USB OTG的IP Core設(shè)計(jì)與FPGA驗(yàn)證
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繼USB協(xié)議公布后，USB憑借其占用系統(tǒng)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。當(dāng)前，絕大部分計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備(如打印機(jī)、MP3、移動(dòng)硬盤等)均采用USB接口。但隨著USB接口應(yīng)用的普及，基于USBl．x和USB2．O規(guī)范的USB接口逐漸暴露其缺點(diǎn)。由于USB總線是主從式結(jié)構(gòu)，且設(shè)備的主從特性在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)固定，這樣就很不利于設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。這種以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，非常不利于USB總線在嵌入式行業(yè)的應(yīng)用，因?yàn)檫@些設(shè)備一般都要求具有與計(jì)算機(jī)通信的USB設(shè)備功能，同時(shí)也要求具有連接其他USB設(shè)備的主機(jī)功能。為了解決這一問(wèn)題，USB OTG規(guī)范作為USB2．O規(guī)范的補(bǔ)充出臺(tái)了。本文介紹一款USB OTG IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備控制器可作為IP核用于SoC系統(tǒng)中，完成與主機(jī)控制器的通信，并能與普通的USB從設(shè)備進(jìn)行通信。
1 USB OTG的工作原理
OTGl．Oa補(bǔ)充規(guī)范對(duì)USB2．O進(jìn)行的最重要擴(kuò)展是其更具節(jié)能性、電源管理，并允許設(shè)備以主機(jī)和外設(shè)2種形式工作。OTG有兩種設(shè)備類型：兩用OTG設(shè)備(dual―role 0TG device)和外設(shè)式OTG設(shè)備(peripher一al_only 0TG device)。兩用0TG設(shè)備完全符合USB2．O規(guī)范，同時(shí)提供有限的主機(jī)能力和一個(gè)Mini―AB插座，支持主機(jī)流通協(xié)議(IIost Negotiation Protocol，HNP)”。，且同外設(shè)式OTG設(shè)備一樣支持事務(wù)請(qǐng)求協(xié)議(SessionRequest Protocol，SRP)。當(dāng)作為主機(jī)工作時(shí)，兩用0TG設(shè)備可在總線上提供8 mA的電流，而以往標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)則需要提供100～500 mA的電流。2個(gè)兩用OTG設(shè)備連接在一起時(shí)可交替以主機(jī)和從機(jī)的方式工作，這個(gè)特點(diǎn)兼容了現(xiàn)有USB規(guī)范主機(jī)／外設(shè)的結(jié)構(gòu)模型。OTG主機(jī)負(fù)責(zé)初始化數(shù)據(jù)通信，比如總線復(fù)位、獲取各種USB描述符和配置設(shè)備。這些配置完成后，2個(gè)OTG設(shè)備便可分別以主機(jī)和從機(jī)方式傳輸信息，2個(gè)設(shè)備主從角色交換的過(guò)程由主機(jī)流通協(xié)議定義。
2 IP設(shè)計(jì)原理和IP模塊設(shè)計(jì)
USB 0TG控制器芯片按結(jié)構(gòu)分類，通常分為以下2種：
①專為USB OTG設(shè)計(jì)的芯片。這類芯片集成了微控制器，是完全按照協(xié)議設(shè)計(jì)的，而不是在舊的結(jié)構(gòu)上增加功能。其結(jié)構(gòu)不同于其他常用控制芯片，開(kāi)發(fā)者需要較長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間，但是它能夠達(dá)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(xiàn)接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得使用者可以在各種不同類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(jié)構(gòu)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(xiǎn)和費(fèi)用。但由于外接一個(gè)處理器，增加了電路的復(fù)雜性。
本文設(shè)計(jì)的USB OTG IP核采用第2種方式，所采用的處理器是Nios。根據(jù)對(duì)USB OTG規(guī)范的理解，USB0TG控制器應(yīng)該具有以下的功能：HNP和SRP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，主機(jī)工作模式和設(shè)備工作模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)，對(duì)其發(fā)出的用NRZI方式編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、位填充等，并將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)；反之，該芯片對(duì)由本控制器發(fā)出的并行數(shù)據(jù)通過(guò)其內(nèi)部的差分驅(qū)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(shù)據(jù)，確保與外圍收發(fā)芯片的無(wú)縫結(jié)合，以及掛起、恢復(fù)和復(fù)位的檢測(cè)。
OTG控制器實(shí)現(xiàn)USB OTG補(bǔ)充協(xié)議的功能。該模塊主要負(fù)責(zé)HNP、SRP的硬件實(shí)現(xiàn)，以及連接狀態(tài)的檢測(cè)。
主機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)IP核工作在主機(jī)模式的功能。該模塊主要產(chǎn)生掛起、恢復(fù)、復(fù)位信號(hào)，主動(dòng)發(fā)送get_descip―tor、set_address、set_configuration等標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，并把請(qǐng)求變成對(duì)應(yīng)的USB數(shù)據(jù)包格式(比如TOKEN包加入PID、地址、端點(diǎn)和5位的CRC校驗(yàn)碼等)；隔固定的時(shí)間向從設(shè)備發(fā)送SOF標(biāo)志，并根據(jù)配置的結(jié)果產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的主機(jī)中斷。
設(shè)備控制器實(shí)現(xiàn)IP核工作在設(shè)備模式的功能。該模塊主要負(fù)責(zé)接收標(biāo)準(zhǔn)的USB請(qǐng)求，比如接收SOF標(biāo)志、IN標(biāo)志、OUT標(biāo)志等，并根據(jù)這些請(qǐng)求作出正確的響應(yīng)以及檢測(cè)復(fù)位、掛起信號(hào)。
控制狀態(tài)寄存器完成對(duì)IP核控制器內(nèi)部狀態(tài)的設(shè)置。它分成2種類型：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(shè)備地址寄存器(存放主機(jī)分配給USB設(shè)備的地址)，中斷屏蔽寄存器(使能對(duì)應(yīng)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(qū)的指針寄存器和大小寄存器，模塊中實(shí)現(xiàn)時(shí)根據(jù)輸入的地址和讀寫信號(hào)來(lái)對(duì)某一個(gè)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。
存儲(chǔ)器接口實(shí)現(xiàn)IP核內(nèi)部數(shù)據(jù)與Nios控制器數(shù)據(jù)的之間的仲裁。當(dāng)Nios控制器和IP核內(nèi)部同時(shí)對(duì)外部存儲(chǔ)器SRAM進(jìn)行讀寫訪問(wèn)時(shí)，必須對(duì)它們進(jìn)行數(shù)據(jù)的仲裁。默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)為IP核內(nèi)部數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)高于Nios控制器的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)。
Nios控制器接口實(shí)現(xiàn)USB IP核與外部微控制器(Nios)的數(shù)據(jù)通信。該接口符合Avalon總線規(guī)范，通過(guò)輸入地址的最高位來(lái)判斷Nios是對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行訪問(wèn)還是對(duì)SRAM存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)，并完成地址、數(shù)據(jù)和相關(guān)信號(hào)的處理。
評(píng)論