USB IP核的設計和應用

接收部分：從同步域中恢復出12 MHz的時(shí)鐘信號，接收主機過(guò)來(lái)的比特流對其進(jìn)行不歸零碼(NRZI)解碼，剔除位填充然后進(jìn)行串并轉換，最后將轉換后的數據以字節的形式傳給協(xié)議層。接收部分還要能判斷出一個(gè)包的開(kāi)始，在USB傳輸過(guò)程中，是以包為單位的，因此接收部分首先要測包的開(kāi)始SOP(Start of Packet)，所有包都是從同步字段(SYNC)開(kāi)始的，同步字段是產(chǎn)生最大的邊緣轉換密度(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位是同步字段結束的標記，同時(shí)標志了包標識符(Pacekt Iden一tiler，PID)的開(kāi)始。只有當檢測到包SOP才開(kāi)始后面的NRZI解碼、去位填充和串并操作，否則就繼續處于等待階段。
在接收部分還需要有檢錯部分，在檢查到傳輸過(guò)來(lái)的數據有錯誤時(shí)，要進(jìn)行相應的錯誤處理。如在NRZI解碼后，在對數據進(jìn)行去位填充時(shí)發(fā)現了有連續7個(gè)“1”則可以認為數據在傳輸過(guò)程中出現了錯誤，數據包已經(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主機過(guò)來(lái)數據時(shí)，是不同的時(shí)鐘域，因此必須考慮到亞穩態(tài)問(wèn)題。在本設計中，由于只處理單個(gè)比特信號，因此用了兩級寄存器來(lái)消除亞穩態(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)行并串轉換，將字節形式轉換成比特流形式，接著(zhù)根據協(xié)議將數據進(jìn)行位填充和NRZI編碼，通過(guò)D+和D一信號傳送給USB主機。這個(gè)同步字段也是告訴USB主機有一個(gè)新數據包發(fā)送過(guò)來(lái)了，在發(fā)送部分還要產(chǎn)生包結束EOP(End of Packet)的信號。
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(guò)串口接口引擎模塊過(guò)來(lái)的數據進(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)送的數據，在協(xié)議引擎控制下進(jìn)行相應的打包，然后通過(guò)SIE模塊傳送給USB主機。
3．3．1 解包模塊
本模塊主要將接收到的信息包數據進(jìn)行解析，解析出包標識(PID)，端點(diǎn)地址和USB設備地址以及包含在包中的有效數據。在解包時(shí)，對令牌包進(jìn)行CRC5校驗，對數據包進(jìn)CRCl6檢驗，若出錯則進(jìn)行相應的出錯處理。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)解包數據流如圖3所示。

整個(gè)解包過(guò)程如下：首先判斷接收的包是什么包，若為T(mén)OKEN包(0UT或IN或SOF或SETUP或ACK或NAK或STALL或PRE)則轉入到TOKEN包的處理進(jìn)程，若為數據包(DATA0或DATAl)則轉入到DATA包的處理進(jìn)程。在TOKEN包或DATA包中若發(fā)現數據有
錯則丟棄此包并報錯。

3．3．2 打包模塊
根據PE送來(lái)的PID組織相應的信息包，把要發(fā)送的數據安排在相應的數據包，或者組織令牌包。發(fā)送令牌包時(shí)，不必產(chǎn)生CRC5校驗位。在發(fā)送數據包時(shí)，需要把有效數據的CRCl6校驗位放在末尾一起發(fā)送。這個(gè)模塊主要就是如何把協(xié)議層引擎模塊送過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行打包，打包的概念其實(shí)質(zhì)就是把要發(fā)送的數據根據其相應的信息安排相應的發(fā)送順序。同樣打包的過(guò)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)打包數據流如圖4所示。
3．3．3 協(xié)議層引擎模塊
在USB設備中，某一個(gè)時(shí)刻和主機通信的只能是一個(gè)端點(diǎn)，當前操作都基于這個(gè)端點(diǎn)地址。主機不能同時(shí)和幾個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行通信，端點(diǎn)的屬性在設備和主機剛開(kāi)始連接時(shí)進(jìn)行的枚舉過(guò)程中已經(jīng)確定，保存在各端點(diǎn)對應的寄存器中，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的端點(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，根據當前端點(diǎn)的配置或當前狀態(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)，確定當前傳輸事務(wù)要操作的端點(diǎn)地址，正確應答各種包和管理數據的發(fā)送和接收，同時(shí)實(shí)現USB協(xié)議中的錯誤恢復機制。
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)，用于存數據的緩沖區，為了提高數據存取的速度，本IP核的端點(diǎn)設計成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設備的狀態(tài)控制寄存器、設備地址寄存器、中斷屏蔽寄存器和中斷源寄存器等。為了增加靈活性，在設計時(shí)針對每一個(gè)端點(diǎn)分別設計了設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、緩沖區的指針寄存器。端點(diǎn)根據協(xié)議可以配置1到16個(gè)，在實(shí)際設計中根據本身系統需要可以對USB IP核配置端點(diǎn)數，增加了USB IP核端點(diǎn)可擴展性。
3．5 總線(xiàn)適配器模塊