USB設備控制器端點緩沖區(qū)的優(yōu)化設計

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

　　PID域是為了增加USB通信的健壯性而設定的數(shù)據分組的辨識符；CRC16域是對數(shù)據分組進行CRC校驗的結果。DATA域是實際傳送的數(shù)據內容。USB設備控制器會將接收到的主機數(shù)據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，而其他端點只能傳輸單方向的數(shù)據。

　　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。通常控制端點會連接控制器的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。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)據的寫入操作；右端口在讀時鐘下實現(xiàn)數(shù)據的讀出操作。

　　對于異步FIFO的設計，產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)據包；另外一個FIFO用以向主機發(fā)送數(shù)據包。在傳輸數(shù)據包時總有一個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生訪問SRAM的地址和用以產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)據路徑可簡介如下，方向0在其寫使能信號的控制下，往FIFO內寫入數(shù)據，寫滿之后方向1控制其讀使能將方向0寫入的數(shù)據讀出來。然后方向1控制其寫使能將數(shù)據寫入雙端口SRAM，方向0負責把SRAM內的數(shù)據讀出。

　　對于USB的控制端點，其接收的最大數(shù)據包為64 b。故本文設計的雙向FIFO使用的sram亦為64 b。使用memory complier生成。圖5是設計的雙向FIFO在Modelsim下的仿真波形圖。該波形顯示了方向0寫數(shù)據，方向1讀數(shù)據和方向1寫數(shù)據，方向0讀數(shù)據的過程。

　　2.2 其他端點的優(yōu)化設計

　　對于USB設備控制器的其他端點，由于其與控制端點有所不同?？刂贫它c是一個雙向端點，而非控制端點單向的傳輸。故對于非控制端點對應的緩沖區(qū)的容量設定，應使USB的帶寬利用率盡量達到最高。由于USB規(guī)范中規(guī)定緩沖區(qū)必須有足夠的空間，可以為全(高)速設備容納一個時間片所能傳輸?shù)臄?shù)據量的兩倍的容量。這樣USB在處理一個數(shù)據分組的同時，可以接收下一個數(shù)據分組。以此種重疊技術可以提高總線利用率。如果批量端點的緩沖區(qū)的深度設計為1 024 B。就可以得到最大的帶寬利用率。

　　圖6是其他端點所采用的雙緩沖FIFO方案示意圖。在狀態(tài)1，req0控制訪問FIFO0，reql控制訪問FIFO1；在狀態(tài)2，req0切換到訪問FIFO1，req1切換到訪問FIFO0?；陔p緩沖FIFO的設計方案可使其他端點的帶寬利用率達到最高，滿足高速傳輸?shù)男枨蟆?BR>

　　3 電路的ASIC實現(xiàn)結果

　　對上述設計方案采用Verilog硬件描述語言進行設計。仿真工具為Modelsim SE 6.2b，前仿真通過后，對設計好的電路使用Design Complier進行綜合。綜合所使用的工藝庫是SMIC 0.18 μm工藝庫。

　　對于控制端點，考慮到其主要處在SIE時鐘和MCU時鐘之間，對其所加的時鐘約束分別為60 MHz和30 MHz；此外還對傳統(tǒng)的雙緩沖FIFO結構進行了綜合，兩者所加約束完全一致。將兩者的電路的綜合結果對比如表2所示。

　　對比表2可知在保證控制端點功能的前提下，本文所采用的新型FIFO結構比傳統(tǒng)雙FIFO結構在電路的實現(xiàn)面積方面減小了45.3％。

　　對于其他端點所采用的雙緩沖FIFO方案保證了傳輸速度，但卻是以犧牲面積為代價換來的。表3給出了批量(Bulk)傳輸端點(兩個深度為512 B的FIFO)的實現(xiàn)面積報告。

　　4 結 語

　　USB設備控制器端點緩沖區(qū)的性能，直接關系到總線的帶寬利用率。這里分析了USB的四種傳輸類型并根據其特點靈活的設計了不同的方案，并給出了最終電路的ASIC實現(xiàn)結果。特別是針對控制端點所提出的一種新方案具有一定的通用性，該方案可以應用在其他類似場合的設計中。