USB IP核的設(shè)計和應(yīng)用

接收部分：從同步域中恢復出12 MHz的時鐘信號，接收主機過來的比特流對其進行不歸零碼(NRZI)解碼，剔除位填充然后進行串并轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以字節(jié)的形式傳給協(xié)議層。接收部分還要能判斷出一個包的開始，在USB傳輸過程中，是以包為單位的，因此接收部分首先要測包的開始SOP(Start of Packet)，所有包都是從同步字段(SYNC)開始的，同步字段是產(chǎn)生最大的邊緣轉(zhuǎn)換密度(Endge Transition Density)的編碼序例。以NR―ZI編碼的二進制串“KJKJKJKK”同步字段最后2位是同步字段結(jié)束的標記，同時標志了包標識符(Pacekt Iden一tiler，PID)的開始。只有當檢測到包SOP才開始后面的NRZI解碼、去位填充和串并操作，否則就繼續(xù)處于等待階段。
在接收部分還需要有檢錯部分，在檢查到傳輸過來的數(shù)據(jù)有錯誤時，要進行相應(yīng)的錯誤處理。如在NRZI解碼后，在對數(shù)據(jù)進行去位填充時發(fā)現(xiàn)了有連續(xù)7個“1”則可以認為數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)了錯誤，數(shù)據(jù)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主機過來數(shù)據(jù)時，是不同的時鐘域，因此必須考慮到亞穩(wěn)態(tài)問題。在本設(shè)計中，由于只處理單個比特信號，因此用了兩級寄存器來消除亞穩(wěn)態(tài)。
發(fā)送部分：將協(xié)議層打包好的加上同步字段，然后進行并串轉(zhuǎn)換，將字節(jié)形式轉(zhuǎn)換成比特流形式，接著根據(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)進行位填充和NRZI編碼，通過D+和D一信號傳送給USB主機。這個同步字段也是告訴USB主機有一個新數(shù)據(jù)包發(fā)送過來了，在發(fā)送部分還要產(chǎn)生包結(jié)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)過串口接口引擎模塊過來的數(shù)據(jù)進行解包，剔除USB協(xié)議中的信息。同時將端點中要發(fā)送的數(shù)據(jù)，在協(xié)議引擎控制下進行相應(yīng)的打包，然后通過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(shù)據(jù)進行解析，解析出包標識(PID)，端點地址和USB設(shè)備地址以及包含在包中的有效數(shù)據(jù)。在解包時，對令牌包進行CRC5校驗，對數(shù)據(jù)包進CRCl6檢驗，若出錯則進行相應(yīng)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。整個解包數(shù)據(jù)流如圖3所示。

整個解包過程如下：首先判斷接收的包是什么包，若為TOKEN包(0UT或IN或SOF或SETUP或ACK或NAK或STALL或PRE)則轉(zhuǎn)入到TOKEN包的處理進程，若為數(shù)據(jù)包(DATA0或DATAl)則轉(zhuǎn)入到DATA包的處理進程。在TOKEN包或DATA包中若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有
錯則丟棄此包并報錯。

3．3．2 打包模塊
根據(jù)PE送來的PID組織相應(yīng)的信息包，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)安排在相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，或者組織令牌包。發(fā)送令牌包時，不必產(chǎn)生CRC5校驗位。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，需要把有效數(shù)據(jù)的CRCl6校驗位放在末尾一起發(fā)送。這個模塊主要就是如何把協(xié)議層引擎模塊送過來的數(shù)據(jù)進行打包，打包的概念其實質(zhì)就是把要發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)其相應(yīng)的信息安排相應(yīng)的發(fā)送順序。同樣打包的過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。整個打包數(shù)據(jù)流如圖4所示。
3．3．3 協(xié)議層引擎模塊
在USB設(shè)備中，某一個時刻和主機通信的只能是一個端點，當前操作都基于這個端點地址。主機不能同時和幾個端點進行通信，端點的屬性在設(shè)備和主機剛開始連接時進行的枚舉過程中已經(jīng)確定，保存在各端點對應(yīng)的寄存器中，比如是IN還是OUT端點，是支持控制傳輸、批量傳輸還是中斷傳輸?shù)亩它c等。協(xié)議引擎模塊是整個協(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(jù)當前端點的配置或當前狀態(tài)處理傳輸事務(wù)，并在傳輸事務(wù)中實時更新控制與狀態(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)要操作的端點地址，正確應(yīng)答各種包和管理數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，同時實現(xiàn)USB協(xié)議中的錯誤恢復機制。
3．4 端點控制模塊和端點模塊
端點模塊：端點其實就是USB進行通信時，用于存數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，為了提高數(shù)據(jù)存取的速度，本IP核的端點設(shè)計成FIFO。端點控制模塊：主要是端點控制寄存器和端點狀態(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(shè)備的狀態(tài)控制寄存器、設(shè)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(shè)計時針對每一個端點分別設(shè)計了設(shè)置和功能相同但地址不同的寄存器，包括端點的控制狀態(tài)寄存器、中斷源寄存器、中斷屏蔽寄存器、緩沖區(qū)的指針寄存器。端點根據(jù)協(xié)議可以配置1到16個，在實際設(shè)計中根據(jù)本身系統(tǒng)需要可以對USB IP核配置端點數(shù)，增加了USB IP核端點可擴展性。
3．5 總線適配器模塊