USB IP核的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

接收部分：從同步域中恢復(fù)出12 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，接收主機(jī)過來的比特流對(duì)其進(jìn)行不歸零碼(NRZI)解碼，剔除位填充然后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以字節(jié)的形式傳給協(xié)議層。接收部分還要能判斷出一個(gè)包的開始，在USB傳輸過程中，是以包為單位的，因此接收部分首先要測(cè)包的開始SOP(Start of Packet)，所有包都是從同步字段(SYNC)開始的，同步字段是產(chǎn)生最大的邊緣轉(zhuǎn)換密度(Endge Transition Density)的編碼序例。以NR―ZI編碼的二進(jìn)制串“KJKJKJKK”同步字段最后2位是同步字段結(jié)束的標(biāo)記，同時(shí)標(biāo)志了包標(biāo)識(shí)符(Pacekt Iden一tiler，PID)的開始。只有當(dāng)檢測(cè)到包SOP才開始后面的NRZI解碼、去位填充和串并操作，否則就繼續(xù)處于等待階段。
在接收部分還需要有檢錯(cuò)部分，在檢查到傳輸過來的數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤時(shí)，要進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理。如在NRZI解碼后，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去位填充時(shí)發(fā)現(xiàn)了有連續(xù)7個(gè)“1”則可以認(rèn)為數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)包已經(jīng)損壞，必須通知協(xié)議層。在接收部分需要特別注意的是：在接收USB主機(jī)過來數(shù)據(jù)時(shí)，是不同的時(shí)鐘域，因此必須考慮到亞穩(wěn)態(tài)問題。在本設(shè)計(jì)中，由于只處理單個(gè)比特信號(hào)，因此用了兩級(jí)寄存器來消除亞穩(wěn)態(tài)。
發(fā)送部分：將協(xié)議層打包好的加上同步字段，然后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，將字節(jié)形式轉(zhuǎn)換成比特流形式，接著根據(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行位填充和NRZI編碼，通過D+和D一信號(hào)傳送給USB主機(jī)。這個(gè)同步字段也是告訴USB主機(jī)有一個(gè)新數(shù)據(jù)包發(fā)送過來了，在發(fā)送部分還要產(chǎn)生包結(jié)束EOP(End of Packet)的信號(hào)。
3．3 USB協(xié)議層
協(xié)議層主要分成三個(gè)子模塊：解包模塊、打包模塊和協(xié)議引擎模塊。這一層主要是將經(jīng)過串口接口引擎模塊過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，剔除USB協(xié)議中的信息。同時(shí)將端點(diǎn)中要發(fā)送的數(shù)據(jù)，在協(xié)議引擎控制下進(jìn)行相應(yīng)的打包，然后通過SIE模塊傳送給USB主機(jī)。
3．3．1 解包模塊
本模塊主要將接收到的信息包數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析出包標(biāo)識(shí)(PID)，端點(diǎn)地址和USB設(shè)備地址以及包含在包中的有效數(shù)據(jù)。在解包時(shí)，對(duì)令牌包進(jìn)行CRC5校驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)CRCl6檢驗(yàn)，若出錯(cuò)則進(jìn)行相應(yīng)的出錯(cuò)處理。從上面所述可知，任何包都有同步字段而同步字段在串口接口引擎模塊中已經(jīng)除去了，因此本模塊不用關(guān)心同步字段。整個(gè)解包數(shù)據(jù)流如圖3所示。

整個(gè)解包過程如下：首先判斷接收的包是什么包，若為TOKEN包(0UT或IN或SOF或SETUP或ACK或NAK或STALL或PRE)則轉(zhuǎn)入到TOKEN包的處理進(jìn)程，若為數(shù)據(jù)包(DATA0或DATAl)則轉(zhuǎn)入到DATA包的處理進(jìn)程。在TOKEN包或DATA包中若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有
錯(cuò)則丟棄此包并報(bào)錯(cuò)。

3．3．2 打包模塊
根據(jù)PE送來的PID組織相應(yīng)的信息包，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)安排在相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，或者組織令牌包。發(fā)送令牌包時(shí)，不必產(chǎn)生CRC5校驗(yàn)位。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，需要把有效數(shù)據(jù)的CRCl6校驗(yàn)位放在末尾一起發(fā)送。這個(gè)模塊主要就是如何把協(xié)議層引擎模塊送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，打包的概念其實(shí)質(zhì)就是把要發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)其相應(yīng)的信息安排相應(yīng)的發(fā)送順序。同樣打包的過程中也不用考慮同步字段，同步字段在串口接口引擎層加入。整個(gè)打包數(shù)據(jù)流如圖4所示。
3．3．3 協(xié)議層引擎模塊
在USB設(shè)備中，某一個(gè)時(shí)刻和主機(jī)通信的只能是一個(gè)端點(diǎn)，當(dāng)前操作都基于這個(gè)端點(diǎn)地址。主機(jī)不能同時(shí)和幾個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行通信，端點(diǎn)的屬性在設(shè)備和主機(jī)剛開始連接時(shí)進(jìn)行的枚舉過程中已經(jīng)確定，保存在各端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的寄存器中，比如是IN還是OUT端點(diǎn)，是支持控制傳輸、批量傳輸還是中斷傳輸?shù)亩它c(diǎn)等。協(xié)議引擎模塊是整個(gè)協(xié)議層的核心控制單元，控制了其他所有模塊的工作方式，根據(jù)當(dāng)前端點(diǎn)的配置或當(dāng)前狀態(tài)處理傳輸事務(wù)，并在傳輸事務(wù)中實(shí)時(shí)更新控制與狀態(tài)寄存器。他的功能包括：有效處理IN，OUT和SETUP事務(wù)，確定當(dāng)前傳輸事務(wù)要操作的端點(diǎn)地址，正確應(yīng)答各種包和管理數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，同時(shí)實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議中的錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。
3．4 端點(diǎn)控制模塊和端點(diǎn)模塊
端點(diǎn)模塊：端點(diǎn)其實(shí)就是USB進(jìn)行通信時(shí)，用于存數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，為了提高數(shù)據(jù)存取的速度，本IP核的端點(diǎn)設(shè)計(jì)成FIFO。端點(diǎn)控制模塊：主要是端點(diǎn)控制寄存器和端點(diǎn)狀態(tài)寄存器，此模塊中包含了USB IP核的頂層控制和狀態(tài)寄存器。如USB設(shè)備的狀態(tài)控制寄存器、設(shè)備地址寄存器、中斷屏蔽寄存器和中斷源寄存器等。為了增加靈活性，在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)每一個(gè)端點(diǎn)分別設(shè)計(jì)了設(shè)置和功能相同但地址不同的寄存器，包括端點(diǎn)的控制狀態(tài)寄存器、中斷源寄存器、中斷屏蔽寄存器、緩沖區(qū)的指針寄存器。端點(diǎn)根據(jù)協(xié)議可以配置1到16個(gè)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)本身系統(tǒng)需要可以對(duì)USB IP核配置端點(diǎn)數(shù)，增加了USB IP核端點(diǎn)可擴(kuò)展性。
3．5 總線適配器模塊