USB(通用串行總線)作為一種外設連接技術，是計算機外設連接技術的重大變革，USB具有速度快、通用性好、擴展性強、功耗低、穩定、易開發等眾多優點，在實踐中獲得了廣泛的應用，逐步成為PC機的一種標準接口。USB接口控制芯片是實現USB設備與主機建立通信所必須的芯片，目前國內的USB開發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設計公司，價格較貴。由于USB的廣泛應用，國內外眾多科研機構和集成電路設計公司都把目光投向USB這項具有廣闊市場前景的技術。USB內核(USB Core)是USB接口控制芯片的關鍵模塊，設計一個穩定、高速的USB內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：信號層、協議層和數據層。信號層用來實現在USB設備和主機的物理連接之間傳輸位信息流的信息。邏輯層用來實現在USB設備和USB主機端的協議軟件之間傳輸包字節流的信息，它們在信號層被編碼成NRZI位信息后傳送出去。數據傳輸層用來實現在USB主機端的客戶端驅動程序和設備端的功能接口之間傳輸有一定意義的信息，這些信息在協議層被打包成包格式。
1．1 傳輸的基本單元
包(Packet)是USB系統中信息傳輸的基本單元。結構，如圖1所示，根據USB規范，包的類型有：令牌包、數據包、握手包和專用包。
USB總線操作(通訊過程)都可以歸結為3種包的傳輸：令牌包、數據包和應答包。任何操作都是從主機開始的，主機以預先排好的時序，發出一個描述操作類型、方向、外設地址以及端點號，稱之為令牌包Foken Packet。然后由在令牌中指定的數據發送者發出一個數據包Data Packet或者報告它沒有數據可以傳輸。而數據的目的地一般要以一個應答包Handshake Packet做出響應表明傳輸是否成功。
1．2 事務處理
事務處理(Transaction)是指USB總線上數據信息的一次接收或發送的處理過程。事務處理的類型包括輸入事務、輸出事務、設置(Setup)事務，幀開始(SOF)，幀結束(EOF)等類型，下面以輸入事務處理為例加以介紹。
如圖2顯示了輸入事務處理中無差錯事務情況，首先由主機向總線發出輸入令牌包通知某個設備向主機發送數據；當所指定的設備接收到此令牌包并檢驗身份后，將準備好的數據組裝成數據包向主機傳送出去；接著當主機接收到的數據經校驗無差錯后，創建一個ACK的握手包返回給設備通知主機已正確接收到數據，然后進行新的事務處理過程。若主機接收數據包錯誤，則不發送ACK握手包，表示處理過程沒有成功；若設備未準備好數據，設備會向主機發送NAK握手包，提醒主機暫時不能發送數據；若設備出錯，則返回主機STALL握手包通知設備出錯。
1．3 總線傳輸
為了滿足不同外設和用戶的要求，USB提供了4種傳輸方式：控制傳輸、實時傳輸、中斷傳輸、批量傳輸。它們在數據格式傳輸方向數據包容量限制和總線訪問限制等方面有著各自不同的特征。
控制傳輸用來對設備進行初始化和配置管理，所有USB設備必須直接控制傳輸，是總線傳輸中最復雜的傳輸方式；實時傳輸用來傳送音頻或視頻的數據；中斷傳輸用來傳輸類似PCI或ISA總線上中斷信號的數據；批量傳輸用于打印機或掃描儀等傳輸大塊數據的設備。
控制傳輸一般包括2或3個事務處理階段，即設置階段，數據階段(可選)和狀態階段。圖3給出了設置階段的細節。如果數據沒有正確接收設備就會忽略它，而且不返回應答包。
2 USB IP模塊設計和代碼編寫
USB接口主要有UTM(USB Transceiver Macrocell)、SIE(SefiM Interface Engine)和設備功能總線組成。電路結構，如圖4所示，時鐘域分為：Transceiver時鐘域，SIE時鐘域和Wish- bone總線時鐘域。
2．1 UTM模塊
USB總線數據線由DP和DN組成，是I／O端口。并行通過對DP和DN的上拉、下拉來區別低速USB設備和高速USB設備。
USB總線上的數據首先通過UTM，進行NRZI解碼和位剝離后，串并轉換為8位并行數據，傳送給SIE中的UTMI或從UTMI接收8位并行數據，經過NRZI編碼和位填充后，發送到USB總線。由于USB系統采用NRZI編碼，對于一串0來說，它的數據線的電平狀態會按位跳變，對以一串l則不然，電平會長時間不變，可能導致數據接受方的時間同步漂移，為了避免漂移，每遇到6個1就在NRZI編碼之前加0，即位填充。
NRZI的vefilog實現代碼為：
2．2 串行接口引擎
串行接口引擎(Serial Interface Engine，SIE)主要由PL(Protocol Layer)，MA(memory buffer arbiter)，UTMI(UTM Interface)等組成。PD，PA，PE3個模塊組成了USB SIE的協議層(PL)。
UTMI(UTM Interface)是UTM和SIE的接口主要功能是檢測總線狀態以及識別總線速度。負責PL與UTM的數據交換。
PD將UTMI接收到的信息數據包進行解析，解析出包標識(PID)、端點地址和設備地址以及包含在包中的有效數據命令。在解碼時，對PID進行校驗，即PID[7:4]～PID[3:0]，還要對必要的令牌包進行CRC5校驗，對數據包進行CRCl6校驗。CRCl6，CRC5多項式為：x16+x15+x2+1和x5+x2+1。
設計中把命令解碼電路也設計在PD上，解碼電路的設計思路是：通過一個計數器將8 bit的命令數據分別存放在8個：Register中，然后對Register進行解碼，來判斷該條命令帶表的含義和執行的操作。例如：Get Descriptor命令，主機發送的命令數據為8’ha0，8’h06，8’h00，8’h01，8’h00，8’h00，8’h4O，8’h00，然后解碼電路根據這8 bit來判斷命令的含義。如果主機發送命令有誤，或該設備不支持命令，則這條命令被忽略或返回NAK握手包。
PA根據PE(Protocol Engine)送來的PID組織相應的信息包，把要發送的數據安排在相應的數據包，或者令牌包。發送令牌包時，不必產生CRC5校驗位。在發送數據包寸，需要把有效數據的CRCl6校驗位放在包末尾一起發送。
PE可以對IN，OUT以及Setup事務進行單線程處理，且確定當前傳輸事務要操作的端點地址，所有對MA和RF的當前操作都基于這個端點地址。PE要根據當前端點的配置或當前狀態處理傳輸事務，并在傳輸事務中實時更新控制／狀態寄存器CSR。SIE還能通過CSR中的中斷向量請求設備總線的控制支持。
3 系統仿真與實現
設計中包含了UTM，SIE，并根據協議寫出了含有設備描述符的ROM。這樣IP具有USB接口的功能，可以作為一個USB設備與主機進行通信。根據USB協議，模擬主機動作編寫Testbench，它主要由模擬主機數據包(Send Data)，Stuffing檢測，CRC校驗檢錯等來仿真。仿真波形，如圖5所示。
最后將電路用ASIC實現。采用0．35μm CMOS工藝實現后端設計，數字電路采用單元庫自動布線，模擬電路手工繪制版圖，并進行DRC和LVS檢查，最終版圖預覽圖，如圖8所示，芯片面積為1．2 ms2；經過后仿真得出：工作頻率為120 MHz，工作電流9 mA，靜態電流40μA。工作頻率可以實現高速USB協議的要求，功耗、電流等參數也符合設計要求。
本設計與國內其他的研究結果進行比餃，如表1所示。
從表1中對表可以看出，本設計在滿足頻率(FX8>480 MHz)的條件下，精簡了多個單元，節省了資源，完全符合USB協議的要求。將IP下載到FPGA中與主機通信，主機能正確讀出設備描述符和正確完成其他操作，并在主機端顯示USB2．0 Device。進一步證明了設計的正確性和實用性。
4 結束語
文中介紹了基于USB協議層模塊的設計，最后在Modelsim6．0下仿真和ISE9．1進行了綜合，采用Xilinx Spartan3E的XC3S1OOE進行FPGA驗證，并利用0．35μm CMOS工藝進行系統的后端設計。實現了工作頻率120 MHz，功耗30 mW。
結果表明，設計的USB協議層模塊各功能達到了預期目標、整體性能良好。此IP core可以廣泛應用于各種USB設備接口、通信轉接器件，也可以集成在SOC中，作為系統芯片總線接口。文中設計的USB IP已成功地應用于兩款USB設備端的接口控制芯片(USB轉PS／2接口IC和USB集線器IC)，在實際應用中性能可靠、速度穩定，而且價格低廉。
發布者：小宇