摘 要： 實現了一種無需MCU的USB2.0設備控制器IP核。使用硬件電路代替傳統單片機實現的MCU和固件功能，支持高速(480 Mb/s)和全速(12 Mb/s)傳輸。所設計的IP核在FPGA上經過了驗證，結果表明它可以作為獨立的模塊用于SoC系統中。
關鍵詞： IP; USB; SoC; MCU
通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是現今最為流行的計算機接口，它是一種快速、雙向、同步、可動態監測的串行接口[1]。目前大多數的USB設計都是經過系統集成，采用現成的商用USB芯片進行開發，并沒有涉及到IP(Intellectual Property)核的設計與開發。在SoC(System on Chip)開發中可以利用已有的IP核開發成果，縮短系統芯片的設計周期，提高效率。本文通過分析USB2.0協議，實現了一個無需外置MCU(Micro Control Unit)的USB2.0設備控制器IP核，并進行了FPGA驗證，可用于SoC的集成中。
1 USB2.0設備控制器系統設計
目前USB2.0設備控制器廣泛使用的系統架構是串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine) +MCU模式，SIE負責解釋USB協議層的動作[2]。一方面，SIE模塊將主機發送的信息解釋成后端功能設備能夠識別的信息；另一方面，將功能模塊相關數據按照符合USB協議的格式發送給主機。這種傳統的USB設備控制器設計核心是針對事務(Transaction)和信息包(Packet)的處理。對于關鍵的控制傳輸，則需要外置單片機和固件的輔助，因為這種傳統的USB設備控制器不能獨立完成USB與主機通信過程中最核心的枚舉過程。
本文使用硬件電路代替傳統單片機實現MCU和固件的功能。整體框架如圖1所示,圖中實心箭頭代表應用與主機之間的數據流。
采用Top-to-Down(自頂向下)的設計結構將USB設備控制器劃分為以下主要功能模塊：
(1)Init模塊:實現UTMI協議(USB 2.0 Transceriver Macrocell Interface(UTMI) Specification)的相關細節，主要用于控制總線掛起/恢復模式與速度模式的切換。
(2)Packet模塊:對接收到的USB格式的信息包進行處理，提取其中的數據，檢驗CRC；對發送的數據進行封裝，添加CRC檢驗位。
(3)Transaction模塊:對USB定義的基本事務(transaction)類型(如IN、OUT、SETUP和PING等)按照協議規范處理。以上模塊實現SIE的功能， 其事務處理流程如圖2所示。
(4)Serial模塊：例化調用其他模塊，同時對傳輸過程中的錯誤進行處理。
(5)Descriptor ROM和Control模塊:完成枚舉過程中的控制傳輸。
2 硬件電路代替MCU和固件
2.1方案分析
微控制器的主要功能是負責執行固件框架程序，協助完成 USB的控制傳輸。這一部分可以用單片機或者硬件電路實現，目前常用單片機實現，優點是設計簡單、靈活；缺點是單片機的速度比較慢，遠遠低于硬件電路。
使用硬件電路實現雖然設計復雜而且靈活度不如單片機，但它的優點是：(1)降低協議開銷，從而得到更快的傳輸速度；(2)降低用戶使用開發周期，因為使用硬件電路實現MCU功能,省去了后期固件和驅動程序的開發;(3)不使用單獨的單片機,顯著地降低了成本。
2.2 MCU和固件功能模擬
本設計中Descriptor ROM模塊用于存儲控制傳輸協議中需要用到的各種描述符，模擬枚舉過程中固件的功能。例如18 B的設備描述符定義如下：
constant desc_dev: byte_array(0 to 19) := (
X"12", -- bLength = 18 bytes
X"01", -- bDescriptorType=device descriptor
X"00",
X"02", -- bcdUSB = 2.00
X"02", --bDeviceClass=CDC
X"00", -- bDeviceSubClass = none
X"00", -- bDeviceProtocol = none
X"40", -- bMaxPacketSize0 = 64 bytes
VENDORID(7 downto 0), -- idVendor
VENDORID(15 downto 8),
PRODUCTID(7 downto 0), -- idProduct
PRODUCTID(15 downto 8),
VERSIONBCD(7 downto 0), -- bcdDevice
VERSIONBCD(15 downto 8),
X"01", -- iManufacturer
X"02", -- iProduct
X"03", -- iSerialNumber
X"01", -- bNumConfigurations = 1
X"00", X"00" ); -- 2 bytes padding
([注] byte_array是自定義的數組類型)
Control模塊模擬MCU的行為，根據控制傳輸時主機請求的類型，在Descriptor ROM中選擇相應的描述符返回給主機。為了精簡工作流程，設計中按照“在保證傳輸正確的基礎上盡量減少中斷”的設計原則[3]，實現了設備控制器最大限度精簡指令。根據USB2.0規定的標準設備請求的結構， Control模塊的主要工作流程圖3所示。
Control模塊代碼的結構主體是一個三重狀態機。圖3是Control模塊簡化流程示意圖, 沒有標出差錯處理機制和其他細節。控制傳輸中,主機發送數據域長度為8 B的請求，當Transaction模塊檢測到Setup類型傳輸時，通知Control模塊，Control模塊檢測識別標準USB請求的8 B數據，進行相應操作（如SetAddress、GetDesciriptor和GetConfiguration）。按照主機發送8 B請求的順序，核心處理步驟如下：
(1)檢測bmRequestType字節，bmRequestType的D6~5位為00代表USB協議定義的標準請求（bRequest）。(2)檢查bRequest字節，USB支持11類的標準請求，此步驟可以確定請求的描述符類型。(3)檢查wValue域(2 B)，低字節表示索引號，用來選擇同一種描述符(例如字符串描述符和配置描述符)中具體某個描述符；高字節表示描述符的類型編號。(4)檢查wIndex域，在獲取字符串描述符時表示字符串的語言ID號。(5)最后檢查wLength，表示數據過程(如果有時)所需要傳輸的字節數。
當Endpoint(端點)寄存器為“0000” (表示控制端點)且內部Dscbusy寄存器為‘0’(控制傳輸，但請求的不是描述符)時，選擇發送給主機的數據是代表當前的Device(設備)、Endpoint和Interface(接口)狀態的數據；當Endpoint(端點)寄存器為“0000”(表示控制端點)且Dscbusy寄存器為‘1’時，選擇wValue確定的描述符發送給主機；其他情況發送的是來自應用系統(Application)的數據。
2.3 錯誤檢測和處理的改進
USB規范中列出了種類繁多的錯誤的產生及其相應的檢測恢復方法。對于傳統的SIE+MCU系統，傳輸過程中發生的任何錯誤都向外部MCU提出中斷，固件對規范中的錯誤類型應有處理及恢復機制[4]。例如Host發出 IN令牌包接收到數據以后，必須及時地返回握手包，否則超時。超時后，MCU馬上產生中斷并選擇在下一個IN令牌包來時重傳上一次數據。這種處理的缺點是中斷頻繁、效率比較低。本設計中沒有使用MCU，對錯誤的檢測和處理均是在設備控制器內部進行。由于省去了中斷請求與處理的延時，對傳輸過程中發生的錯誤能夠得到高效的處理。例如對上述所提到的錯誤，Serial選擇在下一個IN令牌到來時自動重傳上一次數據，且最多嘗試3次，如果問題依舊存在，作為線路故障處理。這種處理方法能夠充分發揮硬件電路的高速優勢。
3 系統仿真與FPGA驗證
在驗證過程中,利用事務模型建立USB虛擬主機和應用模型完成系統功能仿真,然后綜合代碼、設置引腳、自動布局布線后下載到FPGA內驗證。本文選用Cypress公司的CY7C68000芯片作為前端的收發器(PHY)和Xilinx公司的Spartan-3E(XC3S500E -4PQ208C)芯片制作的 FPGA開發板作為驗證USB設備控制器IP核的平臺。XC3S500E系統門數達50萬,可提供高達340 MHz的內部性能。
枚舉過程屬于控制傳輸，一般分為3個階段，以Get_descriptor為例，過程如下：
(1)建立階段：如圖4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0x00(控制端點)。后面緊跟一個DATA0的數據包，PID為0xc3,后面的數據0x80、0x06、0x00、0x01、0x00、0x00、0x12、0x00表示這是一個Get_Descriptor標準設備請求的數據包。其中PHY_TXVALID、 PHY_TXREADY、 PHY_DATAOUT是符合UTMI定義數據發送接口信號，PHY_RXVALID、PHY_RXACTIVE、PHY_DATAIN是符合UTMI規范的數據接收接口信號。
(2)數據階段：主機發出一個IN包，如圖5所示，PID為0x69，設備收到IN包后用數據包DATA1(PID為0x4b)返回自己的設備描述符，與前面定義的18 B設備描述符數據一致。主機收到正確的數據包后返回一個ACK握手包(PID為0xd2)，表示接收正確。
(3)狀態階段：主機發出OUT包，但與數據階段不同，狀態階段所發數據包內容為空。設備成功收到數據包后應答ACK握手包。
本文實現了一種有別于傳統的MCU+SIE方案的USB2.0設備控制器IP核設計。使用硬件電路代替單片機實現MCU和固件功能，顯著地降低了系統硬件規模和實現成本。同時簡化了錯誤檢測和處理的流程，有利于進一步提高USB傳輸速度。FPGA驗證表明，該方案實現的USB2.0設備控制器IP核有效可行，可以進一步完成ASIC設計，使之作為獨立模塊添加到SoC系統中。
參考文獻
[1] USB Implementers Forum, Inc. Universal serial bus specification(Rev 2.0)[EB/OL]. (2002-04-xx)[2013-01-24]. http://www.usb.org.
[2] 陳亮，袁志堅，史大龍，等.內嵌8051的USB2.0設備控制器IP設計[J]. 微型機與應用，2012，31(17):28-30.
[3] [美]AXELSON J． USB開發大全[M]． 李鴻鵬， 鄭瑞霞，陳香凝，等譯. 北京：人民郵電出版社, 2011．
[4] 黃衛華，朱向東， 沈緒榜.一種高速USB設備控制器IP核的設計與實現[J]. 微電子學與計算機， 2005,22(5):106-109.