基于USB設備控制器的端點緩沖區(qū)的優(yōu)化設計

這里首先簡要介紹USB中端點的概念，并給出一款異步FIFO的設計方案。然后根據(jù)USB四種傳輸類型的特點，提出基于該FIFO結構的不同類型的端點緩沖區(qū)的設計方案。特別是對于控制端點提出了一種新型的雙向異步FIFO結構，在保證控制傳輸?shù)那疤嵯?，減小了將近1／2的電路面積。最后給出在Synopsys平臺下電路的VLSL實現(xiàn)結果。

USB 2.0規(guī)范將USB接口的傳輸速度提高了40倍。傳輸速度的提升使得USB設備控制器的設計指標也隨之提高，雖然協(xié)議中對于緩沖區(qū)的設計要求并沒有本質上的改變，但是由于總線帶寬與傳輸速度的提高，各個芯片供應商均推出了自己的緩沖區(qū)設計方案。為了提高USB接口的數(shù)據(jù)存取速度，通常使用異步FIFO來設計端點緩沖區(qū)。

1 USB協(xié)議中的端點及實施方案

1.1 USB設備的端點

USB主機和設備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是以信息包的格式來傳輸?shù)?，可分為令牌包、?shù)據(jù)包、握手包和特殊包。在數(shù)據(jù)包中包括了主機和設備通信的數(shù)據(jù)分組。圖1是一個典型的USB數(shù)據(jù)包的格式。



PID域是為了增加USB通信的健壯性而設定的數(shù)據(jù)分組的辨識符；CRC16域是對數(shù)據(jù)分組進行CRC校驗的結果。DATA域是實際傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。USB設備控制器會將接收到的主機數(shù)據(jù)包放入指定的端點緩沖區(qū)；或者從指定的端點取出待發(fā)送的數(shù)據(jù)組裝成USB信息包發(fā)送到主機。

由此可見，所謂端點實際上是主機與設備之間通信的來源或目的，所有的傳輸都要傳送到設備的端點，或是由設備的端點發(fā)出。一系列相互獨立的端點在一起就構成了USB邏輯設備。從物理層的角度來看，端點是一塊存儲器區(qū)域，用以緩沖實際接收到或待發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

USB協(xié)議中定義了四種傳輸類型，分別是控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。所有USB設備控制器都應該支持控制傳輸，其他三種傳輸方式根據(jù)不同的應用背影而用于不同類型的設備。按照傳輸類型可將端點分為控制端點、批量端點、中斷端點和同步端點。其中控制端點較為特殊，只有它可以雙向的傳輸數(shù)據(jù)，而其他端點只能傳輸單方向的數(shù)據(jù)。

1.2使用異步FIFO設計USB端點

由于USB設備控制器的緩沖區(qū)空間是對應各個不同的端點。每個端點所對應的傳輸方式、傳輸方向也不同。通?？刂贫它c會連接控制器的MCU單元，而其他類型的端點一般連接設備端的接口?？梢奤SB的端點緩沖區(qū)實際上是在串行接口引擎時鐘和設備時鐘或MCU時鐘的兩個時鐘域之間傳輸數(shù)據(jù)。而使用異步FIFO來實現(xiàn)該結構顯然是一個不錯的選擇。

圖2是本文所采用的異步FIFO的結構框圖。該異步FIFO由一塊雙端口SRAM、寫地址／滿邏輯和讀地址／空邏輯、以及為了消除亞穩(wěn)態(tài)的兩級同步電路組成。左端口在寫時鐘下進行數(shù)據(jù)的寫入操作；右端口在讀時鐘下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出操作。



對于異步FIFO的設計，產(chǎn)生準確的空滿標準是設計中的核心任務，它與FIFO是否能穩(wěn)定工作息息相關。寫滿不溢出，讀空不多讀是異步FIFO空滿標志判斷的基本原則。傳統(tǒng)的判斷方法是另外設置一個狀態(tài)位，作為最高位，其余位作為地址位，當讀寫指針的地址位和狀態(tài)位全部吻合時，F(xiàn)IFO處于空狀態(tài)；當讀寫指針的地址位相同而狀態(tài)位相反，F(xiàn)IFO處于滿狀態(tài)。這種異步FIFO由于是通過直接比較二進制讀寫指針來判斷滿和空的，在跨時鐘傳遞時會有毛刺產(chǎn)生。下面將介紹一種通過直接比較格雷碼指針的方法生成FIFO的空滿信號，從而消除了毛刺，提高了電路的穩(wěn)定性。

比如要設計一個深度為8的異步FIFO，需要使用3 b的格雷碼計數(shù)器對讀寫指針計數(shù)，與二進制類似，還是需要使用一個狀態(tài)位來判斷滿和空狀態(tài)。此時FIFO的格雷碼指針跳變情況如表1所示。



觀察表1可知，當讀指針為4’b0011時(二進制為4’b0010)，此時比他多一個周期所對應的格雷碼為4’b1111(二進制為4’b1010)。兩者的高二位恰好相反，但低位完全相同。對比表1左右兩列可知當讀寫指針相差一個周期即FIFO滿時對應的格雷碼指針的最高兩位相反，而低位則完全相同；當兩者完全相等時對應為FIFO的空狀態(tài)。圖3給出的是在設計的FIFO的深度為8時，在Modelsim中的仿真波形。由圖3可知，當FIFO從空到滿時，對應的格雷碼寫指針為4’b1100，而同步后的讀指針為4’b0000；當從滿被讀空時，讀指針為4’b1100；由此可見仿真的FIFO的空滿信號與設計一致。

2 基于FIFO結構的優(yōu)化端點設計方案

2.1基于新型FIFO結構設計控制端點

上文已經(jīng)論述過控制端點是一個雙向傳輸?shù)亩它c，但是在同一時刻只能是單向的數(shù)據(jù)傳輸。該端點主要是用于USB設備的枚舉過程，主機發(fā)送一個信息包，設備負責回應一個信息包。對于該端點的設計現(xiàn)有的方案都是采用雙FIFO來實現(xiàn)雙向傳輸?shù)?。一個FIFO用以接收主機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包；另外一個FIFO用以向主機發(fā)送數(shù)據(jù)包。在傳輸數(shù)據(jù)包時總有一個FIFO處于空閑狀態(tài)，這樣會造成存儲器資源的浪費。為此，本文提出一種新型的異步FIFO結構，該結構使用一塊雙端口SRAM來實現(xiàn)控制端點的單工雙向傳輸，而傳統(tǒng)的雙FIFO結構需要兩塊SRAM用來實現(xiàn)雙向傳輸。由于SRAM占據(jù)了FIFO的大部分面積，在實現(xiàn)控制傳輸?shù)墓δ芟律儆昧艘粔KSRAM，可以預見最終的電路實現(xiàn)面積會減小將近1／2。

圖4是本文所設計的新型異步FIFO結構，該FIFO的實現(xiàn)是基于一塊雙端SRAM。在上文所提到的異步FIFO結構的基礎上增加一套讀寫指針邏輯和滿空判斷標志。這個電路可以看作是原來電路模塊的復制，即兩者設計完全一致。這兩個新增的指針模塊用以產(chǎn)生訪問SRAM的地址和用以產(chǎn)生滿和空的格雷碼指針。這樣在同一方向對于SRAM的訪問就會有兩個地址，其中一個是讀地址，另一個是寫地址。這樣需要設計一個選擇器，用以選擇當前訪問SRAM的是讀地址或寫地址。這個選擇器的選擇端可以根據(jù)不同方向的讀寫使能信號來切換。這是由于在同一時刻不可能出現(xiàn)一個方向的讀／寫使能均有效的現(xiàn)象。

對于圖4的數(shù)據(jù)路徑可簡介如下，方向0在其寫使能信號的控制下，往FIFO內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，寫滿之后方向1控制其讀使能將方向0寫入的數(shù)據(jù)讀出來。然后方向1控制其寫使能將數(shù)據(jù)寫入雙端口SRAM，方向0負責把SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出。