基于FPGA的USB接口IP核設(shè)計(jì)

摘要: 重點(diǎn)闡述了USB接口IP核關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，用VerilogHDL對USBIP核協(xié)議RTL級(jí)代碼編寫，對USB協(xié)議的數(shù)據(jù)流、傳輸?shù)冗M(jìn)行了深入的分析，在Xilinx ISE軟件平臺(tái)上進(jìn)行了FPGA綜合，并在Xilinx FPGA開發(fā)板上調(diào)試成功。通過在ModelSim6．0上仿真、ISE9．1上綜合并在FPGA開發(fā)板上驗(yàn)證，最后采用0．35μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)版圖設(shè)計(jì)，工作頻率120 MHz，3．3 V電壓時(shí)工作電流9mA，靜態(tài)電流40μA。結(jié)果表明文中USB接口IP設(shè)計(jì)是可行的。

關(guān)鍵詞: IP；通用串行總線；VerilogHDL；協(xié)議層；SIE

USB(通用串行總線)作為一種外設(shè)連接技術(shù)，是計(jì)算機(jī)外設(shè)連接技術(shù)的重大變革，USB具有速度快、通用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗低、穩(wěn)定、易開發(fā)等眾多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用，逐步成為PC機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)接口。USB接口控制芯片是實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備與主機(jī)建立通信所必須的芯片，目前國內(nèi)的USB開發(fā)者所采用的芯片都是由國外的芯片商所提供，如Cypress、NEC、Motorola等大的IC設(shè)計(jì)公司，價(jià)格較貴。由于USB的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和集成電路設(shè)計(jì)公司都把目光投向USB這項(xiàng)具有廣闊市場前景的技術(shù)。USB內(nèi)核(USB Core)是USB接口控制芯片的關(guān)鍵模塊，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、高速的USB內(nèi)核更是芯片成功推向市場的前提。

1 USB通信原理

USB通信邏輯上分成了3層：信號(hào)層、協(xié)議層和數(shù)據(jù)層。信號(hào)層用來實(shí)現(xiàn)在USB設(shè)備和主機(jī)的物理連接之間傳輸位信息流的信息。邏輯層用來實(shí)現(xiàn)在USB設(shè)備和USB主機(jī)端的協(xié)議軟件之間傳輸包字節(jié)流的信息，它們在信號(hào)層被編碼成NRZI位信息后傳送出去。數(shù)據(jù)傳輸層用來實(shí)現(xiàn)在USB主機(jī)端的客戶端驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備端的功能接口之間傳輸有一定意義的信息，這些信息在協(xié)議層被打包成包格式。

1．1 傳輸?shù)幕�本單�?/p>

包(Packet)是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕�本單元。結(jié)構(gòu)，如圖1所示，根據(jù)USB規(guī)范，包的類型有：令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和專用包。

USB總線操作(通訊過程)都可以歸結(jié)為3種包的傳輸：令牌包、數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包。任何操作都是從主機(jī)開始的，主機(jī)以預(yù)先排好的時(shí)序，發(fā)出一個(gè)描述操作類型、方向、外設(shè)地址以及端點(diǎn)號(hào)，稱之為令牌包Foken Packet。然后由在令牌中指定的數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包Data Packet或者報(bào)告它沒有數(shù)據(jù)可以傳輸。而數(shù)據(jù)的目的地一般要以一個(gè)應(yīng)答包Handshake Packet做出響應(yīng)表明傳輸是否成功。

1．2 事務(wù)處理

事務(wù)處理(Transaction)是指USB總線上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過程。事務(wù)處理的類型包括輸入事務(wù)、輸出事務(wù)、設(shè)置(Setup)事務(wù)，幀開始(SOF)，幀結(jié)束(EOF)等類型，下面以輸入事務(wù)處理為例加以介紹。

如圖2顯示了輸入事務(wù)處理中無差錯(cuò)事務(wù)情況，首先由主機(jī)向總線發(fā)出輸入令牌包通知某個(gè)設(shè)備向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)所指定的設(shè)備接收到此令牌包并檢驗(yàn)身份后，將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)組裝成數(shù)據(jù)包向主機(jī)傳送出去；接著當(dāng)主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)校驗(yàn)無差錯(cuò)后，創(chuàng)建一個(gè)ACK的握手包返回給設(shè)備通知主機(jī)已正確接收到數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行新的事務(wù)處理過程。若主機(jī)接收數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤，則不發(fā)送ACK握手包，表示處理過程沒有成功；若設(shè)備未準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，設(shè)備會(huì)向主機(jī)發(fā)送NAK握手包，提醒主機(jī)暫時(shí)不能發(fā)送數(shù)據(jù)；若設(shè)備出錯(cuò)，則返回主機(jī)STALL握手包通知設(shè)備出錯(cuò)。

1．3 總線傳輸

為了滿足不同外設(shè)和用戶的要求，USB提供了4種傳輸方式：控制傳輸、實(shí)時(shí)傳輸、中斷傳輸、批量傳輸。它們在數(shù)據(jù)格式傳輸方向數(shù)據(jù)包容量限制和總線訪問限制等方面有著各自不同的特征。

控制傳輸用來對設(shè)備進(jìn)行初始化和配置管理，所有USB設(shè)備必須直接控制傳輸，是總線傳輸中最復(fù)雜的傳輸方式；實(shí)時(shí)傳輸用來傳送音頻或視頻的數(shù)據(jù)；中斷傳輸用來傳輸類似PCI或ISA總線上中斷信號(hào)的數(shù)據(jù)；批量傳輸用于打印機(jī)或掃描儀等傳輸大塊數(shù)據(jù)的設(shè)備。

控制傳輸一般包括2或3個(gè)事務(wù)處理階段，即設(shè)置階段，數(shù)據(jù)階段(可選)和狀態(tài)階段。圖3給出了設(shè)置階段的細(xì)節(jié)。如果數(shù)據(jù)沒有正確接收設(shè)備就會(huì)忽略它，而且不返回應(yīng)答包。

作者：姚成宇，唐寧，汪洋 來源：電子技術(shù)