USB IP核的設計和應用

摘要：由于USB接口廣泛應用，現在眾多SoC中都嵌入了USBIP核。但當前市場(chǎng)上的USB IP核一般僅僅針對某一種總線(xiàn)結構的SoC，可重用性不強。介紹了一款可配置的USB IP核設計，重點(diǎn)描述USB IP核的結構劃分，詳細闡述了各模塊的設計思想。為了提高USB lP的可重用性，本USB IP核設計了總線(xiàn)適配器，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單配置可以用于A(yíng)MBA ASB總線(xiàn)或WishBone總線(xiàn)結構的SoC中。此IP核進(jìn)行了FPGA驗證，驗證結果表明他可作為一個(gè)獨立的模塊嵌入到SoC系統中。
關(guān)鍵詞：通用串行總線(xiàn)；IP核；SoC；總線(xiàn)適配器

1 引 言
USB(Universal Serial Bus)具有以下特點(diǎn)：即插即用、廣泛的軟硬件支持、低功耗、可選擇的多種速度模式、完備的總線(xiàn)拓撲結構。隨著(zhù)半導體工藝技術(shù)的發(fā)展，集成電路設計者能夠將愈來(lái)愈復雜的功能集成到單硅片上。SoC是將系統集成在一塊芯片上，包括微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)等。SoC的一項關(guān)鍵技術(shù)即為IP(Intellectual Property)復用技術(shù)。IP核是指在電子設計中預先開(kāi)發(fā)的用于系統芯片設計的可復用構件，系統設計者在進(jìn)行一個(gè)復雜設計時(shí)將眾多IP核在一個(gè)芯片上有效集成，從而構成一個(gè)功能強大的系統。IP技術(shù)在SoC的開(kāi)發(fā)中可以充分利用已有的開(kāi)發(fā)成果，從而縮短系統芯片的設計周期，提高效率。
在設計IP核時(shí)應注意其可重用性，為了增強IP核的可能重用性，使IP核能更好地適應不同總線(xiàn)結構的SoC平臺，可以為IP核設計一個(gè)總線(xiàn)接口模塊。該模塊主要完成片上總線(xiàn)的協(xié)議轉換和實(shí)現，稱(chēng)之為總線(xiàn)適配器(BusAdapter)。其特點(diǎn)為：IP核與外部的片上總線(xiàn)標準無(wú)關(guān)，其邏輯相對固定，只需對相應的總線(xiàn)適配器進(jìn)行配置就能夠有效地集成于不同片上總線(xiàn)的SoC平臺。當前SoC中常用的總線(xiàn)協(xié)議有三種分別是：ARM公司的AMBA、Silicore公司的WISHBONE SoC Interconnection Archi―tecture和Ahera的Avalon總線(xiàn)。
本文實(shí)現的USB IP核中，設計了總線(xiàn)適配器，在綜合前針對WishBone總線(xiàn)或AMBA ASB總線(xiàn)通過(guò)宏定義進(jìn)行設置，從而使USB IP核能夠直接集成于WishBone或AMBA ASB總線(xiàn)的SoC系統中。

2 USB系統組成部分
系統主要分為三個(gè)部分：主機、設備和互連。在任何的系統中，只有一個(gè)主機，與主機系統的接口稱(chēng)作主機控制器。他可由硬件、固件和軟件綜合實(shí)現。設備可以分為功能性設備即外設和集線(xiàn)器，前者作為系統的功能擴展設備而后者作為設備的擴展連接點(diǎn)?；ミB定義了主機和外設的連接和通信方式。包括總線(xiàn)拓撲結構、內部分層關(guān)系、數據傳輸模型和總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)控制等幾個(gè)部分。一個(gè)簡(jiǎn)單的系統可以由一臺主機和一個(gè)外設構成。

3 USB的模塊設計
3．1 模塊劃分
USB IP核主要是實(shí)現了USBl．1協(xié)議，在對整個(gè)協(xié)議分析的基礎上，整個(gè)IP核共分成五大模塊：串行接口引擎模塊、協(xié)議層模塊、端點(diǎn)控制模塊、端點(diǎn)存儲模塊和總線(xiàn)適配器模塊。串行接口引擎主要是支持最底層的USB協(xié)議，由于USB協(xié)議中為了增加抗干擾對比特流進(jìn)行了“不歸零碼(Non Return to Zero Invert)”的編解碼，同時(shí)為了可以從比特流中提取同步信號用了“位填充”和“位剔去”。串行接口主要完成比特流方面的處理。協(xié)議層模塊則主要是完成解包和打包。在USB協(xié)議中，數據緩沖區用了端點(diǎn)(Endpoint)這個(gè)概念，不同的緩沖區用了不同的端點(diǎn)號來(lái)區分，端點(diǎn)存儲模塊就是相應的數據緩沖區。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，對端點(diǎn)進(jìn)行相應的控制?？偩€(xiàn)適配器模塊主要是在不同總線(xiàn)結構的SoC中，對USB IP核總線(xiàn)接口進(jìn)行相應的配置，從而可以進(jìn)行無(wú)縫連接到相應的SoC中。USB IP核模塊劃分如圖1所示。

3．2 串口接口引擎
串口接口引擎主要是完成USB協(xié)議中比特流的處理。根據數據的傳輸方向可分為發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分即為USB設備給USB主機發(fā)送數據，接收部分則為USB設備從USB主機那里接收數據。如圖2所示。