MCU與USB設(shè)備控制器IP核的設(shè)計

　　1 引言

　　在傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)上常采用串口（如RS232）和并口連接外圍設(shè)備，但串口和并口都存在著通信速度 慢，接口獨占不利于擴展等無法克服的缺點，而通用串行總線（Universal Serial Bus，即USB）因具有傳輸 速度快、支持熱插拔、擴展方便、抗干擾強、成本低、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、節(jié)省系統(tǒng)資源等優(yōu)點而得到了廣 泛的應(yīng)用，當(dāng)前它已成為計算機最常用的接口之一。

　　現(xiàn)在USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機（MCU） 和純粹的USB接口芯片。純粹的USB接口芯片僅處 理USB通信，必須有個外部微處理器來進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。典型產(chǎn)品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C 接口）、PDIUSBD12（并行接口）；NS公司的USBN9603／9*（并行接口）。帶USB接口的單片機從應(yīng)用上又可以 分成兩類，一類是從底層設(shè)計專用于USB控制的單片機；另一類是增加了USB接口的普通單片機，如Cypress 公司的EZ—USB（基于8051），選擇這類USB控制器的最大好處在于開發(fā)者對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，開 發(fā)工具簡單，但價格比較高，不利于產(chǎn)品升級和改型。

　　然而，國內(nèi)產(chǎn)品中所用到的USB 芯片都依賴進口，主要由國外的IC 設(shè)計芯片廠商如Cypress，NEC 等 一些國際著名公司提供。鑒于USB 芯片有很好的市場前景和利潤空間，盡管國內(nèi)企業(yè)或研究機構(gòu)目前還只 是處于USB 芯片應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)水平，人們還是希望自主開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權(quán)的USB 芯片。因此，近 年來國內(nèi)也有許多單位在探索獨立設(shè)計USB 芯片。

　　本論文針對USB1.1 協(xié)議規(guī)范，本著自主開發(fā)USB 控制芯片，把MCU 和USB 設(shè)備控制器用軟核的形式集成在一塊芯片上，微控制器我們是用14 位指令字長度，且是單字節(jié)指令和單周期指令，其核心指令只有 39 條，容易掌握和設(shè)計，而且完全滿足總體設(shè)計的要求。

　　2 MCUUSB 設(shè)備控制器工作原理及總體設(shè)計

　　整個設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，差分信號線D+和D-連接主機，接收時主機發(fā)送的串行數(shù)據(jù)通過收 發(fā)器和USB 設(shè)備控制器解碼和校驗等處理后存儲到相應(yīng)的RAM 中；發(fā)送時由仲裁模塊控制從RAM 或 ROM 中提取相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過USB 設(shè)備控制器組合和收發(fā)器串行發(fā)送給主機。MCU 主要協(xié)助USB 控制器完 成設(shè)備和主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.1 MCU 的設(shè)計

　　MCU主要完成各種中斷處理，而且協(xié)助控制器使主機檢測和識別設(shè)備；設(shè)備剛插上PC時，MCU通過讀取 ROM中的指令來初始化專用功能寄存器，使能全局中斷GIE和USB中斷USBint，使控制器能及時響應(yīng)各種USB 中斷；全局中斷允許位GIE置位時，允許所有中斷；清零時，禁止所有中斷。當(dāng)一個中斷被響應(yīng)時，GIE 位被清零以禁止其它中斷，并裝載中斷服務(wù)程序，將中斷返回地址壓入堆棧。引起裝載中斷服務(wù)程序的中 斷標(biāo)志位在重新允許GIE之前通過軟件清零，以避免重復(fù)響應(yīng)中斷。在中斷服務(wù)程序中，通過檢測中斷標(biāo) 志位可以判斷中斷源，各中斷標(biāo)志位的置位不受GIE的影響；在設(shè)備與主機通信過程中，MCU處理setup包、 in包、out包、ack、nak、stall包等的中斷處理，我們規(guī)定了USB中斷、定時器中斷、外部中斷、GPIO中斷 的中斷入口地址分別為04H、08H、0CH、10H；MCU同時還對各功能寄存器進行相應(yīng)的操作，比如寫端點0的 輸入輸出包允許的最大值，數(shù)據(jù)的觸發(fā)位DSQ（即Data Toggle機制）等。

　　2.2 arbRAM、arbROM（仲裁模塊）的設(shè)計

　　在設(shè)計中含有兩種存儲器：程序存儲器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），這兩種存儲器都有自己的總線， 在一個時鐘周期內(nèi)，可以同時對兩種存儲器進行訪問。USB 和MCU 都可以訪問SRAM 和ROM，仲裁模塊就是 為兩者同時訪問時不起沖突而設(shè)置的；USB 訪問ROM 的地址空間100h-fffh（我們把設(shè)備的描述符存放在這 里），且USB 訪問僅取14 位寬的低8 位數(shù)據(jù)。當(dāng)USB 與MCU 同時訪問ROM 時，MCU 優(yōu)先。USB 與MCU 共享通 用寄存器（SRAM），當(dāng)USB 的請求訪問存儲器信號到來時， USB 訪問存儲器的地址信號的高三位不等于零 時屬于USB 訪問程序存儲器的地址空間。當(dāng)USB 與MCU 同時訪問通用寄存器（SRAM）時，MCU 具有優(yōu)先權(quán)。

　　2.3 USB 設(shè)備控制器的設(shè)計

　　USB 設(shè)備控制器是設(shè)計的重點部分，是本論文介紹的重點，總體的模塊劃分如圖2 所示；

　　2.3.1 收發(fā)器的設(shè)計

　　USB 收發(fā)器作為USB 接口的模擬前端主要把主機發(fā)送過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號VP、VM 傳到數(shù)字鎖相環(huán)或把協(xié)議引擎發(fā)送過來的VP0、VM0 數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并完成串并和并串的轉(zhuǎn)換；