（微电子学与固体电子学专业论文）usb设备ip核设计soc嵌入.pdf

摘要 本论文主要设计了 u s b设备引擎和基于该引擎的嵌入解决方案。论文根据 u s b 2 . 0 规范的系统架构和通信协议提出一个适用于u s b 设备端的u s b 通信流模型。 根据该模型设计了u s b 引擎电路，主要包括u t m 和 s i e 两个方面。论文还提出了两 种嵌入解决方案，一种方案是u s b 引擎结合专用控制器实现u s b 设备，并设计了相 应的专用控制器:另一种方案则是u s b 引擎嵌入基于通用控制器的s o c 平台，编写 了专用的嵌入软件( 包括u s b 引擎驱动程序和设备功能软件) 。 最后， 设计开发了u s b 引擎实现u s b 设备的软、 硬件验证环境， 通过了验证并成功获得了通信的总线样本。 关键词:u s b引擎、u s b u t m , u s b s 工 e 、专用控制器、u s b引擎驱动程序、设备功 能软件、 s o c abs tract a u n i v e r s a l s e r i a l b u s ( u s b ) e n g i n e a n d it s p e r ip h e r a l e q u ip m e n t s o l u t i o n s in u s b 2 .0 s y s t e m a r e p r e s e n t e d i n t h i s p 叩e r , i n c l u d i n g a u s b d e v i c e i n t e g r a t e d w i t h c l i e n t c o n t r o l l o g i c a n d a s o c p l a t f o rm e m b e d d e d w it h u s b e n g i n e s o ft w a r e . u s b s y s t e m a r c h i t e c t u r e a n d t r a n s a c t i o n p r o t o c o l a r e b r i e fl y in t r o d u c e d a n d a t r a n s a c t i o n d a t a fl o w m o d e l o f u s b d e v ic e i s c o n s t r u c t e d a c c o r d i n g t o t h e u n i v e r s a l s e r i a l b u s s p e c i f i c a t io n ( r e v i s i o n 2 .0 , a p r i l 2 7 , 2 0 0 0 ) . t h e t r a n s a c t i o n d a t a fl o w m o d e l c o n t a i n s a s e r i a l o f p i p e s , i n c l u d i n g b o t h s t r e a m p ip e s a n d m e s s a g e p i p e s , w h i c h a r e lo g ic a l a b s t r a c t i o n r e p r e s e n t i n g t h e a s s o c i a t i o n b e t w e e n a n e n d p o i n t o n a d e v ic e a n d s o ft wa r e o n t h e h o s t . b a s e d o n t h e m o d e l , a u s b e n g i n e , c o n t a i n in g a s e r ia l i n t e r f a c e e n g i n e ( s i e ) a n d a u s b t r a n s c e iv e r m a c r o c e l l ( u t m ) , i s a c c o m p l i s h e d . a c c o r d i n g t o t h e t w o p e r ip h e r a l e q u ip m e n t s o l u t io n s , c l ie n t c o n t r o l l o g i c c i r c u it s a n d e m b e d d e d s o ft w a r e o n s o c p l a t f o r m a r e d e s ig n e d r e s p e c t i v e ly . t h e e m b e d d e d s o ft w a r e is c o m p o s e d o f a u s b e n g i n e d r i v e r a n d u s b d e v i c e f u n c t i o n s o ft w a r e . t h e t w o p e r i p h e r a l e q u i p m e n t s o l u t i o n s a r e i m p l e m e n t e d o n a l t e r a s t r a t i x - e p i s 8 0 b 9 5 6 c 6 f p g a b o a r d . wi t h t h e u s b a n a l y z e r , u s b t r a n s a c t i o n s b e t w e e n t h e h o s t a n d d e v i c e a r e m o n i t o re d a n d lo g g e d s u c c e s s f u l ly . k e y w o r d : u s b e n g i n e , u s b u t m, u s b s i e , c l ie n t c o n t r o l l o g i c , u s b e n g i n e d r iv e r , u s b f u n c t i o n s o ft wa r e , s o c 第一章前言 i . 1 u s b 历史发展以现状 随 着计算机的发展和普及，很多计算机外围设备厂商在接口 这个问题上存在很 多困 扰，这些接口 大多数是由工 b m 公司在2 0 世纪8 0 年代早期设计的，由 于历史的 局限，这些接口的设计存在很多缺陷，比如说占用了过多的中断资源、扩展不灵活 等，而通用串行总线( u s b ) 则较好地解决了以上的问 题。 u s b 是通用串行总线技术规范， 也是一种接口 标准， 是最早由i n t e l 公司提出构 想、多家公司共同开发的一种外设连接新技术。1 9 9 5 年经过标准化，发布了 称为通 用总 线的串 行技术规范( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ) , 简称u s b . u s b 的工业标准是对计算机现 有的 体系结构的 扩充。 设计u s b 的目 标就是使不同 厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下获得广泛的应用。 该规范改进了便携商 务 或家用电 脑的现有体系结构，为计算机系统生产商和外设开发商提供了 足够的自 由空间， 他们可以更自由地开发多功能的设备产品，进而占领更广阔的市场。同时 他们并不必使用陈旧的接口，也不必担心设备兼容性的问题。 u s b 的规范可以 针对不同的 性能价格比 要求提供不同的选择， 以 满足不同的系统 和部件在功能上的需求。 u s b 2 . 0 的主要特点有: 易于扩充多个外围设备; 价格低廉， 且支持高达4 8 0 m b p s 的数据传输;对 声音音频和压 缩视频等实时数据的充分支持: 协议灵活， 综合了同步和异步两种数据传输方式:兼容了 不同设备的技术; 综合了 不同p c 机的结构和体系特点; 提供一个标准接口， 广泛接纳各种设备; 赋予个人计 算机 新的 功能， 使之可以 接纳许多 新设备。 这些u s b 的 特点 和优点使u s b 在问 世不 久就迅速成为p c 机的一个标准接口。 最近推出的p c 机几乎 1 0 0 % 支持u s b 。目前为止，发布于众的u s b 有3 个版本: 1 . 0 , 1 . 1 , 2 . 0， 其中以2 . 0 版本是最新推出的。 u s b 1 . 0 和1 . 1 在个别细节问题上 有区别外， 在总体性能上相当， u s b i . 0 1 1 . 1 与u s b 2 . 0 性能 对比见表1 一1 e u s b 版本 1 . 0 / 1 . 1 2 . 0 低 速( 1 . 5 m b p s ) 支持 支持- 全速( 1 2 m b p s )高速( 4 8 0 m b p s ) 不支持 表 1 一1 u s b l 0 / 1 . 1 与 u s b 2 . 0 ! 支 持 性能对比表 使用 u s b接口的设备在以惊人的速度发展。d a l a q u e s l公司的统计数据显示， 1 9 9 8 年的一年内， 全球有 1 0 0 0 万台u s b 设备售出， 到2 0 0 0 年已超过 1 亿台。目 前 几乎所有流行的外设都支持 u s b ，如扫描仪、数码相机、数码摄像机、音频系统、 输入输出设备等。而且设计工程师都把u s b 作为外设接口的首选。 目 前国外多数 u s b 外围设备芯片基本有两种:一种是内置了u s b 引擎和通用微 控制器的设备芯片，另一种是内置了 u s b引擎和专用控制器的设备芯片( 如 p d i u s b d 1 1 , p h i l i p s ) 。 这两种芯片技术都比 较成熟， 种类也比较齐全。 在国内， u s b 芯片种类较少，且都是台湾设计生产的，大陆还没有u s b自 主产品问世。 因此研究u s b 协议、开发一个具有自 主知识产权的u s b 接口电路，将带来极大 的经济效益和社会效益。 1 . 2设计目的及论文内容安排 u s b 接口电路的设计， 不但对于计算机技术的发展有很大意义， 而且可以广泛地 应用于 s o c中。随着超大规模集成电路工艺技术的发展，系统芯片( s o c , s y s t e m - o n - c h i p ) 和i p 技术 越来越成为i c 业界广泛关注的 焦点。 s o c 需要 将系统的 全部功能模块集成到单一半导体芯片上， 包括c p u , i / 0 接口、 存储器以及一些重要 的 模 拟集 成电 路。 功能 模块 化的s o c 系统 芯 片 具 有易 于 增 加新功能 和 缩短 上市时 间 的显著特点，是 i c设计业当前、乃至可预见未来的主流设计方式。而一套完善的 u s b 设备i p 核将给一个s o c 提供一个性能优良 连接简便的接口， 是多数主流s o c 平 台必备的接口 之一。因此本论文设计目 的就是一个基于s o c 嵌入的u s b 设备i p 核 - u s b 引擎， 包括硬件和必要的 嵌入软件。 u s b 引擎的设计工作中存在很多棘手的问题: 首先， u s b 协议比较复杂， 因此u s b 协议的 理解和实现存在很多困难;其次， 软硬件协同设计和验证过程是u s b 引擎设 计必须要解决的难题;此外，数据的时钟恢复以及电路中不同时钟域之间数据传输 等问 题也必须解决。本论文所设计的u s b 引擎都成功的克服了以上难题，无疑，该 i p 核的设计以及对u s b 协议的研究， 将为国内u s b 设备端技术的发展增砖添瓦， 为 国内后继u s b 技术的开发和应用抛砖引玉。 u s b 引擎可以嵌入s o c 平台和u s b 设备，是一个通用u s b 设备端功能 i p 核，是 u s b 设备实现的关键。 本论文所设计的u s b 引擎集成了符合u s b 2 . 0 规范的串行接口 引擎( s e r i a l i n t e r f a c e e n g i n e , s i e ) 和符合 u s b 1 . 1规范的全速/ 低速 u t m ( u s b t r a n s c e i v e r s m a c r o c e l l ) , u s b引擎通过u t m i 接口外接u s b 2 . 0规范的u t m 进行 u s b 2 . 0 高速工作， 可以 直接应用于u s b 全速或低速的数据传输。 此外， 针对不同的 嵌入方案， 还设计了专用的控制器和一套基于a r m r i s c 的嵌入软件， 二者都可以 控 制u s b 引擎与主机进行通信，分别实现标准的u s b 设备。 本论文所设计的u s b 引擎实现的u s b 设备与u s b 设备产品芯片相比，具有以 下 特点: . 可以灵活地嵌入s o c 平台或者u s b 设备，实现多种u s b 设备 . 可以灵活地选择u s b 2 . 0 高速、全速或者低速三种工作模式 . 兼容批量、中断、同步、控制等4 种u s b 传输模式 . 3 个时钟域的设计，既保证了良 好的嵌入性能，又实现了低功耗设计 令 两种嵌入方案，可以实现u s b 引擎灵活的嵌入 . 高效的专用控制器、完善的基于a r m r 工 s c 的设备端嵌入软件 为了便于理解和说明， 在此简要介绍论文的章节安排。 第一章( 本章) 介绍了u s b 的 历史和现状以 及设计目 标.第二 章介绍了u s b 的 传输原 理， 这一章首先从u s b 物 理的拓扑结构和通信层次两个角度说明u s b 系统体系， 然后分析了底层传输的内 幕。 第三章重点讲述了u s b 引擎的功能和电路设计。第四章重点介绍了u s b 引擎的专用 控制器和基于通用控制器的嵌入软件。基本在前几章里把u s b 引擎的设计和嵌入的 内容都涵盖已 全，在第五章介绍u s b 引擎的验证环境以及验证结果。最后，在第六 章对论文进行了总结。 第二章u s b 系统传输原理 本章首先从 u s b 物理的拓扑结构和通信层次两个角度在总体上介绍了u s b 体系 结构，然后剖析基于这个结构的u s b 传输底层协议内 幕，最后根据这个传输调度抽 象出一个u s b 设备端的通信数据流模型。 2 . 1 u s b 体系结构 一个 u s b 系统主要被定义为三个部分:u s b 的互连、u s b 的设备、u s b的主机。 本论文将首先从u s b 物理的拓扑结构和通信层次两个角度介绍这三个部分。 2 . 1 . 1 u s b 物理连接和拓扑结构 u s b 连接了u s b 设备和u s b 主机， u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。 每个 网络集线器是在星型的中心，每条线段是点到点的连接，这些连接方向是从主机到 集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件，其拓扑结构如图 2 -1 所示。 翼 1)11ost_orownjlei f-2 hod ) f u n c f u n c 入 ) 2 -4 f u n c ) / f u n c ) / 、层5 流扮 疏 荔一覆 认 h 二 二 几 *.*，一 _ 图2 -1 u s b 物理拓扑结构 在任何u s b 系统中， 只有一个主机。 u s b 和主机系统的接口 称作主机控制器， 主 机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。主机系统整合了根集线器，它可以经过 扩展以 提供更多的连接点。 u s b 的设备主要有两类，一类是u s b 网络集线器( 或称为 u s b h u b ) ，该类设备向 u s b 系统提供了更多的连接点;另一类是 u s b功能器件，此类设备给系统提供了 具 体功能，如i s d n的连接、数字的游戏杆或扬声器等。 u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进行连接和通信的操作， 主要包括总线的拓 扑结构、u s b设备与主机之间的各种连接方式、内部层次关系、数据流模式、u s b 的调度等。 在u s b 体系中，每个u s b 设备都被主机分配了一个地址，一个设备可以包含若 干个端点， 每个端点在设备中有唯一标示的地址， 如图2 -2 所示。 端点是主机与设 备间通信流的一个结束点，每个端点都是一个单向的连接点，或者支持数据流进设 备，或者支持其流出设备。 图2 -2 u s b 拓扑结构中地址的分配 在物理结构上，设备通过h u b连到主机上。但在逻辑上，主机是直接与各个逻 辑设备通信的， 就好像它们是直接被连到主机上一样。 这个逻辑关系如图2 -3 所示。 h u b 也是逻辑设备， 虽然u s b 系统中的工作都是从逻辑角度来看待的， 但主机必须对 物理结构有个了 解。例如，如果移除了 一个h u b ， 那么通过该h u b 与主机相连的设 备也应一起移出系统，这是由其物理结构决定的。 ho s t ro o t hu b 逻辑设备 1逻辑设备 2 nj 肚上.二 u s b 逻辑拓扑结构 端点1 端点0 端点n 端 端 点 i 点 0 1 图 2 一3 2 . 1 . 2 u s b 系统中通信层次的划分 u s b 提供了一台主机和若千u s b 外设之间的通信， 从终端用户的角度看， 不同层 次的实现者对u s b 的有不同要求， 因此对 u s b 系统进行如图2 -4 所示的分层。 这样 的分层结构使各个层次的实现者只需要考虑其相关层次的特性功能，而不必掌握从 硬件结构到软件系统的所有细节。 主机系统u s b 设备 客 户 软 件 日 功 能 单 元 ! _ _ _ 一_ _ 二t - 一1 - 一 一江 - - 一1- - 一 u s b 系 统 软 件 目u s b 逻 辑 设 备 - - - - - - 丁 t - 一 1 一 一 一- - 一1- 一 u s b 主 控 制 器 侧侧 u s b 总 线 接 口 ”i 功能层 u s b 设备层 和呻物 理 通信 数 据 流 李逻辑 通信 数 据流 图2 -4 u s b 通信层 在这个通信层次中， u s b 设备包含设备硬件和设备软件， 通过 u s b 总线的物理接 口与u s b 主控连接， 一般来说u s b 设备差异比 较大， 有些设备的层次并不是很明 显， 或者缺少某些功能单元的层次。在主机系统中，层次很清晰，客户软件是一个特定 的u s b 设备在主机上运行的软件，这种软件由u s b 设备厂商提供，或由操作系统提 供。 u s b 系统软件用于在特定的操作系统中支持u s b ， 它由 操作系统提供， 与具体的 u s b 设备无关， 也独立于客户软件。 u s b 主控制器是总线在主机方面的接口， 是软件 和硬件的总和，用于支持 u s b 设备通过 u s b 连到主机上。u s b 系统的各个组成部分 在功能上存在相互重叠，为了支持主机与客户之间的坚固可靠的通信。 一台主机与一个u s b 设备间的连接按照功能可以分三层:u s b 总线接口 层、u s b 设备层和u s b功能层。u s b总线接口 层提供了在主机和设备之间的物理连接、发送 连接、数据包连接。u s b 设备层对 u s b 系统软件是可见的，系统软件基于它所见的 设备层来完成对设备的一般的u s b 操作。应用层可以通过与之相配合的客户软件向 主机提供一些额外的功能。u s b设备层和应用层的通信是逻辑上的，对应于这些逻 辑通信的实际物理通信由u s b 总线接口 层来完成。 2 . 2 u s b 数据传输 在u s b 系统的基本架构的基础上， 可以更详细地研究u s b 数据通信的一些细节。 在细节介绍中， 着重介绍u s b 主控与u s b 设备通信的内幕以 及u s b 设备的工作原理。 2 . 2 . 1 u s b 数据通信示意图 通过对 u s b 通信层次的细化，可以 更好的 解释 u s b的主机软件和应用设备间的 通信服务，如图2 -5 所示。 u s b 通信时， 客户软件首先向操作系统提出与u s b 系统中某个设备上的某个端点 建立某个方向的数据传送请求， 这个请求就是所谓的i / 0 请求包( i r p ) , 然后等待操 作系统返回的数据或者通知信号。客户软件决定当前操作的传输类型和方向，如果 传输中有功能单元传送过来的数据， 客户软件收到操作系统发出的i r p 完成通知后， 就可以在数据缓冲区中取到设备传送过来的有效数据:如果传输中客户软件需要发 送数据，则向操作系统发送 i r p 后等待操作系统发过来的工 即 完成通知。 u s b 系统软件包括u s b 设备驱动程序、 u s b 驱动程序( u s b d ) 和u s b 主控制器驱动 程序( h c d ) e u s b 设备驱动程序在设备连接到主机的设置期间和正常传送中介入总线 访问。 当设备被连接到主机上并被主机设置时， u s b d 将从设置软件处获得设置请求， 获取u s b 设备的信息， 如端点数目、 传送类型、 数据长度等， 然后 u s b d 就在该设备 与主机之间建立相应类型的数据通道。 对 u s b d的设置都由操作系统完成，获取的 u s b设备的信息将被加入操作系统的数据库。一旦设备被设置，客户软件就可以通 过i r p 请求与应用端点进行数据的传送。 u s b 驱动程序提供了u s b 设备驱动程序和u s b 主控制器之间的接口， 通过这个接 口u s b 主控制器驱动程序可以和u s b 设备驱动程序进行数据的交换。 主机系统互连 u s b 设备 幸 . 峥数 据传输流向 如 . 吟u s b 协议 规定 格式的 数 据 传输 图2 一 5 u s b 主控与设备通信示意 u s b 主控制器驱动程序负责跟踪工 r p ，如果有 i r p 请求通道，h c d 将它们加入事 务表中，事务表描述了当前需要被做的事务，主控制器可以访问事务表，并根据此 表在总线上引 起u s b 信息包的传递。当i r p 结束，h c d 将把它的完成状态通报给向 它发出i r p 的 客户软件，如果i r p 中涉及u s b 设备向主机的 传送，接收来的 数据将 被存储于客户软件指定的数据缓存中。 在系统中，设备上的一个端点和主机上软件之间的联系可以抽象出所谓的管线 ( p i p e ) ，它体现了主机上缓存和端点间 传送数据的能力，u s b不解释在管线中 传送 的数据的内容。管线内的数据格式有两种，分别为流( s t r e a m ) 和消息( m e s s a g e ) , 流( s t r e a m ) 是不具有u s b定义的格式的数据流， 在流通道中传送的数据遵循先 进先出原则，数据从流通道一端流进的顺序与它们从另一端流出的顺序是相同的， 1 2 而且通信流总是单方向的。一个流通道中的数据只能来自于一个客户，u s b系统软 件不提供使用同一流通道的多个客户的同步控制。 而消息( m e s s a g e ) 则是具有某种u s b 定义格式的数据流， 尽管实际应用中大多数 的通信流是单方向的，但是消息通道允许双方向的信息流。消息通道要求数据组织 成u s b 定义的格式， 但u s b 并不关心其内容。由两个端点 ， 0 ” 组成的通道就是缺省 控制通道，缺省控制通道也是一个消息通道，设备加电并复位后 u s b 通过缺省控制 通道设置u s b 设备，其它通道只在u s b 设备被设置后才存在。一个设备的每个消息 通道在一个时间段内，只能为一个消息请求服务，多个客户软件可以通过缺省控制 通道发出它们的请求，但这些请求到达设备的次序也是遵循先进先出原则的。 2 . 2 . 2 u s b 传愉事务的安排和帧的组织 u s b 传输管理涉及很多不同功能的部分， 分别为客户软件、 u s b 驱动程序( u s b d ) , 主控驱动程序( h c d ) 和主控制器， 所有功能部分共同 运作使数据在总线上传送， 这个 图2 一6 复杂的关系如图2 -6 所示 ( c a l l s b a c k s ) 的i r p 请求， 从客户软件到u s b 总线的信息转换形式 。 客户软件通过对 u s b d 界面发出调用( c a l l s ) 和响应调用 接收从应用端点传来的数据或产生到应用端点去的数据。 d a t a 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 口匕厂七厂1门 一 匕 n r z i 图2 -1 4 非归零反相编码( n r z i ) 这种编码方式减少了信号跳变的次数， 但是如果出现全“ 1 ”的序列， 那么信号 不跳变的时间过长，可能引起接收端的时钟恢复的错误，所以 在u s b 上发送一个信 息包的时候，要对发送在总线上的数据进行位填充操作。所谓位填充操作是指如果 原始数据存在六个连续的 1 ，则在其后插入一个 0 ，从而使n r z i 码发生变化， 这样降低了对接收和发送两地时钟匹配度的要求。同时接收端需要进行位填充的反 过程位剥离， 即检测出n r z i 编码数据的填充位， 并删除这个填充位， 恢复出原 始数据的过程。 原始数据 卜一一一 同 步 域一一叫令一 - 包 数 据 一 今 填充位 位填充后 的数据 i- 一同 步 域 包 数 据一 一 叫 六个 “ i , 器黔后idle一 一 一 一 一 一 i一 一 l f- 卜 - 一同 步 域一 一，妇- 一 包 数 据 一 叫 图2 一1 5 u s b 数据发送的位填充操作 2 . 2 . 6总线状态识别 u s b 2 . 0 协议允许u s b 设备或者主控有三种工作模式， 分别为高速、 全速和低速。 高速模式可以在u s b 总线上收发高达4 8 0 m b p s 的串行数据，全速工作模式可以达到 1 2 m b p s 的 速度， 而低速模式只能支持1 . 5 m b p s 的串 行传输。 不同种类的u s b 设备连 接到总线上的时候，主机要对他们予以识别并设置到正确的工作模式。 u s b 通常使用一种差分输出驱动器来控制数据信号在u s b 电缆上的发送， u s b 电 缆包含d +, d 一 及v b u s ( 电 源) 和g n d ， 共4 根连线，电 缆上有屏蔽网。 对于接收和 发送端都有相关的电器以及机械性能的要求，u s b低速和全速设备接入主机时与主 机连接的是不同的，见图2 -1 6 所示。而高速设备的接入方法与全速设备相同，但 是增加了高速设备的识别协议， 即首先在全速模式下的总线 r e s e t 阶段发送特杆码。 如果设备正确响应了这个特征码，则总线从全速工作模式切换到高速工作模式，从 而识别出u s b 设备是高速设备( u s b i 0 高速工作模式) 。 图2 -1 6 u s b 低速、全速和高速设备的总线接入 u s b 主机和设备只能通过d +和d 一的若干种状态组合表示不同的总线状态，每 种状态有详细的d c 电平规定和说明，便于对比和说明， 在表2 -2 列举的状态中略 去电平规定而只定性的说明各状态出现的意义和用途。 总线状态 工作模式 低 速全 速高 速 差分 “ 1 ;d +为 1 , d 一为0 差分 “ 0 d +为0 , d 一为 1 数据j 态低速差分 . 0全速差分 “ 1 ” 高速差分 . 1 , 数据 k 态低速差分 “ 1 全速差分 ，. 0 ,a高速差分 “ o s e o d - 0 , d 一 均为0 s e 1 d - 1- , d 一 均为1 j 啸叫态 总线复位时的一种 j 啸叫状态，用于高速 设备的速度识别 k 啸叫态 总线复位时的一种 k 啸叫状态，用于高速 2 0 设备的速度识别 空闲态i 态的弱驱动状态s e o 的弱驱动状态 包 开 始 ( s o p ) 总线从空闲态变为k 状态数据线从空闲态变为 1 或者 k 状态 包 结 束 ( e o p ) 2 位s e o 后紧接一个j 状态，用于标志信息包 的结束 2 位s e o 后紧接一个7 或者k 状态 断开连接 s e o 时间维持2 . 5 微秒，设备断开与总线的连接，与之相连的下行端 口 将由其下拉电阻骆动，因此出现s e o 维持较长时间 连接 空闲态持续时间大于 等于2 毫秒 同全速模式 复位s e o 持续时间大于等于1 0 毫秒，用于复位连接在总线上的设备 唤醒数据k 状态，用于唤醒已经进入悬挂态的设备 表 2 -2 几种典型总线状态的说明 至此，本文已经完整的介绍了u s b协议的传输原理和其中涉及的重要概念，比 较全面的分析了从客户软件产生i r p 到i r p 分解为若干传输事务的过程，以及传输 事务中的信息包发送在总线上的编码和总线状态。 2 . 3 u s b 通信数据流模型 以 上章节按照从宏观到微观的层次很清晰的介绍了u s b的传输内幕， 传输原理 的介绍，目 的是掌握u s b 传输的数据流方向 和格式，以 便于后文设计硬件时有清晰 的主体思想和宏观的考虑。 u s b 的主机软件和应用设备间的通信流程在以前章节曾经介绍过( 参考图2 -5 ) . 在这个通信流程里，u s b 主机首先与u s b 设备的端点0 建立一个控制管线， 通过这 个控制管线获得u s b 设备的详细信息后，主机再通过这个控制管线的给u s b 分配设 备地址，而且建立与主机到该设备中每个端点的流管线，然后主机通过这些流管线 与u s b 功能设备进行正常的通信。 所以 在设备端看来， 似乎所有的通信都是通过每 个管 线与主机进行数 据交流的 如图2 -1 7 所示。 因 此u s b 客户软件与u s b 设备的 通 信也通过这些管线直接面向设备的端点， 而且在软件与硬件的接口 处增加了数据缓 存区以保证流畅的数据通信。 由于u s b的通信流都是被安排管线中的， 所以在u s b 设备接口芯片中应该具有 管线处理能力，或者有能力确定与主机进行通信的管线。基于以上分析，可以 构造 出设备端s i e 通信模型， 如图2 -1 b 所示。 在这个模型中， 由端点控制/ 状态寄存器 or ) 和端点f 工 f o 组成的管线记录了 端点的状态和通信的有效数据。端点控制逻辑 用于端点选择及端点访问控制。通过u s b 设备功能接口，设备功能软件可以方便地 以管线的形式对端点进行状态控制以实现u s b 通信。 图2 一1 7 u s b 通信流示意图 这个通信模型可以看作是u s b s 工 e 硬件原型，为了完成u s b 设备完整的功能， 还要增加以 下几个部分。首先是s i e 的控制器，这个控制器通过u s b 设备功能接口 控制各个s i e 中端点的控制状态寄存器( c s r ) , u s b 协议层则根据c s r 内容对总线操 作进行响应。为了把并行数据转换为串行数据并符合总线的电气规范，所以需要增 加一 个u s b 的 传输单元( u t m , u s b t r a n s c e i v e r m a c r o c e l l ) 实现这个功能。 图2 一1 8 u s b 设备s i e 通信模型 因为不直接处理u s b 的底层物理协议，因此s i e 可以工作于l s , f s 和h s 三种不同 的模式。 3 . 2 u s b i . 1 规范的u t m u s b 1 . i 规范的u t m 主要包括两个功能模块，接收r x 和发送t x ，这两个功能可 以完成u s b 底层的物理编码和数据传输。 在u t m 中 还需要引入总线状态检测小功能， 把正确的总线状态反映给协议层。 3 . 2 . 1发送功能t x 发送t x 可以把8 位并行数据转换为一位的串行数据， 并进行位填充( b i t s t u f f ) 处理， 然后经过n r z i 编码后发送在u s b 总线上， 所有这些操作都在发送状态机的 控 制下进行，如图3 - 2 所示。 - 一 一 - 一t , 一一 一一一一 图3 -2 u s b u t m 的发送t x 逻辑 在发送初始状态， 发送状态机初始化各个电路中相关寄存器的初始值，发送寄 存器的初始值为总线s y n c 域的特征码 “ 0 x 8 0 .输入的原始数据需要进行位填充操 作， 具体流程见图3 -3 所示。 协议规定， 如果信息包的最后一位是第六个连续的 ，i l l 也要在其后填充 “ 0 ” 位。此外发送电 路具有自 动追加e o p ( 包结束标志，由1 . 5 - 2 位s e o 和1 位j 状态组成) 的功能。 在发 送过程中， u t m的发送 t x逻辑并不 检测数据是否合法有效， 也就是说t x 不关心数据的真正内容和意义，除了并/ 串转换、位填充和n r z i 编码的功能以外， 发送逻辑t x 还具有在信息包之前追加s y n c 域、 在信息包结尾追加e o p 域以 及错误 检测功能。 如果发送过程中存在错误( 比如与主机发送冲突等) ， t x 则停止发送， 产 生错误信息，并从错误状态自 动重置，恢复到上电 初始状态。 上电 图3 -3 u s b 中位填充流程 3 . 2 . 2接收功能r x 接收r x 则是发送t x 的 逆过程，即n r z i 解码后进行位剥离( b i t u n s t u f f / s l i p ) 处理，然后进行串并转换为8 位并行数据输出，在保证数据正确解码输出过程中， 需要进行数据的时钟恢复，所以接收r x 中还包含时钟恢复电路。在接收r x 功能模 块中 所有的 功能电路都要在接收状态机的控制下进行， 如图3 -4 所示. 接收过程中 可能出现的错误要比发送过程更加复杂多样， 良 好的接收状态机可以控制r x 顺利地 摆脱错误状态，恢复正常通信。 位剥离 逻辑 移位 选择器 接收 保持 寄存器 公 一， - 一- 一 工 . - 一 - - . . t _ f u s b 总 线 时钟 恢复 接收 状态机 图3 一4 u s b u t m 的接收r x 逻辑 在时钟恢复之前，接收到的总线串行数据需要经过亚稳态的消除。亚稳态的出 现原因是在一个时钟域内对另外一个时钟域的信号进行采样时，如果采样点恰好位 于输入信号的跳变边沿， 则可能造成接收数据是一种不稳定的状态， 在这个状态里， 信号不是完全意义上的逻辑 . o ”或者逻辑 t( 1 11 ，图3 -5 中的波形则清晰的说明了 这个过程。 两级触发器的级连可以消除亚稳态， 第一级的输出端并不参与内部的逻辑运算， 而是再通过一级触发器， 如图3 -5 所示。 由于亚稳态的出现， 有可能造成采样数据 和原始输入数据在脉冲宽度上不一致， 所以为了保证接收到的是正确数据， 接收r x 逻辑中需要一个稳健有效的时钟恢复电路。 门j d i n 几 田 b c l k 亚稳态 导 ， a - 扮 产 亚 稳 态 图3 -5 亚稳态的出现以 及消除 根据u s b 规范说明， 在u s b 1 . i 的接收r x 逻辑中系统采用4 8 m h : 的本地时钟对 总线的1 2 m b p s 数据进行采样， 即用4 倍频率进行采样。 采样的数据在消除亚稳态之 后， 通过一个四 状态的 状态机恢复出 数据时 钟来， 有些相关资料称这个状态机为 d p l l 数字锁相环) ， 其机理如图3 - 6 所示。 u s b i . 1 规范要求发送端、接收端两地时钟差错不超过1 q . 2 5 %的误差， 信号编 码是n r z i 编码，信号最长不跳变的时间是6 个 1 2 m h z 时钟周期( t 1 ，也就是2 4 个 4 8 m h : 时钟周期 t 2 。在这个状态机进行时钟恢复的机制下，如果在2 4 个t 2 时间 内两地时钟偏差11 个t 2 周期， 状态机产生的恢复时钟的最后一个周期( t 3 ) 能够增 加或者减少一个 t 2周期的时间以达到和发送信号的时钟数相同，因此在 2 4个t 2 时间内最多容许误差是一个t 2 。 所以 所设计的时钟恢复电路可接受的两地时钟误差 范围是士1 / 2 4 ，远远超过土0 . 2 5 %的要求。 在这个状态机里，如果收发两地时钟匹配，任何状态都能转到 “ 0 1 2 3 0 1 2 3 ” 这 个序列。 只要检测到信号跳变( 用了两个寄存器， 延迟1 个t 2 给出c h a n g e 信号) ， 3 个t 2 时钟之内 状态机转到s o ， 恢复出的信号时钟c l k s 在s o 给出一个高电平脉冲， 这个脉冲持续时间是一个 t 2 。所以每次信号变化都有一个高电平脉冲与之对应( 这 个脉冲信号本地时钟同步) ， 也就是恢复出来的时钟。 输入信号没有跳变时， 或两地 时钟完全匹配时， 用本地时钟四分频得到的时钟进行填充( 高电平脉冲宽度仍然是一 个t 2 ) ，实现了时钟恢复。 d p _ b x 图3 - 6 时 钟恢复 状态机 3 . 3 u s b 2 . 0 规范的s i e s i e ( s e r i a l i n t e r f a c e e n g i n e ) 是u s b 引擎的关键功能 模块， 在系统中的 地 位 见图3 -1 所示。 根据其内部的控制/ 状态寄存器堆内 控制字的内 容， s i e 可以与u s b 主机建立控制管线，能够在这个控制管线中完成设备的配置过程，同样可以与主机 建立其他数据管线， 在这些数据管线中与主机进行数据的交换。 而且通过u t m i ( u t m 标准接口) 可以连接u s b l . 1 或2 . 0 规范的u t m ，因此支持高速( 4 8 0 m b / s ) 和全速( 1 2 m b / s ) 两种工作模式。 s i e 默认工作模式为高速， 在自 动切换到全速的工作模式后， 则高速工作模式的所有特性自 动关闭。 根据第二章中总结设计的u s b 设备s i e 通信模型( 见图2 -1 8 ) ， 设计的s i e 主要 包含u t m i , p l ( 由p d , p a , p e 组成) 、 m a , u c r f , b u f f e r , w b 等功能模块， 如图3 - 7 所 示 。 . s i e 可以 完 成u s b 总 线 速 度 识 别 、 解 析 信 息 包、 组 构 信 息 包 、 底 层 协 议 处 理、缓存管理、中断请求等功能。连接到控制器总线上以后，s i e可以与设备功能 驱动软件建立设备端的管线。 尸 j -一 一 一 一 一 一 一 一 一 _ _ _ _ _ _ _ _ 1 i )r - u s b s i e i ! 图3 一7 u s b设备s i e 结构示意图 模块缩写名称索引如下: u s b t r a n s c e i v e r m a c r o c e l l , u s b 传输宏单元( 物理层) u s b t r a n s c e i v e r m a c r o c e l l i n t e r f a c e , u s b 传输宏单元标准接c 7 p d p a p e p l m a u c r f b u f f e r s i e w b p a c k e t d i s a s s e m b l e r ，信息包解析器 p a c k e t a s s e m b l e r ，信息包组构器 p r o t o c o l e n g i n e ， 协议引 擎 p r o t o c o l l a y e r , u s b 协议层 m e m o r y a r b i t e r ，内 存访问 仲裁器 u s b c o r e r e g i s t e r f i l e , u s b i p 核寄存器堆 u s b e n d p o i n t s b u f f e r , u s b 端点缓存 s e r i a l i n t e r f a c e e n g i n e ，串 行接口 引擎 w i s h b o n e i n t e r f a c e , 帕接口( 标准i f 核互连接口) s i e 的设计过程中的协议规范主要有三个，各个规范版本如下所列: u s b 2 . 0 s p e c : 严格遵循u n i v e r s a l s e r i a l b u s s p e c i f i c a t i o n ( r e v i s i o n 2 . 0 , a p r i l 2 7 , 2 0 0 0 ) 。 u t m i :严格遵循u s b 2 . 0 t r a n s c e i v e r m a c r o c e l l i n t e r f a c e ( u t m i ) s p e c i f i c a t i o n ( v e r s i o n 1 . 0 5 , 3 / 2 9 / 2 0 0 1 ) 。 w b :严格遵循w i s h b o n e s y s t e m - o n - c h i p ( s o c ) i n t e r c o n n e c t i o n a r c h i t e c t u r e f o r p o r t a b l e i p c o r e s ( r e v i s i o n : b . 2 , r e l e a s e d : o c t o b e r 1 0 , 2 0 0 1 ) 。 s i e 实现的u s b 设备端数据流向模型如图3 -8 所示， u s b 设备功能软件可以 建 立与u s