（微电子学与固体电子学专业论文）usb20外围控制芯片的设计及其应用.pdf

独创性申明 秉承祖【目优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一i 耐工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已任论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：兰型堕鲨悔月搿u 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件。允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容可以采用影印，缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后以上申明同样适用) 论文作者签名：兰型l 丛导师签名 掣中岁彩 日 摘要 u s b 2 0 外围控制芯片的设计及其应用 学科名称： 指导老师： 研究生： 微电子学与固体电子学 教授 摘要 针对目前p c 与其外围设备的接口瓶颈问题，提出了基于u s b 20 标准协议的 外围控制芯片的i p 核的设计，该芯片支持u s b 高速传输模式、兼容u s b l 1 的传 输协议并具有灵活、通用的接口，可在多种a s i c 或f p g a 中复用。 首先论文分析了u s b 20 的传输协议，并针对u s b 2 ，0 接口在图像传输系统中 的应用，利用c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 开发板对u s b 20 的各种传输模式进 行了实验。由此为开发新一代的u s b 2 0 高速传输接口芯片奠定了理论与实践的基 础。 然后具体实现了该外围控制芯片。首先介绍了该外围控制i p 所采用的设计流 程，接着阐述了系统级的设计，主要包括内存结构、传输模式检测、控制端点与非 控制端点的实现、配置有限状态机、配置r o m 、中断请求、恢复挂起功能、系统 时钟域与复位以及各种接口电路的设计。然后从模块的算法级设计的角度，着重讨 论了控制传输模块端点0 的设计，主要包括输出逻辑功能块、输入逻辑功能块、特 殊逻辑功能块和配置逻辑功能块。之后，介绍了此i p 核的系统仿真平台和功能仿 真平台，并对端点0 的各个逻辑功能块的功能仿真的结果进行了分析。此外，在 t s m c 的综合库的支持下，完成了对此功能i p 的门级仿真。 最后，通过与m c u 软核和p c c a m e r a 控制软核的整合完成了对u s b 2 0 外 围逻辑功能控制口的f p g a 验证。在f p g a 验证环境建立的同时，一个完整的图 像传输系统被搭建。就此图像传输系统，对u s b 2 0 的外围控制i p 的各种工作模式、 西安理工大学硕士学位论文 中断请求、远程唤醒功能和四种传输方式进行了系统的验证。验证结果与预定设计 指标完全吻合。值得一提的是，目前采用嵌入u s b 2 0 接口i p 的图像传输系统与以 前嵌入u s b i i 接口i p 的产品相比，将图像传输的帧率提高了近2 5 倍彻底解决 了以往p c 与外设之间的图像传输瓶颈问题。 关键词：i p 核、u s b 2 0 协议、端点0 、f p g a 一 竺! 塑盟一 - _ _ 。_ 。一 d e s i g na n da p p l i c a t i o no f t h e u s b 2 0 p e r i p h e r a lc o n t r o l l e r s u b j e c t a d v i s o r s t u d e n t ： m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s 晰肌4 2 一一 、7 l 饥所l l 【衲 a i m i n ga tt h ei n t e r f a c eb o t t l e n e c kb e t w e e nt h ep ca n dp e r i p h e r a ld e v i c e s ， a ni pc o r eo fp e r i p h e r a ld e v i c ec o n t r o l l e rb a s e do nu s b 2 0p r o t o c o l i s p r e s e n t e d t h i sc h i ps u p p o r t su s b 2 0h i g h s p e e dm o d ea n di sc o m p a t i b l e w i t hu s b1 1p r o t o c 0 1 b e s i d e s ，i th a ss o m ef l e x i b l ea n du n i v e r s a li n t e r f a c e s ， s oi tc a nb er e p e a t e d l ya v a i l a b l ef o rm a n ya s i ca n df p g a f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e su s b 20p r o t o c o l ，t h e ne x p e r i m e n t sw i t ht h e c y p r e s se z u s bf x 2d e v e l o p m e n tk i tb o a r d sa i m i n ga tt h ea p p l i c a t i o n o fu s b 2 0i n t e r f a c ei nt h ei m a g et r a n s f e rs y s t e m f o rt h i s ，t h ef o u n d a t i o no f t h e o r ya n dp r a c t i c e i sl a y e df o rt h ed e v e l o p m e n to fu s b 2 0h i g h s p e e d t r a n s f e ri n t e r f a c ec h i p s e c o n d l y ，t h ep e r i p h r a tc o n t r o l l e ri pc o r ei sr e a l i z e d i nt h eb e g i n n i n g ，t h e w h o l ed e s i g nf l o wi si n t r o d u c e d i nt h es y s t e md e s i g n ，t h ea r i t h e m e t i ca b o u t t h em e m o r ys t r u c t u r e 、t h ee n u m e r a t i o no f t r a n s f e rm o d e 、t h er e a l i z a t i o no f t h e c o n t r o le n d p o i n t s 、t h en o n c o n t r o le n d p o i n t s 、t h ec o n f i g u r a t i o nf i n i ts t a t e m a c h i n e 、t h ec o n f i g u r a t i o nr o m 、t h ei n t e r r u p tr e q u e s t 、t h ef u n c t i o no f r e s u m ea n dr e m o t ew a k e u p 、t h es y s t e mc l o c ka n dt h ef i v ei n t e r f a c e sa r e a c h i e v e d t h e n ，t h er t ld e s i g n o ft h em o d u l ea b o u tc o n t o lt r a n s f e ri s e m p h a s i z e d i tm a i n l y i n c l u d e st h eo u tl o g i cf u n c t i o n 、t h ei nl o g i c f u n c t i o n 、t h es p e c i a ll o g i cf u n c t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o nl o g i cf u n c t i o n a f t e rt h a t ，t h es y s t e ma n df u n c t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r ma r ei n t r o d u c e d ，a n d 西安理工大学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y s e d m o r e o v e rt h eg a t e l e v e ls i m u l a t i o ni s d o n ea f t e rt h ei pc o d ei ss y n t h e s i z e d f i n a l l y ，b yt h ec o n f o r m i t y o fu s b 20i p 、m c ua n dt h ep c 。c a m e r a c o n t r o l l e r ，t h ef p g av e r i f i c a t i o n i s d o n e b yt h ew a y , a ni m a g et r a n s f e r s y s t e mi s f u l f i l l e da c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h ef p g av e r i f i c a t i o n ，t h e d e s i g no ft h eu s b 20l pi sa b s o l u t e l yu pt ot h em u s t a r d e s p e c i a l l y ，t h ef r a m e r a t eo ft h ei m a g et r a n s f e rs y s t e mi sf a s t e r2 5t i m e sb a s e do nt h eu s b 2 0 i n t e r f a c et h a nt h eu s b1 1i n t e r f a c e ，s ot h ei n t e r f a c eb o t t l e n e c kb e t w e e nt h e p ca n dp e r i p h e r a ld e v i c e si sd r a s t i c a l l ye l i m i n a t e d k e y w o r d ：i pc o r e ；u s b 2 0p r o t o c o l ；e n d p o i n to ；f p g a 1 绪论 1 绪论 1 1u s b 2 0 的发明及其应用市场 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，我们正迈向一个信息化 社会。个人电脑作为信息传递的基本构成单位，在过去2 0 年中得到了充 分的发展并扮演了重要的角色。在计算机迅猛发展的同时，计算机的外 围设备也得到了长足的发展，这种情况下，计算机原有的串、并行接口 逐渐成为了主机与外设之间通信的瓶颈。u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 、通用 串行总线) 正是在这样的市场背景下产生并得到发展的。 u s b 不仅设计简单，而且使用起来非常有效，许多不同矛 t 类的外围 没备，例如鼠标、键盘、扫描仪、便携式硬盘、扣印机、数码相机等都 在使用u s b 接口。u s b l 1 规范自1 9 9 8 年发布以来，已经成为p c 机的 标准配置。但随着p c 机和外殴性能越来越强，许多像数字影像处理等 数据量大，实时性强的应用对传输的速度提出了更高的要求，u s b l 】 的传输速度逐渐不能满足需要。2 0 0 0 年4 月，由i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 、 c o m p a q 、l u c e n t 、p h i l l i p s 等公司共同制订的u s b 2 o ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 传输协议“1 ，支持视频传输的速度最高可达到4 8 0 m b p s ，而且具有即插 即用等优点，有效地解决了p c 机与外设之间的接口瓶颈问题。 u s b 2 o 有广阔的应用市场。不管是使用外围设备的用户，或是开发 u s b 2 0 软硬件的设计者，u s b 20 都有让双方满意的特性。从当前情况 来看，u s b 20 标准的普及只是早晚的事情，几乎所有的主板都提供了这 个接口”。目前，u s b 2 ，0 在c o m p a q ，i n t e l ，l u c e n t ，m i c r o s o f t ，n e c 和 p h i l i p s 等的领导下正在加速取代u s b ll 产品，成为讨算机周边设备的主 要发展方向。另外根据扬智等大公司预测，今后几年内u s b 2 0 产品的市 西安理工大学硕士学位论文 场拥有率将会每年翻一番。 1 2u s b 2 0 的发展现状及发展趋势 目前，u s b 支持三种信道速度：低速的1 5 m b s ，全速的1 2 m b s ， 以及高速的4 8 0 m b s 。不同的传输速度有不同的应用领域。虽然u s b 2 0 标准发布到现在已经有四年时间了，而且目前主板都支持，但是由于 u s b 20 高速传输的实现单单靠主板的支持是不够的，只有当计算机周边 设备也采用u s b 2 0 标准后，真正意义上的高速传输才会实现。目前市场 上全面支持u s b 2 0 高速传输的外围芯片很少，大部分厂家都是只改变了 产品的界面，挂着u s b 2 0 产品的牌子，实际工作速度仍然只有u s b l 1 的速度。去年台湾扬智公司推出了将u s b 20 的界面、扫描引擎和前端模 拟信号传输器三部分高整合扫描仪芯片m 5 6 2 5 ，它被称为全球首颗支持 u s b 20 高速传输的扫描仪控制芯片。由此可见，中国大陆大很多公司和 院校在u s b 2 0 外围控制芯片的开发上还处于起步或研发过程当中。 u s b 2 0 较u s b ll 的最大优势是速度上的提高“1 ，但由于成本的原 因，在中低速外围设备中，u s b 2 0 并不多见。目前，低速的交互设备的 性能一般是1 0 k b s 1 0 0 k b s ，其主要应用在键盘、鼠标、游戏机、虚拟 环境；全速的交互设备的性能一般是5 0 0 k b s - 1 0 m b s ，其主要的应用领 域是广播、音频，麦克风；高速的交互设备的性能一般是 2 5 m b s 4 0 0 m b s ，其主要应用在数字影像高速传输和存储设备当中。 1 3 本课题的意义及研究目标 如上所述，由于u s b 20 外围设备的市场大，用途广，特别是在高速 的影像和存储设备中的应用。这与国内在该领域产品的匮乏形成了鲜明 的对比。本课题正是为了解决这一市场矛盾而出现的。u s l 3 2 0 外围控制 1 绪论 芯片的成功开发将基本解决数字影像传输的瓶颈问题。从而为后续研究 具有更高的性能的u s b 接口积累技术力量。 u s b 20 外围控制芯片的开发是一个系统的、复杂的工程，本课题的 研究目标主要集中在u s b 2 0 外围逻辑控制器的i p 的开发。从功能上考 虑，此i p 支持全速和高速传输，满足u s b 2 0 的标准，有一个符合 u t m l l 0 5 版标准的接口，兼容p h i l i p s 的i s p l 5 0 1 接i ；3 芯片，同时有一个 满足多种总线结构的微处理器接口和s l a v ef i f o 接口，可在各种需要集 成u s b 2 0 接口的大规模a s i c 和f p g a 中复用。 i 4 论文的结构安排 本论文共分四章，论文的章节内容安排如下： 第一章是绪论，介绍了u s b 20 的发明及发展现状，并针对目前的市 场背景，提出了本文的研究意义和研究目标。 第二章阐述了本设计的协议标准，主要包括u s b 2 0 的传输要件和传 输类型等协议方面的知识。 第三章是本文的重点章节，首先介绍了u s b 2 0 的逻辑功能控制i p 的基本设计流程，然后，对此i p 核的系统级设计以及端点0 模块的r t l 级设计作了详细的说明。 第四章讲述了u s b 2 0 外围控制i p 的仿真平台及仿真结果。 第五章讲述了u s b 20 逻辑功能控制i p 核的f p g a 的验证，以及它 在图像传输系统中的应用。 西安理工大学硕士学位论文 2 u s b 2 0 开发协议及基于e z u s bf x 2 开发板的调试 2 1u s b 2 0 传输的要件 每一个u s b 的传输是由事务( t r a n s a c t i o n ) 所组成，每一笔事务是由 信息包( p a c k e t ) 所组成，每一个信息包则是包含传输的信息“。要了解事 务、信息包及其内容，端点( e n d p o i n t ) 与管道( p i p e ) 是需要明确的两个概念。 2 1 1u s b 设备的端点 u s b 所有的传输都是传送到一个设备端点( d e v i c ee n d p o i n t ) ，或是由 一个设备端点出发。通常设备端点是一个区块的内存，或是控制器芯片 内的一个缓存器，用来作为数据的缓冲区。储存在设备端点的可能是接 收到的数据，或是等待要送出的数据。主机也有接收与传送数据的缓冲 区，才：过主机并没有端点，而是当作与设备端点通信的出发点。 在u s b 的规范中，设备端点被定义为“一个u s b 设备中的唯一可 寻址部分，是主机与设备之间通信的来源或目的”1 。一个设备端点只 能在单方向传输数据，不过控制端点( c o n t r o le n d p o i n t ) 是例外，它可以双 向传输数据。每一个设备端点的唯一地址，需要有一个端点号码以及方 向。端点号码可以是0 到1 5 。方向如果是输入( i n ) ，表示流向主机，方 向如果是输出( o u t ) ，表示流出主机。 2 u s b 20 开发协议及基于e z u s bf x 2 开发板的调试 2 1 2 管道 在一个传输发生之前，主机与设备之间必须先建立一个管道。u s b 的管道并不是一个实际的对象，它只是设备的端点与主机控制器软件之 间的连接。主机建立管道的时机，是在系统启动之后或是设备连接的时 候。如果殴备被移除，此管道也会跟着被移除。每一个设备都会有一个 默认的控制管道，此默认控制管道使用端点0 。 2 2 事务( t r a n s a c t i o n ) 的概念 每一个传输包含一笔或多笔事务，而每一笔事务包含一个、两个或是 三个信息包“1 。每一个信息包包含一个信息包标识符( p i d ) ，c r c 校验 位，以及额外的信息。每一笔事务包含一个令牌信息包，并且可能包含 一个数据与或联络信息包。u s b 的传输与事务和信息包的关系图2 一l 。 图2 一l 传输、事务与信息包的的关系图 事务的类型有3 种：输入，输出与设置。事务的类型依据其目的，以及 望主翌三垄兰堡主兰堡丝查 数据流的方向来分类。设置事务用来传送控制传输的要求给设备，输入 事务是从设备接收数据，输出事务是传送数据到设备。每一种传输类型， 包含个或多个阶段( s t a g e ，即事物的类型) 。而每一个阶段包含两个或 三个相位( p h a s e ，即信息包) ，这三个相位依序产生，分别是令牌( t o k e n ) 、 数据( d a t a ) 与联络( h a n d s h a k e ) 。 每一个信息包的信息是以一个信息包标识符开头，用来作为识别之 用。依据事务种类的不同，p i d 后面可能接着端点地址，数据，状态信 息，或是一个帧号码，以及错误校验位。信息包的格式如图2 2 。 2 3 错误的检验 图2 - 2 信息包的数据格式 由于u s b 使用外接电缆，产生噪声是常见的问题。为了避免的错误 信息的传输，u s b 的信息包包含了错误检验的位，让接收端识别接收的 一 2u s b 20 开发协议及基于e z u s bf x 2 开发板的调试 数据与传送的数据是否符合。如果是需要多笔事务的传输，一个数据的 交替数值( d a t a t o g g l ev a l u e ) 会保证发送端与接收端同步，来保证没有 事务会遗失掉。 所有的令牌、数据与帧开端信息包，都包含有错误校验用的位。此 位的数值使用一种数学算法：循环冗余校验算法( c r c ) 来计算。c r c 应用在要检查的数据上时，传输设备执行c r c 的计算，然后将计算结果 与数据一起传送。接收设备将接收的数据执行相同的计算，如果结果符 合就表示没有错误，接收设备会传回一个a c k 。如果结果不符合，接收 设备不会送出联络信号，来告诉传送者要重新传送。 在需要多笔事务的传输中，数据交替位通过让发送端与接收端同步， 来保证没有事务的遗失。数据交替位是包含在输入与输出事务的令牌信 息包的p 1 d 字段中，d a t a o 是0 0 1 1 的码，d a t a l 是1 0 l l 的码，所以位 3 表示数据交替的状态。在控制器芯片中，一个缓冲器位通常用来指示数 据交替的状态。此位的另一个名称是d a t a 0 1 ，或是d a t a i 0 ( ! ) 。发送 端与接收端都会追踪数据交替的状态。在配置设备时，两者的位都设置 成d a t a 0 。 2 4 描述符( d e s c r i p t o r ) u s b 设备的描述符是对u s b 设备的属性说明“，本质上是一个数据 结构。在检测设备的期问，主机使用控制传输来要求设备传回描述符。 除了标准描述符外，设备也可以包含类别( c l a s s ) 或厂商( v e n d o r ) 特 定的描述符。u s b 的标准描述符包括： 设备描述符 d e v i c eq u a l i f i e r 描述符 配置描述符 o t h e r s p e e d c o n f i g u r a t i o n 描述符 西安理工大学硕士学位论文 接口描述符 端点描述符 字符串描述符 关于每个描述复的数据结构可参考u s b 20 的协议。 2 5u s b 四种传输 在主机和设备间的数据交换存在两种通道：流通道和消息通道“”。 u s b 协议中共定义了四种传输。在四种传输类型中，控制传输具有最复 杂的结构，包括一个设置阶段，一个选择性的阶段和一个状态阶段“”。 每个阶段包含一笔或多笔事务，事务内包含一个令牌相位，一个数据 相位，以及一个联络信息包。主机使用控制传输来与设备交换配置的设 置信息，在控制传输过程中，主机每次都是先发出一个“要求”( r e q u e s t ) ， 然后设备根据主机的要求反馈给主机需要的信息包。u s b 中共提供了1 1 个标准要求，分别是： c l e a rf e a t u r e g e tc o n f i g u r a t i o n g e td e s c r i p t o r g e ti n t e r f a c e g e ts t a t u s s e ta d d r e s s s e tc o n f i g u r a t l 0 n s e td e s c r i p t o r s e tf e a t u r e s y n c f r a m e 批量传输包含一个或多个输入或输出事务，适合使用在时间不重要 的传输中。批量传输可以传输大量的数据而不会阻塞总线，因为它会让 2 u s b 2 0 开发协议及基于e z u s bf x 2 开发板的调试 其它传输类型先执行，等待有可以传输的时间。在一个闲置的总线中， 批量传输是最快的传输类型。 中断传输包含有一笔或多笔输入事务，或是一笔或多笔输出事务。 中断传输与批量传输的结构相同。中断传输使用在必须在指定的时间内 传输完的数据上。 所谓实时传输表示在每一个帧( i m s ) 或微帧( 1 2 5 u s ) 内，必须传 输一个周定数目的字节数据。帧由一个或者多个在l m s 中必须完成的传 输事务构成1 1 2 l , 除了实时传输之外，其它的传输类型都不能够保证每个 帧内会有指定数目的字节数据。一个全速的实时传输，在每个帧内包含 有一笔事务。高速的实时传输比较有弹性，最多可以在每个微帧内包含 有3 笔事务。实时传输适用在以固定速率或特定时间内传输，可以容忍 偶尔错误的串流数据上。 2 6e z u s bf x 2 开发板的调试 在开发u s b 2 0 外围控制器的前期，我们对u s b 2 0 接口芯片在图像 传输系统中的应用进行了实验。实验的平台采用了c y p r e s s 公司的 e z u s bf x 2 开发板。c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 是一个高性能的集 成电路，为u s b 外围设备提供了完整的解决方案“”。f x 2 芯片的结构图 见图2 3 。 西安理工大学硕士学位论文 c 图2 3f x 2 芯片结构酗 整个图像传输系统除了f x 2 外还需要一个支持u s b 2 0 协议的p c 机，和一个负责图像采集的传感器，这里选用p i x e l p l u s 公司的 p v 0 4 3 0 k 。通过对此传输系统的实验，使我们不但熟悉了u s b 2 0 的开 发协议，而且更清楚了一个基于u s b 20 接口的图形传输系统的软、硬件 的工作原理，从而为开发具有自主知识产权的u s b 2 0 外围控制芯片提供 了很好的方案借鉴。 1 0 3 u s b 2 0 外围控制器芯片的设计 3 u s b 2 0 外围控制器芯片的设计 为了叙述上的方便，这里将u s b 2 0 外围设备功能控制器称为c u s b 2 ( c o r e u s b 20 ) 。它的接口逻辑既支持u s b 的全速传输，也支持u s b 高 速传输，完全满足u s b 2 0 的标准协议，在逻辑上实现了数据传输的自治， 不需要c p u 的真接参与 14 1 。c u s b 2 提供了一个u s b 与m c u 的接口， 此接口设计灵活，在具体应用中可被用户定制和优化。 c u s b 2 可在规模更大的a s i c 和f p g a 设计中复用，此设计中的所 有电路严格遵守同步时钟上升沿触发，有一个同步全局复位信号且内部 寄存器没有三态，因此插入扫描链( s c a ni n s e r t i o n ) 时，可直接通过 1 5 1 。 3 1c u s b 2 的基本设计流程及其功能特点 3 1 1c u s b 2 的基本设计流程 c u s b 2 是一个逻辑控制i p ，内部不包含模拟电路，采用了t o p d o w n 的大规模数字电路的设计方法。根据系统解决方案和各个模块的输入输 出、内部寄存器功能描述，我们首先对电路进行了建模，然后，进行系 统级验证和r t l 级仿真( 即功能仿真) ，功能仿真通过后，进行了综合 ( s y n t h e s i s ) 和静态时序分析( s t a t i c t i m i n g a n a l y s i s ) ，采用不同的器件 库，综合和静态时序分析的结果会大不相同“，c u s b 2 采用的是t s m c 的o2 5 微米的工艺库，e d a 工具采用的是d c ( d e s i g nc o m p i l e r ) 和p t ( p r i m et i m e ) 。通过反标综合后生成的标准延迟格式( s d f ) 文件“”， 我们进行了门级仿真。整个设计的流程图见图3 。1 。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 图3 - 1c u s b 2 所采用的a s i c 设计流程图 3 ，u s b 2 0 外围控制器芯片的设计 由于c u s b 2 只是一个u s b 2 0 的功能控制i p ，目的是为了嵌入到图像处 理或是音频处理等s o c 中，所以c u s b 2 门仿后的许多流程是与其嵌入 的s o c 一并进行的，在c u s b 2 的i p 设计过程中，我们的工作量主要集中 在图3 - 1 中虚线以上的流程，即前端设计。若想实现a s i c ( 目前还没有 完成a s i c ) ，还需要进行插入扫描链( s c a ni n s e r t ) 、时钟树插入( c l o c k t r e e i n s e r t ) 、布局( f l o o r p l a n ) 、自动测试模式生成( a t p g ) 、布线( r o u t i n g ) 和物理验证( p h y s i c a lv e r i f i c a t i o n ) 等工作。 3 1 2u s b 2 0 外围控制器的功能特点 一个控制端点( e n d p o i n t 0 ) ，大小为6 4 b ”e 1 5 个输入( i n ) 和l5 个输出( o u t ) 端点，均可编程： 端点数可编程 端点大小可编程 端点类型可编程 端点中的缓存器的类型可编程，类型有：s i n g l e 、d o u b l e 、 t r i p l e 或是q u a d 。 提供一个u t m i ( u s bt r a n s c e i v e rm a c r o c e l li n t e r f a c e l 支持p h i l i p s 的i s p i5 0 1u s b 2 0 收发器 具有可配置的8 1 6 3 0 i 的微处理器的接口，有以下特点： 兼容多种c p u 和总线结构，易于集成 提供多种中断请求信号 支持用户定义的中断变量 一个同步的r a m 接口 提供一个可配置的8 1 6 3 2 位的通向端点缓存器的s l a v ef i f o 接 口，可实现c u s b 2 内部端点与外部模块d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s ) 西安理工大学硕士学位论文 远程唤醒( r e m o t ew a k e - u p ) 功能 挂起( s u s p e n d ) 平d 恢复( r e s u m e ) 功能 一个支持自检和配置的状态机 支持u s b 标准要求 一个同步r o m 接口，此r o m 存储有u s b 功能描述符 3 2c u s b 2 的模块结构概述及引角定义 3 2 1c u s b 2 的模块结构 考虑到芯片功能完燕性、功耗的大小和芯片成本，c u s b 2 采用了图 3 - 2 所示的系统结构。 图3 - 2c u s b 2 的模块图 c u s b 2 每个模块的主要功能如下： 3 u s b 20 外围控制器芯片的设计 接收传送控制模块( r e c e i v e r t r a n s m i t t e rc o n t r o lm o d u l e ) 口- i 直接 与符合u t m i 标准的u s b 2 0 收发器相连，也就是上图中的 r x t x c t r l 模块，它分别包含了接收和传送两个有限状态机， 可完成并行数据的循冗余码校验和发生( c r c c h e c k i n g g e n e r a t i n g ) 。 设备事务状态机模块( d e v i c et r a n s a c t i o nf s mm o d u l e ) 负责 c u s b 2 中的基本事务( t r a n s a c t i o n s ) 的处理，支持速度的协商协 议。此模块即上图中的d e v f s m 模块。 控制传输模块( c o n t r o lt r a n s f e rm o d u l e ) 负责整个u s b 的控制 传输，控制传输是u s b 四种传输中最复杂的传输。此模块可以 响应所有u s b 2 0 的标准要求，完成与上位机( h o s t ) 的交互。在 上图中表示为e p o 。 非控制传输输入输出模块( n o n c o n t r o lt r a n s f e r1 n o u t m o d u l e ) 负责c u s b 2 的非控制传输，包括中断传输( i n t e r r u p t t r a n s f e r ) ，批量传输( b u l kt r a n s f e r ) ，实时传输( 1 s o c h r o n o u s t r a n s f e r ) 。这里的输入和输出都是相对于上位机而言，这两个模 块分别是上图中的e p i n 和e p o u t 。 特殊功能寄存器控制模块( s p e c i a lf u n c t i o nr e g i s t e r c o n t r o l m o d u l e ) 为c u s b 2 提供了一系列的特殊功能控制寄存器，c u s b 2 和c p u 接口之间的许多功能都是通过s f r s 中的寄存器来完成 的。 接口控制器模块( i n t e r f a c ec o n t r o l l e rm o d u l e ) 提供c u s b 2 与c p u 和外部设备的接口，这个接口的特点是可以兼容多种总线接口， 支持同步的读写，易于集成。 配置枚举状态机模块( c o n f i g u r a t i o n e n u m e r a t i o nf s mm o d u l e ) 主要用来支持端点0 完成控制传输，它支持u s b 2 0 标准的命令。 主要工作于c u s b 2 的配置和枚举工程。 里室墨三查堂翌圭堂堡堡查 3 2 2c u s b 2 的接口引角 3 1 。 1 6 c u s b 2 的引角图如图3 - 3 。其各个引角类型、位宽、功能描述见表 州龇舭。r n 忙r 蠡| c e、 o u t 蜘 涮h e n d 删a t 一 。鬈装 竺：删 岛o f i f o 眦矗l t 删l p l 裟“淼茹 竺黧怂 n 意磊茹 i n 如轴w f ” 岫l a v 甜 f i f o o a l d v o 图3 - 3c u s b 2 的引角图 u pc l t x k l - 时“划撑$ 罐 m i e r o p r o c c s , s o r j m 氍矗o e 抽科m p 姆 s l a 、| , e f i f 0 i n 触o e c o n f i g u r a t i o n r o mi a t e r f a c e 、lrj，_产lj、0irlj r _ l r j 3 u s b 20 外围控制器芯片的设计 表3 - 1c u s b 2 引角功能描述 引角名类型极性位宽描述 c l k u s b 输入上升沿u s b 时钟域的时钟，来自 u t m i ，可工作在3 0 6 0 m h z u t m i 接口 u t m i t x r e a d v输入高电平传送数据开始 u t m i t x v a l i d 输出 l 2 传送有效 u t m j d a t a i n 输出 8 1 6 输入数据总线 u t m i r x a c t i v e 输入高电平 接收开始信号 u t m l r x e r r o r 输入高电平接收出错 u t m i r x v a l i d 输入 】2 接收数据有效 u t m i d a t a o u t 输入 8 1 6 输出数据总线 u t m i l i n e s t a t e 输入 2 线上状态信号 u t m i s u s p e n d m 输出低电平挂超信号 u t m i o p m o d e 输出 2 工作模式 u t m i t e r m s e l e c t 输出高电平 终止选择信号 u t m i x c v r s e l e c t 输出 高电平收发选择信号 中断接口 c l k u p 输入上升沿 微处理器时钟域时钟 r e s e t 输入高电平 硬件复位信号 w u i n t r e q 输出 高电平唤醒中断请求 u s b i n t r e q 输出脉冲u s b 中断请求 f i o i n t r e q 输出脉冲 f i f o 空满中断请求f s l a v e f i f o 接口1 u s b i v e c t 输出 6 u s b 中断矢量 “f o i v e c t 输出 5 f i f o 中断矢量 微处理器接口 西安理工大学硕士学位论文 u p a d d r输入9 地址总线 u p d a t a i 输入8 16 3 2 1 ，1 输入数据总线 u p w r输入 高电平数据写信号 u p r d 输入 高电平数据读信号 u p s l z e输入 l 2 总线字节选择信号 u p d a t a o 输出8 1 6 3 2 c ，1 输出数据总线 s l a v ef i f o 接口 f j f o a d d r 输入4 f i f o 地址总线 f i f o i n e n d 输入 高电平 提供重送缓冲器 矗f o i n d v j 输入 2 3 4 输入数据有效位 f i f o i n d a t a i 输入 8 16 3 2 c zj 输入数据总线 f i f o i n w r 输出高电平 输入缓冲器写信号 n f o i n f u l l 输入高电平输入缓冲器满信号 f i f o o u t s k i p输入高电平跳过缓冲器，提供接收缓冲 器 n f o o u t r d 输出高电平输出缓冲器读信号 n f o o u t d a t a o 输出 8 1 6 3 2 1 z 输出数据总线 f i f o o u t e m p t y 输出高电平输出缓冲器空信号 f i f o o u t d v o 输出 2 3 4 输出数据有效位 片上缓冲器接口 o u t a d d r w r输出可配置输出缓冲器地址写信号 o u t d a t a w r 输出 8 1 6 【4 i 输出缓冲器写数据总线 l 。im c u 的数据总线接口可根据需要配置成8 位、1 6 位或3 2 位 2 1s l a v ef i f o 的数据总线接口可根据需要配置成8 位、1 6 位或3 2 位 1 3 地址总线的宽度的配置取决于端点缓冲器的大小 4 1 数据总线的位宽取决于u t m i 数据总线的位宽 3 u s b 2 0 外围控制器芯片的设计 o u t w r输出高电平输出缓冲器写信号 o u t d a t a r d 输入 8 16 3 2 t 5 1 输出缓冲器读数据总线 o u t a d d r r d 输出可配置j 3 j输出缓冲器地址读信号 o u t r d 输出高电平输出缓冲器读信号 i n a d d r w r 输出可配置输入缓冲器地址读信号 i n d a t a w r输出8 16 3 2 t , j 输入缓冲器写数据总线 1 n w r 输出高电平输入缓冲器写信号 i n d a t a v a i 输出 2 3 4 输入缓冲器数据有效 i n d a t a r d 输入 8 1 6 j ” 输入缓冲器数据读总线 i n a d d r r d 输出可配置i - 1输入缓冲器地址读信号 i n r d 输出高电平输入缓冲器读信号 配置r o m 接口 c f g r o m d a t a i 输入 8 1 6 t l 配置r o m 数据总线 c f g r o m a d d r 输出可配置w配置r o m 地址总线 c f g r o m r d 输出 高电平配置r o m 输出使能 3 3c u s b 2 的系统级设计 3 3 1c u s b 2 的内存结构 c u s b 2 的内存分为两个部分：特殊功能寄存器部分和缓冲器r a m 。 c u s 3 2 地址空间为5 1 2 字节( b y t e ) 。 3 3 2 高速模式与全速模式的检测 当u s l 3 的主机和c u s b 2 控制器都要求工作在高速模式下时，c u s b 2 3 1 数据总线的位宽取决于m c u ( s l a v ef i f o ) 数据总线的位宽 望茎翌三垄堂翌主兰竺笙查 将切换到高速工作模式( 4 8 0 m b s ) 。高速协商的过程发生在u s b 复位期 间。当c u s b 2 与个全速的主机相连接时，它将工作在全速，如果它和 一个高速的主机相连接时，c u s b 2 将自动切换到高速模式。 3 3 3c u s b 2 控制端点 a c u s b 2 控制端点的实现 每一个u s b 设备都被分配成