的極性與低速數(shù)據(jù)的極性是相反的,所以轉(zhuǎn)發(fā)低速數(shù)據(jù)時需要先對數(shù)據(jù)的極性進行轉(zhuǎn)換。HUB在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時候需要遵循以下原則:來自上行端口的低速數(shù)據(jù)廣播給所有處于允許狀態(tài)的下行設(shè)備(包括全速設(shè)備和低速設(shè)備);來自上行端口的全速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給所有處于允許狀態(tài)的全速下行設(shè)備。
4 固件" title="固件">固件設(shè)計
  本文提出的USB設(shè)備控制器是一個軟硬件結(jié)合的系統(tǒng),即整個系統(tǒng)由MCU、SIE、轉(zhuǎn)發(fā)器等硬件和運行于MCU中的固件組成。
  系統(tǒng)的設(shè)計原則是:凡是固件能夠完成的任務(wù)盡量由固件來實現(xiàn),硬件的主要工作是對協(xié)議層的解析,解析完之后會設(shè)置某些控制寄存器,有時會產(chǎn)生中斷,固件通過查詢這些寄存器執(zhí)行相應(yīng)的操作。
  為了驗證整個系統(tǒng),通過編寫固件實現(xiàn)集成HUB的USB鍵盤的功能。
5 對于異步信號的處理
  USB屬于異步總線,本地時鐘和主機時鐘是由兩個不同的晶振產(chǎn)生的,所以SIE必須采用適當?shù)姆椒▽崿F(xiàn)位同步" title="位同步">位同步。一個典型的位同步方法就是采用一種特定結(jié)構(gòu)的數(shù)字鎖相環(huán)[1]。其原理是:分別用本地48MHz時鐘的正負沿采樣接收到的12MHz數(shù)據(jù)流,再用采樣后的信號控制狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)并產(chǎn)生12MHz的位接收時鐘(它的有效沿位于12MHz數(shù)據(jù)流每個比特位的中間),然后用新產(chǎn)生的時鐘去采樣12MHz的數(shù)據(jù)流從而實現(xiàn)位同步。
  整個系統(tǒng)中采用的是異步復(fù)位" title="異步復(fù)位">異步復(fù)位。異步復(fù)位的好處是可以保證系統(tǒng)在初始狀態(tài)時處于已知的狀態(tài),對于有三態(tài)總線的系統(tǒng)來說,這是非常重要的[2]。異步復(fù)位的處理非常重要,關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于異步復(fù)位信號來說,重要的不是什么時候復(fù)位而是什么時候復(fù)位結(jié)束,異步復(fù)位有兩個關(guān)鍵的參數(shù)恢復(fù)時間和遷移時間,如圖6所示[3]。如果以上兩個參數(shù)不滿足,就會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)[4]。為了解決這個問題,設(shè)計了如圖7所示的復(fù)位電路。


  在該電路中,復(fù)位的產(chǎn)生是不受時鐘控制的,但復(fù)位結(jié)束是受時鐘控制的。之所以要用兩個級聯(lián)的觸發(fā)器,是為了避免第一級觸發(fā)器有可能產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)傳給整個芯片的復(fù)位信號reset。在這個電路中不存在恢復(fù)時間的問題,因為復(fù)位結(jié)束肯定在時鐘沿的后面。遷移時間的問題也可以解決,只要Tclk_q (clock to Q)+ Tpd(復(fù)位信號的傳輸延時) > Trem(觸發(fā)器的遷移時間)即可。對于上電復(fù)位來說還要進行進一步的處理,要保證復(fù)位時間足夠長,因為電源穩(wěn)定需要一定的時間。
6 設(shè)備的低功耗設(shè)計
  對于USB設(shè)備來說,當總線上超過3ms沒有總線活動時,設(shè)備就要自動進入休眠狀態(tài),此時從總線上獲得的電流不能超過500μA[5]。為了滿足此要求,設(shè)計了如圖8所示的設(shè)備喚醒和休眠電路。


  當設(shè)備需要休眠時,給出一個sleep信號控制晶體振蕩器(OSC)停止振蕩,整個設(shè)備進入節(jié)電模式。對于CMOS電路來說,時鐘停止振蕩以后所消耗的功率極小,當有總線活動時,收發(fā)器會產(chǎn)生總線活動標志信號wakeup,wakeup信號首先控制振蕩器重新開始振蕩,然后和clkDelay信號一塊控制設(shè)備的時鐘(Clock),晶振穩(wěn)定后則輸出時鐘信號。復(fù)位時不對時鐘信號進行控制。
7 FPGA實現(xiàn)和系統(tǒng)驗證
  系統(tǒng)進行實現(xiàn)和驗證時,串行接口引擎和轉(zhuǎn)發(fā)器采用Verilog進行RTL描述,然后采用Xilinx公司的XC2S200PQ208 FPGA實現(xiàn)。緩沖區(qū)和RAM由FPGA內(nèi)部集成的RAM實現(xiàn),收發(fā)器采用Philips公司的PDIUSBP11A,MCU采用MICETEK公司的65C02仿真器。
  整個系統(tǒng)經(jīng)驗證后,工作正常,內(nèi)置鍵盤可以正常工作,在下行端口插入低速USB設(shè)備和全速USB設(shè)備都可以工作。圖9是用立肯科技公司的USBMobile測試儀對FPGA系統(tǒng)進行測試的結(jié)果的一部分。


參考文獻
1 Designing a Robust USB Serial Interface Engine(SIE). USB-IF.http://www.usb.org/developers/whitepapers/
2 Michael Keating, Pierre Bricaud. Reuse Methodology Manual for System-on-a-Chip Designs. Kluwer Academic Publishers,2000
3 Design Compiler Manual. Synopsys Corp., 2003
4 Mike Stein.跨越鴻溝:同步世界中的異步信號.EDN電子設(shè)計技術(shù),2004 (7)
5 Universal Serial Bus Specification 1.1. Compaq, Intel, Mi-crosoft, NEC,1998-09-23

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。