USB OTG的IP Core設計與FPGA驗證
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繼USB協(xié)議公布后，USB憑借其占用系統資源少、廉價(jià)、通用、可熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，成為通用的串行接口總線(xiàn)。當前，絕大部分計算機外圍設備(如打印機、MP3、移動(dòng)硬盤(pán)等)均采用USB接口。但隨著(zhù)USB接口應用的普及，基于USBl．x和USB2．O規范的USB接口逐漸暴露其缺點(diǎn)。由于USB總線(xiàn)是主從式結構，且設備的主從特性在設備設計時(shí)就已經(jīng)固定，這樣就很不利于設備間點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸。這種以計算機為核心的數據傳輸結構，非常不利于USB總線(xiàn)在嵌入式行業(yè)的應用，因為這些設備一般都要求具有與計算機通信的USB設備功能，同時(shí)也要求具有連接其他USB設備的主機功能。為了解決這一問(wèn)題，USB OTG規范作為USB2．O規范的補充出臺了。本文介紹一款USB OTG IP核的設計與實(shí)現，該設備控制器可作為IP核用于SoC系統中，完成與主機控制器的通信，并能與普通的USB從設備進(jìn)行通信。
1 USB OTG的工作原理
OTGl．Oa補充規范對USB2．O進(jìn)行的最重要擴展是其更具節能性、電源管理，并允許設備以主機和外設2種形式工作。OTG有兩種設備類(lèi)型：兩用OTG設備(dual―role 0TG device)和外設式OTG設備(peripher一al_only 0TG device)。兩用0TG設備完全符合USB2．O規范，同時(shí)提供有限的主機能力和一個(gè)Mini―AB插座，支持主機流通協(xié)議(IIost Negotiation Protocol，HNP)”。，且同外設式OTG設備一樣支持事務(wù)請求協(xié)議(SessionRequest Protocol，SRP)。當作為主機工作時(shí)，兩用0TG設備可在總線(xiàn)上提供8 mA的電流，而以往標準主機則需要提供100～500 mA的電流。2個(gè)兩用OTG設備連接在一起時(shí)可交替以主機和從機的方式工作，這個(gè)特點(diǎn)兼容了現有USB規范主機／外設的結構模型。OTG主機負責初始化數據通信，比如總線(xiàn)復位、獲取各種USB描述符和配置設備。這些配置完成后，2個(gè)OTG設備便可分別以主機和從機方式傳輸信息，2個(gè)設備主從角色交換的過(guò)程由主機流通協(xié)議定義。
2 IP設計原理和IP模塊設計
USB 0TG控制器芯片按結構分類(lèi)，通常分為以下2種：
①專(zhuān)為USB OTG設計的芯片。這類(lèi)芯片集成了微控制器，是完全按照協(xié)議設計的，而不是在舊的結構上增加功能。其結構不同于其他常用控制芯片，開(kāi)發(fā)者需要較長(cháng)的學(xué)習時(shí)間，但是它能夠達到最優(yōu)化。
②需要外部微處理器的接口芯片。有些USB控制器只處理USB通信，而且必須由外部微處理器來(lái)控制。這種實(shí)現接口的標準組件使得使用者可以在各種不同類(lèi)型的微控制器中選擇一種最適合的微控制器，通過(guò)使用已有的結構和減少固件上的投資來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險和費用。但由于外接一個(gè)處理器，增加了電路的復雜性。
本文設計的USB OTG IP核采用第2種方式，所采用的處理器是Nios。根據對USB OTG規范的理解，USB0TG控制器應該具有以下的功能：HNP和SRP協(xié)議的實(shí)現，主機工作模式和設備工作模式。系統結構框圖如圖1所示。
UTMI+接口需要外接一個(gè)符合USB 2．0 UTMI+協(xié)議的收發(fā)器。該芯片用作USB2．O接口的模擬前端，處理由USB2．O接口發(fā)出的高速和模擬信號，對其發(fā)出的用NRZI方式編碼的數據進(jìn)行解碼、位填充等，并將串行數據轉換成并行數據；反之，該芯片對由本控制器發(fā)出的并行數據通過(guò)其內部的差分驅動(dòng)電路進(jìn)行串行化、位填充和NRZI編碼，并輸出到USB電纜上。該接口模塊主要用于緩存發(fā)送和接收的數據，確保與外圍收發(fā)芯片的無(wú)縫結合，以及掛起、恢復和復位的檢測。
OTG控制器實(shí)現USB OTG補充協(xié)議的功能。該模塊主要負責HNP、SRP的硬件實(shí)現，以及連接狀態(tài)的檢測。
主機控制器實(shí)現IP核工作在主機模式的功能。該模塊主要產(chǎn)生掛起、恢復、復位信號，主動(dòng)發(fā)送get_descip―tor、set_address、set_configuration等標準請求，并把請求變成對應的USB數據包格式(比如TOKEN包加入PID、地址、端點(diǎn)和5位的CRC校驗碼等)；隔固定的時(shí)間向從設備發(fā)送SOF標志，并根據配置的結果產(chǎn)生對應的主機中斷。
設備控制器實(shí)現IP核工作在設備模式的功能。該模塊主要負責接收標準的USB請求，比如接收SOF標志、IN標志、OUT標志等，并根據這些請求作出正確的響應以及檢測復位、掛起信號。
控制狀態(tài)寄存器完成對IP核控制器內部狀態(tài)的設置。它分成2種類(lèi)型：一種是基本的控制狀態(tài)寄存器，比如控制狀態(tài)寄存器(指定USB的速率模式、掛起模式、連接狀態(tài)、主從模式)，設備地址寄存器(存放主機分配給USB設備的地址)，中斷屏蔽寄存器(使能對應中斷)和中斷源寄存器(Nios控制器通過(guò)讀此寄存器來(lái)判斷中斷類(lèi)型)；另一種是端點(diǎn)寄存器控制狀態(tài)寄存器，如中斷源寄存器、中斷屏蔽寄存器、緩沖區的指針寄存器和大小寄存器，模塊中實(shí)現時(shí)根據輸入的地址和讀寫(xiě)信號來(lái)對某一個(gè)寄存器進(jìn)行相應的讀寫(xiě)操作。
存儲器接口實(shí)現IP核內部數據與Nios控制器數據的之間的仲裁。當Nios控制器和IP核內部同時(shí)對外部存儲器SRAM進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，必須對它們進(jìn)行數據的仲裁。默認的優(yōu)先級為IP核內部數據優(yōu)先級高于Nios控制器的數據優(yōu)先級。
Nios控制器接口實(shí)現USB IP核與外部微控制器(Nios)的數據通信。該接口符合Avalon總線(xiàn)規范，通過(guò)輸入地址的最高位來(lái)判斷Nios是對內部寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)還是對SRAM存儲器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并完成地址、數據和相關(guān)信號的處理。
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