摘要 ：為了擺脫對USB2.0 主機控制器ASIC 芯片的依賴，提高產(chǎn)品集成度，本文設計了針對全速和高速USB 海量存儲設備的USB2.0 主機控制器IP 核。首先介紹USB2.0 主機控制器IP核中主要涉及的USB2.0 通信協(xié)議以及與物理層芯片接口的ULPI 接口規(guī)范協(xié)議，并依據(jù)協(xié)議規(guī)范，利用VHDL 硬件描述語言完成USB2.0 主機控制器IP 核的ULPI 接口模塊以及USB2.0通信協(xié)議模塊的設計。使用Xilinx 公司的ISE Simulator 工具進行波形仿真，并在XilinxXUPV2 開發(fā)板上進行驗證，仿真結果及FPGA片上實驗表明本文設計的USB2.0 主機控制器能夠完成對USB 海量存儲設備的有效管理。
0 引言
在USB 協(xié)議標準發(fā)展的過程中，USB2.0 接口憑借其連接簡單、穩(wěn)定、速度快以及即插即用等優(yōu)點，廣泛應用于計算機、通信和消費類電子產(chǎn)品中。然而目前大部分USB 主機端控制器都是使用國外公司研制的專用ASIC 芯片，USB2.0 主機控制器IP 核的設計可以擺脫對這些芯片的依賴，使得應用靈活方便。本文完成了針對全速和高速海量存儲設備USB2.0主機控制器IP 核中與物理層芯片接口的ULPI[2]模塊以及USB2.0 協(xié)議模塊的設計和實現(xiàn)。
ULPI 模塊介于USB2.0 主機控制器的協(xié)議模塊和物理層芯片之間，完成對插入USB 設備的狀態(tài)檢測，判別是何種設備（全速還是高速），然后將設備置于相應的狀態(tài)再進行USB 的各種傳輸事務。每一個USB 的傳輸都是由事務組成的。而每一個事務都是由USB 傳輸?shù)淖罨締挝话╬acket）來組成的，USB 的包主要是由令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包這四種類型組成的。令牌包和數(shù)據(jù)包又包含不同的類型[4]，握手包僅由一個PID 域組成用以傳輸聯(lián)絡信號來反映目前數(shù)據(jù)處理的狀態(tài)。USB 協(xié)議包含了四種數(shù)據(jù)傳輸類型，分別為控制傳輸，批量傳輸，中斷傳輸和同步傳輸，其中控制傳輸是所有設備必須要支持的傳輸方式，對時間沒有嚴格限制的大量的數(shù)據(jù)傳輸要用到批量傳輸；同步傳輸也被稱為實時傳輸。
1 系統(tǒng)設計
圖1 整體系統(tǒng)圖
圖 1 中FPGA型號為Xilinx Virtex-II proxc2vp30，標識為ISP1504 的子板通過FPGA擴展口接入到FPGA 開發(fā)板，子板以物理層芯片ISP1504 為核心并配以簡單外圍電路構成，上面帶有USB 接口用來插入USB 設備。ISP1504 用來完成數(shù)據(jù)的串行化和解串，以及NRZI編碼和比特位填充等功能。FPGA 中內嵌microblaze 軟核處理器，USB 主機控制器IP 核作為用戶IP 核掛接到處理器的PLB 總線上，再加入USB 驅動，便可以實現(xiàn)microblaze 處理器對全速和高速USB 海量存儲設備的管理。本文主要介紹USB 主機控制器IP 核設計中的兩個重要模塊--與物理層接口的ULPI 模塊以及USB2.0 協(xié)議層模塊的設計實現(xiàn)。
2 ULPI 接口模塊的設計及實現(xiàn)
ULPI（UTMI+低引腳數(shù)）接口規(guī)范是應用于高速通用串行總線（USB）和便攜式USB（USBOTG）收發(fā)器芯片的行業(yè)規(guī)范。ULPI 模塊提供USB 主機控制器與UTM 正常通信的物理層通道，是主機控制器實現(xiàn)正常通信的重要接口之一。該模塊依據(jù)ULPI規(guī)范實現(xiàn)了總線事件檢測的功能，完成了上電，正常操作，掛起和復位狀態(tài)之間的轉換等。
此模塊采用狀態(tài)機來實現(xiàn)，主要通過對 ISP1504 的功能控制寄存器寫入一定的數(shù)據(jù)，使得物理層芯片的收發(fā)器進入相應的狀態(tài)（全速、高速以及高速掛起），對狀態(tài)機中時間控制采用計數(shù)器實現(xiàn)，主機端發(fā)送kj 序列對首先通過寫ISP1504 的功能控制寄存器使之進入高速chirp 檢測狀態(tài)，然后在數(shù)據(jù)線上發(fā)送全0 和全1 來完成的。本設計USB2.0 主機控制主要針對全速和高速海量存儲設備設備，全速和高速的狀態(tài)轉移圖如圖2 所示：
圖 2 ULPI 模塊狀態(tài)轉移圖 芯片上電之后，通過寫ISP1504 的功能控制寄存器的reset 位來復位芯片，之后通過差分數(shù)據(jù)線的狀態(tài)來檢測是否有設備插入，并根據(jù)狀態(tài)判斷是低速設備還是全速設備（D-為高電平，即連接的設備為低速設備。若D+為高電平，即連接的設備為全速設備。）需特別說明的是，主機端對高速設備的檢測并不是一下完成的，是首先置為全速設備，然后主機端通過設置控制功能寄存器驅動出SE0 信號，如果收到設備發(fā)回的chirp k信號，主機端就會發(fā)送線性調頻的kj 序列對，每個k 或者j 持續(xù)時間在40-60us,如果設備是高速設備，在檢測到主機發(fā)過來的3 個kj 序列對之后設備的控制器會使其自身進入高速模式，即高速收發(fā)正常的操作狀態(tài)。如果沒有收到設備返回的chirp k 信號則認為是全速設備回到全速狀態(tài)下進行傳輸。當總線上沒有數(shù)據(jù)傳輸（空閑狀態(tài)）超過3ms,則會進入FS 掛起狀態(tài)，當收到主機端發(fā)送的resume信號時恢復到FS狀態(tài)，同理如果在高速狀態(tài)下空閑超過3ms,會先進入FS掛起狀態(tài)。 用 VHDL 硬件描述語言完全按照上述狀態(tài)機轉移完成此模塊，在Xilinx ISE 開發(fā)環(huán)境下使用ISE simulator 仿真工具進行仿真，仿真波形如圖3 所示： 圖3 ULPI模塊的仿真波形 由于狀態(tài)轉移對時間的限制，故只截取了部分狀態(tài)作分析。由圖所示，currentST[4:0]反映的是狀態(tài)機的狀態(tài)，linestate[1:0]表示線上狀態(tài)（直接反映D+ D-狀態(tài)），在狀態(tài)1 通過向ISP1504 的84H 地址（控制功能寄存器的地址）寫入61H（置位rst 位）復位物理層芯片。 在狀態(tài)1 寫完寄存器后置位stp，轉到狀態(tài)2 檢測設備連接狀態(tài)。在狀態(tài)2，當檢測到linestate變?yōu)?0（D+為高），所以先識別為全速設備，轉到全速狀態(tài)4。在下一個時鐘周期進入狀態(tài)6 驅動se0 對設備進行復位，然后按照狀態(tài)轉移圖最后進入高速操作階段。 3 USB2.0 協(xié)議模塊的設計和實現(xiàn) 在 ULPI模塊完成了設備的狀態(tài)監(jiān)測和轉移之后，等進入正常的全速或者是高速模式，就可以按照USB2.0 協(xié)議完成數(shù)據(jù)的傳輸，USB2.0 協(xié)議實現(xiàn)模塊是主機控制器實現(xiàn)的核心模塊，完成USB 數(shù)據(jù)的讀寫和傳輸方式的控制。根據(jù)協(xié)議層的功能主要把協(xié)議層分成三個子模塊來實現(xiàn)，分別是封包模塊（PA）、拆包模塊（PD）以及控制傳輸?shù)膮f(xié)議引擎模塊（ PE ）。 3.1 PA PD 模塊的設計實現(xiàn) 封包模塊（PA）需要對令牌包、數(shù)據(jù)包和握手包三種包按照其對應格式分別進行封裝并發(fā)送到ULPI 模塊。開始空閑狀態(tài)，接到發(fā)包指令后，判斷發(fā)包類型然后進入相應的狀態(tài)。例如令牌包需將其PID 域、ADDR 域、ENDP 域以及CRC5 校驗域按照順序封裝完成后發(fā)送。 狀態(tài)轉移圖如下所示： 圖4 PA模塊狀態(tài)轉移圖 拆包模塊（PD）剛好是封包模塊的逆過程，該模塊是把從ULPI 模塊接收到的數(shù)據(jù)包和握手包進行拆包。對數(shù)據(jù)包拆包首先就是要判斷PID 域以確定數(shù)據(jù)包的類型，并且還需對數(shù)據(jù)進行CRC 校驗然后根據(jù)該數(shù)據(jù)包的功能將數(shù)據(jù)域內容送給要保存數(shù)據(jù)的模塊，圖5 是拆包模塊的狀態(tài)轉移圖： 圖 5 PD 模塊狀態(tài)轉移圖 仿真結果如圖6 所示： 圖 6 拆包的仿真波形 在圖6 中，完成一個包含三個數(shù)據(jù)域的拆包過程。信號rx_valid 和rx_active 同時有效時rx_data[7:0]代表從ULPI 模塊接收到的數(shù)據(jù)，首先根據(jù)接收PID 域值為C3，判斷出該數(shù)據(jù)包的類型為DATA0，pid_data0 信號為高。Rx_data_st 保存拆包完成后的數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)是在rx_data_valid 信號為高電平期間存入rx_data_st 寄存器的，所以接收數(shù)據(jù)為0x00、0x01、0x02、0x03。最后對接收的CRC 部分進行了驗證，由于0xef、0x7a 是此包數(shù)據(jù)域正確的CRC 生成碼，所以傳輸無誤情況下crc16_err 一直為0。 3.2 PE 模塊的設計實現(xiàn) 協(xié)議引擎（PE）模塊主要負責協(xié)調PA 和PD 模塊實現(xiàn)USB 傳輸方式，本設計主要實現(xiàn)兩種傳輸方式即控制傳輸方式和批量傳輸方式。該模塊設計的主狀態(tài)轉移圖如圖7 所示，狀態(tài)機在空閑狀態(tài)收到請求傳輸有效信號transreq后，就會對請求類型transtype進行判斷。不同的transtype 值代表著不同的傳輸事務要求。按照不同的要求，主狀態(tài)機就會轉到相應的傳輸事務狀態(tài)中進行處理。 圖 7 PE 模塊主狀態(tài)轉移圖 每個傳輸事務由不同的狀態(tài)轉移過程來實現(xiàn)，以其中的setup 傳輸事務為例。首先，狀態(tài)機向PA 模塊發(fā)送發(fā)包使能標志，同時將表示setup 令牌包的值"1101"送給PA 模塊。PA模塊接到發(fā)setup 包指令，就會按照要求完成封包發(fā)送的工作，最后反饋給PE 模塊一個發(fā)包結束的信號sendpacketen。setup狀態(tài)機接收到發(fā)包結束信號sendpacketen為‘1‘后，就會轉到下一個狀態(tài)發(fā)data0 數(shù)據(jù)包。在此狀態(tài)下如果收到發(fā)包結束有效信號，也會轉到下一狀態(tài)接收握手包。在這個狀態(tài)中，主要是和PD 模塊進行通信。PD 模塊通過對接收的握手包進行拆包，來分析包的PID 域是否出錯。如果沒有錯就會反饋給PE 模塊包的類型，出錯就通過信號來通知PE 模塊。狀態(tài)機本狀態(tài)除了要判斷接收包是否出錯，還要判斷接收包是否超時。各個事務分別完成之后，至此協(xié)議層完成。 圖 8 Setup 事務狀態(tài)轉移圖 4 結論 本文完成了 USB2.0 主機控制器中ULPI 模塊與USB2.0 協(xié)議層模塊設計，此USB2.0 主機控制器 IP 核主要針對全速和高速海量存儲設備。設計采用VHDL 語言進行RTL 級描述，使用Xilinx 公司的ISE simulator 工具進行波形仿真，仿真結果驗證了設計的正確性，并且在Xilinx XUPV2 FPGA 開發(fā)板[8]和帶有USB接口并以物理層芯片ISP1504為核心的子板上進行了驗證。本文設計的USB2.0 主機控制器可作為獨立的IP 核移植到其他數(shù)字系統(tǒng)中，擺脫對USB2.0 主機控制器ASIC 的依賴，提高產(chǎn)品集成度。
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