摘  要： 基于USB 2.0協議規范提出了一個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開發板上經過驗證。
關鍵詞： 串行接口引擎；通用串行總線；片上系統；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離不開USB端口，通過它們人們可與鼠標、鍵盤、掃描儀、數碼相機、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、方便和省電的優點，已經廣泛得到主要的操作系統的支持。
　目前大多數的USB設計都是進行系統集成，采用現成商用的USB芯片進行開發，并沒有涉及到對IP核的設計與開發。本文通過分析USB 2.0協議，使用Verilog HDL 硬件描述語言設計實現了一個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設備控制器系統設計
1.1 系統設計
　根據USB 2.0設備控制器所要實現的功能，本系統采用自頂向下（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：物理層收發器（USB PHY）、UTMI接口、協議層PL（Protocol Layer）、RAM緩沖區、存儲器接口和仲裁器、控制和狀態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來進行數據恢復。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
　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據進行處理，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數據I/O和通信的控制，其中包括DMA和內存接口、協議引擎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。協議引擎PE是PL中的核心模塊，PE處理所有標準USB協議握手和控制通信，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寄存器（CSR）的值解碼成內部控制信號線，將端點緩沖區（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執行合適的操作。USB主循環根據標記包的不同將操作分為特殊包處理、Setup循環、IN數據循環和OUT數據循環。
　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，識別主機發送的是何種請求，返回相應的數據，從而完成設備的枚舉和之后的數據傳輸。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（處理數據寬度是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的數據傳輸。轉換模塊主要實現了跨時鐘域的數據傳輸、數據位數轉換（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據。跨時鐘域的數據傳輸主要體現在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據傳輸容易產生的亞穩態，在接口轉換模塊里采用了“超前送數”的策略，即MCU讀寫命令在有效信號到達之前把數據放入三態數據端口寄存，讀寫信號到達之后進行數據傳輸。
　微控制器與SIE之間的數據交換可以分為寫入地址與數據和寫地址并讀數據兩種方式，分別對應著USB固件中兩種最基本的命令函數。連接轉換模塊通過狀態機來進行控制，接收到數據后隨即進行數據和地址的轉換，并將轉換好的數據和地址存入寄存器中。轉換完成后進入WE狀態，進行判斷。如進行寫入地址與數據則進入到WE_AD狀態，該狀態會將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據；寫地址并讀數據則進入WE_A，該狀態將控制位CYC與STB置高，WE為低表示讀過程，同時輸入要讀數據的地址，WE_A過后就進入RE_DATA讀取數據并輸出。
　數據位數轉換的原理實際上很簡單，采用標志位對其進行區分，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數據，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總線數據的操作方式進行傳輸。32 bit數據轉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據。
3 系統驗證
3.1 FPGA驗證環境搭建
　本文選用Xilinx公司的Virtex-II Pro FPGA開發板作為驗證USB 2.0 SIE核的平臺。選用Cypress公司的CY7C68000芯片作為前端的收發器（PHY），將USB總線上480 MHz的串行數據流轉換成8 bit 60 MHz的并行數據。系統測試平臺架構如圖5所示。

　CY7C68000與FPGA開發板之間采用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器PHY_CLK 60 MHz時鐘的引入。緩沖區使用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數為1 718個，Slice Flip Flops數為1 801個，4輸入LUT數為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，將收發器CY7C68000連到主機，主機馬上會出現一個“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）。后面緊跟一個數據包，PID為0xc3是DATA0的數據包，后面的數據0x80 0x06 0x00 0x01 0x00 0x00 0x40 0x00表示這是一個Get_Descriptor標準設備請求的數據包。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據。
　（2）數據階段。主機會發出一個IN包，如圖7所示，PID為0x69，設備收到IN包后用數據包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。主機收到數據包后會返回一個ACK握手包（PID為0xd2），表示數據接收正確。

　（3）狀態階段。主機會發出OUT包，但與數據階段不同，狀態階段所發數據包內容為空。設備收到數據包后返回一下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。在操作系統上添加相應的驅動程序即可進行數據傳輸的實驗。
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規范及開發指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.
[4] AXELSON J.USB開發大全[M].北京：人民郵電出版社，2011.