（信息与通信工程专业论文）基于优盘应用的usb20接口控制芯片的设计与实现.pdf

摘要 本文介绍了一种专门针对优盘应用的u s b 2 0 设备控制芯片的设计方法，并 对芯片中的闪存控制器的实现做了详细的描述，最后给出闪存控制器仿真与验证 的结果，说明闪存控制器的设计达到了预期的目标。 首先介绍了u s b 接口特点，国内外u s b 2 0 接口芯片的发展现状，研发技 术积累，优盘的广阔市场前景，指出现阶段开发针对优盘设计的u s b 2 0 接口芯 片有重要的意义。 然后对u s b 2 ，0 协议和u t m i ( u s b 2 0t r a n s c e i v e r m a c r o c e l li n t e r f a c e ) 接e l 规 范进行了概述。它们是芯片硬件设计最基本的依据。 芯片在硬件上分为8 个模块：微处理器( m c u ) 、u s b 2 0 收发器( p h y ) 、 串行接口引擎( s i e ) 、s i t e 辅助接口( s a i ) 、数据缓存区( d b u f ) 、d m a 控 制器( d m a c ) 、闪存控制器( f c ) 、m c u 总线接口( m i t f ) 。m c u 负责整 个芯片的控制。u s b 2 0p h y 完成u t m 功能，向s i e 呈现u t m i 接口。s i e 处 理u s b 2 0 协议包，向外设提供u s b 协议包内的有效数据载荷。s a i 通过s i e 应 用端的d m a 接口缓存端点数据。d b u f 缓存与f l a s h 交互的数据。d m a c 实现 d b u f 与f l a s h 之间的d m a 传输控制。f c 负责对f l a s h 的所有底层操作。m i t f 模块用于各个模块与m c u 模块之间的总线控制。 芯片的整体运作是靠m c u 中的固件来控制的。固件的设计遵循b u l ko n l y 协议，负责解析u f i 命令并执行相应的操作。文中还给出基本的读写数据流程。 对闪存的操作是优盘的速度瓶颈，它设计的好坏直接影响着优盘的整体读 写速度。结合闪存( f l a s h ) 的块页组织结构和操作特点，就f c 模块的设计做 了详细的说明。f c 硬件上分为5 个模块：f c d e e o d e 、f c c t r l 、f c s m 、f c e c c 、f c m u x 。 f c d e c o d e 对地址线做译码。f c c t r l 包含f c 内大部分控制寄存器的设置。f c s m 实现7 种f l a s h 操作的状态机，产生与f l a s h 和d m a c 模块的接口时序，是虽复 杂的核心模块。f c e c c 产生读写数据的e c c 校验码。f c m u x 是m c u 读f c 内寄 存器时的数据切换通道。 最后给出了f c 模块仿真、验证的方案，以及在f p g a 测试平台上的验证结 果，对照逻辑分析仪上的波形可以看出所有f l a s h 操作的时序，最终得出的测试 结果说明f c 的设计达到了预期的目标。并指出今后可进一步优化设计的方法。 关键词：通用串行总线、串行接口引擎、闪存、f p g a a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e s i g no fu s b 2 0i n t e r f a c ec o n t r o l l e ra s i c ， d e s c f i b e s 也er e a l i z a t i o no f f l a s hc o n t r o l l e r ( f c ) m o d u l ei nd e t a i l f i n a l l yt h er e s u l to f t h es i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o ni sb e i n gs h o w n ，i tp r o v e st h a tf c r e a c h e st h ea i mo f t h e d e s i g n f i r s t l y , t 1 1 j sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ef e a t u r e so f u s b ，t h ec u r r e n td e v e l o p m e n t o fu s b 2 0i n t e r f a c ea s i ci nt h ew o r l d ，0 1 1 1 t e c h n i c a la c c u m u l a t e , t h ew i d em a r k e t p o t e n t i a lo f u d i s k t h e np o i n t so u tt h i sr e s e a r c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h e nt h e r ei sab r i e fi n t r o d u c t i o no fu s b 2 ，0 s p e c i f i c a t i o n a n du s b2 0 t 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 es p e c i f i c a t i o n t h e ya r et h em o s tb a s i cr e f e r r e n c eo f t h i sd e s i g n t h i sd e s i g ni sc o m p o s e do f8m o d u l e s ：m i c r o c o n t r o l l e r ( m c u ) 、u s b 2 0p h y 、 s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e ( s i e ) 、s i ea s s i s t a n ti n t e r f a c e ( s a l ) 、d a t ab u f f e r ( d b u t ) 、d m a c o n t r o l l e r ( d m a c ) 、f l a s hc o n t r o l l e r ( f c ) 、 m c ub u s i n t e r f a c e ( m i t f ) m c u c o n t r o l st h ew h o l e o p e r a t i o n o ft h e d e s i g n u s b 2 0 p h yf i n i s h e st h eu t m f u n c t i o n s ，p r e s e n t su t m i f o rs i e s i ed e a l sw i t ht h eu s b p r o t o c o lp a e k e b ，p r o v i d e s t h ep a y l o a do fu s b p r o t o c o lp a c k e t sf o rt h ed e v i c e s a ic o m m u n i c a t e s w i t hs i eb y d m a i n t e r f a c e ，s t o r e se n d p o i n td a t ai ne n d p o i n tb u f f e r d b u fi s ab u f f e rf o rt h ed a t a t h a tw i l le x c h a n g ew i t hf l a s h d m a cc o n t r o l st h ed m at r a n s f e r sb e t w e e nd b u fa n d f c f ci si nc h a r g eo ft h ew h o l eo p e r a t i o n so ff l a s h m i t fi st h ei n t e r f a c eo fm c u w i t ho t h e rm o d u l ew i t h i nt 1 1 ea i s c t h ew h o l eo p e r a t i o no ft h e d e s i g n i sc o n t r o l b y t h em c uf i r m w a r e t h e f i r m w a r em u s to b e yb u l ko n l yp r o t o c l i n t e r p r e t sa n de x e c u t e su f ic o m m a n d s ，t h c b a s i cd a t af l o wo fr e a da n dw r i t ea r ea l s ob e i n gg i v e n f l a s ho p e r a t i o ni st h es p e e db o t t l e n e c ko f t h eu d i s k ，t h ed e s i g no f f ci n f l u e n c e s t h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h eu d i s k ，a c c o r d i n gt of l a s h sb l o c k p a g es t r u c t u r ea n d o p e r t a t i o nf e a t u r e s ，t h ed e s i g no f f ci sb e i n gd e s c r i b ei nd e t a i l ，f ci sc o m p o s e do f5 m o d u l e s ：f c d e e o d e ，f c c t r l ，f e s m ，f c e c c ，f c m u x 。f c d e c o d ed e c o d e st h ea d d r e s s f c c t r lc o n t a i nt h e m o s t l yc o n t r o lr e g i s t e r s o ff c f c s mr e a l i z e st h es e v e ns t a t e m a c h i n e s ，e a c hs t a t em a c h i n ef i n i s h e so n ek i n do ff l a s ho p e r a t i o n f c s mi st h em o s t c o m p l e x a n d i m p o r t a n t m o d u l ei nt h ef c f c e c cw o r k so u tt h ee c cc o d e so f t r a n s f e r d a t a ，f c m u xi sa m u l t i p l e x e rw h e n m c ur e a dt h ef c r e g i s t e r s a tl a s t ，t h ep r o j e c to fs i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o no ff ci sb e i n gg i v e n f ch a s i i b e e ni m p l e m e n ti nf p g at e s t p l a t f o r m t h et i m i n gw h i c hi s f r o ml o g i c a n a l y z e r s h o w s e v e r yf l a s ho p e r a t i o n s t h et e s tr e s u l tp r o v e sf cr e a c h e st h ea i mo ft h ed e s i g n s o m e i m p r o v e dw a y s a l ea l s ob e i n g g i v e n ， k e y w o r d s ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s 、s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e 、f l a s h 、f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 第1 章引言 1 1 国内外发展现状和研究工作的实用价值 通用串行总线u s b2 0 是由c o m p a q 、h p 、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 制定的一种计算机外设连接规范，于2 0 0 0 年4 月2 7 日公开发布，在 原先u s b l 1 的1 5 m b s 和1 2 m b s 基础上增加了4 8 0 m b s ( 6 0 m b s ) 的高速数据 传输模式，具有即插即用、热插拔、接口体积小巧、节省系统资源、传输可靠、 提供电源、良好的兼容性、共享式通信、低成本等优点【i n “。u s b 2 0 接口迅速成 为p c 机的主流接口，一时问红遍全球，大有一统p c 外部接口之势。 随着p c 应用的普及化，以p c 为核心的各类外设越来越多，从优盘到m p 3 播放器，从数码相机到打印机，u s b 接口几乎应于所有种类的外设，甚至有些 外设只推出了u s b 版本。据d i g i t i m e s 科技网的评论预测u s b 产品的出货量将 从2 0 0 3 年的4 亿9 0 0 0 万套成长至2 0 0 8 年的1 1 亿3 0 0 0 万套，年复合成长率为 1 8 1 【3 】。每一个u s b 的外设都必须至少有一片u s b 接口芯片。因此u s b 2 0 接口控制芯片的研究具有很大的实用价值和广阔的发展前景。 国外u s b 2 0 接口芯片产品开发的很早，甚至在u s b 2 0 协议公布的同年1 1 月份【3 】，c y p r e s s 和p h i l i p s 就推出了u s b 2 0 接口芯片。当前市面上卖的u s b 2 0 接口芯片也都被国外芯片所统治，其中c y p r e s s 、i n t e l 、p h i l i p s 、n e t c h i p 、n e c 、 t i 等几家公司的芯片比较成功【4 j 。它们的芯片主要分2 种：带u s b 接口的单片 机或纯粹的u s b 接口芯片，后者需要用外部的m c u 、d s p 或其它的处理器来对 接口芯片进行控制。2 种接口芯片的核心部分都是u s b 2 0 p h y + s i e 核，其它还包 括时钟模块、数据缓存、各类接口等，不同的接口芯片有各自的一些特色，不过 总体结构和功能都相差不大。在使用时需要处理器的固件以中断的方式来做一些 控制，比如向主机返回各类设备描述符( 详见u s b 2 0 协议第9 章u s bd e v i c e f r a m e w o r k ) 等。u s b 接口上电配置好以后，处理器可通过u s b 接口芯片收发 与u s b 协议无关的数据h 1 5 j 。 国内u s b 2 0 接口芯片现在也有一定的发展。早在2 0 0 2 年国内已有一些公 司开始研究u s b 2 0 的接口芯片，比如青岛硅盛微电子有限公司已取得了研发成 功，并于2 0 0 4 年5 月申请了专利1 5 j ，它还在2 0 0 5 年的高交会上吸引了资金，进 入u s b 2 0 接口芯片的产品研发阶段1 6 j 。国家相关部门也高度重视u s b 2 0 接口 芯片的研发，并将其列为国家8 6 3 项目，课题组在2 0 0 2 年承接了u s b 2 0i p 核 开发的国家8 6 3 项目，在2 0 0 4 年3 月通过了国家的验收。当时的演示系统也是 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 优盘的应用。课题组的u s b 2 0 接口芯片的技术处于国家领先的水平。这个项目 和原8 6 3 项目最大的不同是两者开发的侧重点不同。原先的项目是偏重于研发的 项目，目标是打破国外的技术垄断，拥有自己的核心自主知识产权；当前这个项 目是偏重于产品的项目，目标是优盘产品，有很多产品的指标和要求。 优盘是u s b 接口最主要的一种应用，自从1 9 9 9 年朗科生产出第一个优盘 以来【9 1 ，它便以小巧方便的特点迅速取代了人们原先使用的软盘，成为最为主流 的一种便携存储设备，甚至成为一种电子产品的时尚，几乎人人都在使用，故而 设计针对优盘应用的u s b 2 0 接口控制芯片不仅可以打破国外对u s b 接口芯片 的垄断，掌握核心技术和自主知识产权，同时具有巨大的市场潜力。 1 。2 研究工作要达到的目标 本项目的是个偏重于产品的项目，目的是制作针对优盘应用的u s b 2 0 接口 控制芯片。它以优盘产品为目标，不考虑其它u s b 外设的应用，开发时间、设 计指标都很严格。以前的项目由于侧重于s i e 的设计，验证的应用系统做的比较 简单，尤其是对f l a s h 的操作，只是对一个3 2 mf l a s h 做了操作，在硬件上几乎 就是个直接的通道，主要的操作时序都是由底层固件来进行，对f l a s h 操作的效 率是很低的。优盘的速度瓶颈主要就在于对f l a s h 的操作，本项目中的闪存控制 器( f c ) 模块针对优盘产品的要求进行了全新的开发，完全用硬件实现对f l a s h 的各种具体的操作，增加了很多具体的功能，如简化m c u 对f l a s h 的操作，m c u 无需了解f l a s h 的接口时序，通过具体的控制参数就可实现操作；m c u 从具体 的i o 口线或寄存器就直接得到操作的最终结果；可对f l a s h 不间断的操作：支 持所有三星、东芝的8 位n a n d 型f l a s h ；支持不同f l a s h 的不同读写特性；大 大提高f l a s h 的操作速度等。详情请参见第4 章和第5 章。 整个u s b 2 0 接口控制芯片主要实现以下功能和指标： 与高速u s b 2 ，0 规范兼容，并可使设备能向下兼容u s b l 1 产品 芯片内部的u s b 传输支持1 2 m b s 、4 8 0 m b s 模式 利用此芯片只需外挂f l a s h 就可开发优盘 最多支持外挂8 片f l a s h 芯片，支持3 2 m g g b 的容量 先实现单通道的f l a s h 控制，后实现多通道的f l a s h 控制 在3 0 m 时钟下甩硬件实现f l a s h 接口时序，突破f l a s h 操作的速度瓶颈 能对f l a s h 进行不问断操作 支持所有三星和东芝的8 位n a n d 型f l a s h 芯片 支持w i n d o w s x p 2 0 0 0 m e 9 8 操作系统 2 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 支持固件升级 1 3 课题来源 本课题由电子科技大学通信与信息工程学院课题组与校外公司合作开发， 本论文是此课题中的一部分。该公司独立开发出了国内第一片u s b 2 0 收发器， 课题组曾担任国家8 6 3 计划一- - u s b 2 0i p 核的开发工作，双方有很强的技术互 补性。这次开发的u s b 2 0 接口控制芯片是以应用到优盘产品为目标的。 电子科技大学硕士论文：u s b 2 o 接口控制芯片的设计与实现 第2 章u s b 2 0 协议概述 u s b 2 0 接口控制芯片必须按照u s b 协议进行设计，因此在对该i p 核设计 进行讲解之前，有必要先对u s b 2 0 的协议原理进行简单的介绍。 2 1u s b 协议总揽 u s b 2 0 接口是一个传输速率可以达到4 8 0 m b s 的串行接口，并由不同类型 的外围设备共享这个接口总线。一个主机最多可通过u s b 总线控制1 2 7 个外设。 u s b 主机是整个总线的主控者，掌握所有的控制权，总线上的通信都是由主机 来发起。主机负责向各个外设发出各种命令和配置。u s b 是基于令牌包的通信 协议。主机在总线上发送含有设备地址和命令的令牌包，这时总线上符合该地址 的设备将接收这个包，并且按照令牌包的内容进行相应的操作。另外主机会定时 发送帧开始包，将总线时间分割为1 2 5 9 s 一帧( u s b l 1 为l m s 一帧) 。所有总 线上的设备就会以时间分割的方式来分享总线带科1 【2 】。 2 2u s b 的电气特性 u s b 总线通过4 线电缆来传输信号，如图2 1 所示。其中v b u s 和g n d 是电源线，d + 和d 一是差分信号线。u s b 主机通过v b u s 和g n d 两根电源线提 供设备所需的电流【”。 u s d 十 n g n d 图21u s b 电缆 v 孤s d + d g n d u s b 支持热插拔，需要有机制检测u s b 设备的插入和拔出。当主机检测到 信号线上电平升高到一定电平后可判断设备已经连接。当主机检测到信号线上电 平都降低到一定电平后可判断设备的移除。u s b 总线的差分信号线以总线的差 分状态表示“1 ”或者“0 ”。采用差分方式可以降低干扰，提高总线速度”。 由于u s b 2 0 需要和u s b i 1 互相兼容，并且u s b 总线要求在总线空闲的时 候挂起总线以便于省电。因此u s b 总线定义了总线复位、挂起和恢复协议。用 于主机和设备相互确定双方的运行模式以及如何挂起设备和如何使挂起设备恢 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 复到正常状态( 1 j 。 2 3u s b 的系统结构 一个u s b 系统是个结构很清晰的系统，可以从不同角度和层次上来理解a 2 3 1 总线的拓扑结构 u s b 系统的总线拓扑结构是一个金字塔结构，包括以下三个部分：唯一的 u s b 主机、u s b 内连中继器( h u b ) 、u s b 设备。其总线拓扑如图2 - 2 所示【1 1 【4 1 。 2 3 2 内部层次关系 图2 2u s b 系统总线拓扑图 在实际的应用系统中，不同层次的实现者对u s b 有不同要求。u s b 系统的 分层概念能使不同层次的实现者只关心u s b 相关层次的特性功能细节，而不必 掌握从硬件结构到软件系统的所有细节。一个u s b 设备对于u s b 系统来讲就是 一系列端点的集合，多个端点集合组成了接口，多个接口组成了最上层的配置。 系统软件通过u s b 设备的端点0 对系统进行设置，而在最底层，主机和设备通 过u s b 总线电缆进行数据交换i l 】1 5 】。u s b 系统的层次结构如图2 - 3 所示。其中实 线表示实际的通信流，虚线表示逻辑通信流。 电子科技大学硕士论文：u s b 2 ，0 接口控制芯片的设计与实现 互琏 2 3 3 数据流模式 图2 3t j s b 系统层次结构图 图2 4 说明了数据在主枫侧内存缓冲和设备端点之间的传输方式。主机上的 软件通过一系列的通信流与逻辑设备的端点进行通信。 图2 4u s b 通信流 每个通信流都在设备上的某个端点结束。不同设备的不同端点用于区分不 同的通信流。一个端点是一个可唯一识别的u s b 设备的部分，是主机与设备 闯通信流的一个结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了u s b 逻辑设备。 每个逻辑设备有一个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时，由主机分配的， 电子科技人学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 而设备中的每个端点在设备内部有唯一的端点号，端点号由设备设计者设定。设 备地址+ 端点地址就可以选中某个u s b 设备中的一个端点。一个u s b 设备最多 可支持1 6 个端点。端点o 是固定的控制传输，每个u s b 设备都必须具备；其余 的端点的端点数目、端点号、传输方式、传输方向都是由设备设计者根据需要来 进行设定儿”。 u s b 通信流是为主机软件和它的u s b 应用设各间的通信服务的，对客户与 应用间不同的交互，对通信流有不同的要求。u s b 允许各种不同的通信流相互 独立地进入一个u s b 设备，每种通信流都采取了某种总线访问方法来完成主机 上的软件与设备之间的通信l l 】 5 1 。 2 4 u s b 传输模式 u s b 协议规定了4 种传输模式以适应不同的应用环境，这几种传输方式在 数据格式，总线访问的限制，延时的限制，出错处理等方面都有不同的特征。一 次完整传输包含3 个阶段：设置阶段、数据阶段、状态阶段。但并非所有的传输 方式都包含所有的阶段。每个阶段一般由3 个u s b 协议包组成：令牌包、数据 包、握手包。也不是每个阶段都会有完整的3 个包组成。以下为4 种传输方式。 2 4 1 控制传输 一种可靠的、非周期性的、由主机软件发起的请求或者回应的传输方式， 通常用于命令事务和状态事务。主机通过端点0 对设备进行配置都是通过控制传 输来完成。一个控制传输由设置阶段、数据阶段、状态阶段组成。图2 5 是一次 控制写传输。其中数据阶段是可选的，由不同的控制命令决定f l l 【5 1 。 图2 5 控制写传输 s e t u p s t a g e d a t a s t a g e o p t i o n a l s t a t u s s t a g e =陀m一鲤一|”伸一封一=睦。百一 雅|蝻竺确一 =旧m旧m一邬一=mmm一捌=苎旧旧旧百一 一圈旧型一口u蚴一硎吲例曰世 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 2 4 2 同步传输 一种周期性的、连续的传输方式，通常用于传送与射间相关的信息。这种 类型保留了将时间概念包含于数据中的能力。如影音文件的播放通常通过同步传 输模式。同步传输只有数据阶段，在数据阶段中没有握手包，这和同步传输要求 连续的通信特点是相联系 2 4 3 中断传输 圈2 6 同步1 n 传输 一种小规模数据的、低速的、固定延迟的传数方式，通常用于鼠标、键盘 类设备。中断传输只包含数据阶段，由主机定时向设备发i n 包来获得设备的中 断信息，从而决定下一步的操作。图2 7 为中断i n 传榭1 】( 5 】。 2 4 4 批量传输 图2 7 中断i n 传输 圊 l 犍! 蒹苎! ； 一种非周期性的，大数据量的、可靠的传送方式，用于传送那些可以利用 任何带宽的数据，而且这些数据当没有可用带宽时，可以容忍等待。通常用于对 时间没有严格要求的大规模数据传输，如优盘、移动硬盘、刻录机、数码相机等 外设。批量传输只包含数据阶段。图2 8 为批量i n 传输。图2 - 9 为批量o u t 传 输【l 】【“。 图2 8 批量i n 传输 圆 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接1 2 1 控制芯片的设计与实现 2 5u t m i 接口规范 图2 9 批量o u t 传输 2 5 1u t m i 接口应用的毖要性 圃 随着u s b 2 0 的到来，4 8 0 m b s 的速率很难仅仅依靠硬件描述语言的来完成 设计。i n t e l 公司制定了u t m i ( u s b 2 0t 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 ) 接口规 范来简化u s b 2 0 的设计。在这个规范中，定义了u t m i 的接口定义和u t m 单 元应该完成的功能，如数据的解串和串行化，时钟恢复，比特填充等。使得u s b 设备接口接口的开发者只需要面对6 0 m 的8 位数据或3 0 m 的1 6 位数据，并且 可以通过u t m i 接口中的一些状态控制信号来获得总线状态和控制u t m 的工作 方式，来满足u s b 协议的要求，从而大大简化了u s b 2 0 数字逻辑的设计难度。 使用u t m 来完成u s b 设计的a s i c 如图2 一i o 所示阴。 u s b 2 0 接口控制芯片 设备 上层逻辑 串行接口目l 擎( s i e ) 磊i 函r 1 端点逻辑 端点逻辑 s 匝 控制逻辑 u s b 20 收发器 宏单元 ( u t m ) 2 5 2 u t m 功能 图2 一i o 包含u t m 的a s i c 功能块 u s b 2 0 总线 u t m 用于消除u s b 开发者高速u s b 2 0 逻辑设计的困难，处理u s b 的底 层协议和信令，完成了u s b 协议电气上的很多基本的处理。u t m 的一些关键特 性有：向逻辑电路提供标准的u t m i 接口( 详细的u t m i 接口信号见参考文献9 1 ； 支持4 8 0 m b s ( 高速) 1 2 m b s ( 全速) 模式、仅有t 2 m b p s ( 全速) 模式、仅有1 5 m b p s f 低 速) 模式：使用6 0 m8 位或3 0 m1 6 位并行接1 2 1 传输u s b 2 0 数据；s y n c e o p 的 产生和检测；从u s b 的串行流中进行数据和时钟的恢复：比特填充和比特解填 充；比特填充错误的检测；具有保持寄存器用于暂存要发送和接收的数据；检测 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接1 3 控制芯片的设计与实现 和发送恢复信号；检测复位和挂起功能；在全速和高速之间切换端接和收发器电 平的特点【9 1 。 2 6 本章小结 本章对u s b 2 0 协议的一些原理及u t m i 规范进行了简要的介绍，它们是所 有u s b 2 0 接口芯片设计最基本的依据。 o 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 第3 章u s b 2 0 接口控制芯片整体设计 3 1u s b 2 0 接口控制芯片的硬件结构 u s b 2 0 接口控制芯片在硬件上由8 个模块组成：微处理器模块( m c u ) 、 u s b 2 0 收发器模块s b 2 0 p h y ) 、串行接口引擎模块( s e r i a l i n t e r f a c e e n g i n e ， 简称s i e ) 、s i e 辅助接口模块( s 1 e a s s i s t a n t i n t e r f a c e ，简称s a i ) 、数据缓冲区 模块( d a mb u f f e r ，简称d b u 0 、d m a 控制器模块( d m ac o n t r o l ，简称d m a c ) 、 闪存控制器模块( f l a s hc o n t r o l ，简称f c ) 、m c u 总线接口模块( m c ub u s i n t e r f a c e ，简称m i i f ) 。其结构框图如图3 一l 所示。 图3 1u s b 2 0 接口控制芯片硬件结构框图 m c u 负责控制协调整个接口控制芯片的运作：u s b 2 0p h y 将u s b 2 0 的 总线信号变成标准的u t m i 接口信号；s i e 负责处理u s b 协议层的操作，完成 u s b 协议包生成和解析：s a i 负责产生s i e 的应用端的接口信号，并暂存u s b 的端点数据；d b u f 负责暂存要与f l a s h 交互的数据，也供m c u 做数据的缓存： d m a c 控制d b u f 与f l a s h 之间的d m a 数据传输；f c 负责完成f l a s h 的各种操 作。m i f f 负责各模块的部分地址译码、相关数据的选通、双时钟域的同步，以便 于m c u 统一管理各个模块。 整个硬件工作在3 0 m 的时钟，这主要是因为s i e 接收的u t m i 信号是1 6 位3 0 m 的信号，s i e 必须工作在3 0 m 。m c u 的时钟可以比3 0 m 高，通过m i t f 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 中的同步模块来控制3 0 m 时钟域的硬件。 3 1 1m c u 模块 m c u 模块主要包括了一个r 8 0 5 1 5 的i p 核，r 8 0 51 5 是个8 位高速的m c u 核。其结构框图如图3 2 所示。 m e m d z t a i n 砼n 妇t a o m e u i d 删 i n , m a c k m e m r d r a m d a t a i r a m d a t a o m n m d & s f r d a t a i s f i d a t a o s f i a d & s f r o e s 矗w e r a d o i r x d o o t a d ) r a d l i t x d l m e m p s a c k o 一 m e j o r yc o n t r o l 陵 球蠹 侧it c o t l i 萎 一鳓 囊 4 p c d p h 幢 d p t a i t s r 疆 _ _ 麓凰缀藕蒸黼粼麟剿 i 一! 戮i醺匿纛翟 c o r n 0 1 2 3 皿，e x t 2 燃it m r2 t 2 c o n l 麟鬻黼瀚麟蓊蓊瓣 lt 1 2 t h 2 | 瀵 lr 蛆l s f r c 。n t r 。l | e r c l ，c r c h f 幽 鹕| c e l l c c h l 删 一 c c l 2c c h 2 i 鬟 l c c l 3 c c h 3 | _ 隧 删篆 c c u _ b mv p o r t s 嚣 兽 p o ； 世 - - - lp 2 i 麟黼瓣瀚戮 lp 3 l 斗 溺露呵 l 嘛噬 i - r譬藿麴塑懋霓襄憋燮燮慧塑璧燮懋黧蓬鍪 一 。! i 湖型鹭k 叫匡 ll!。l卜1一|i垂slbuf：slrell s l r e l h s r s t c t r l _ o c l i 箸煎圄卜 + 图3 2r 8 0 5 1 5 的结构框图 p o r t l i o o r t 2 l i x ，r t 3 1 p o r t o p o r n o p o r t 2 0 p o l 帕o s w d e l k c l k c p u c l k c p u o c l l c p e r c n q , 日o d e b u g r e q d e b u g s t e p d e b u 删 d e b u g k f l u s h f e t c h 蛐n 枷i 吾 m 船矾曲雌 圮呶 咖刚毗瞄 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 r 8 0 5 1 5 最大的特点是每个机器扁期只占1 个c l k 时钟周期。通过减少了冗 余的总线状态和并行处理取操作数和指令执行，使得速度较标准的5 1 单片机大 大提高。表3 1 是个速度的比较 1 0 l 。 表3 1r 8 0 5 1 5 与标准5 l 的速度的比较 速度优化( 倍数)指令数目指令中所使用的操作数数目 2 41i 1 2 2 78 3 9 62 2 81 63 8 64 48 9 4 812 4】83 1 329 平均速度优化倍数：8 0指令数目总和：1 1 1指令操作数数目总和：2 5 5 从表3 - 1 可以看出，在相同的时钟下，r 8 0 5 1 5 的速度大概是标准5 1 的8 倍，不过这也和应用时具体指令的使用频繁程度有关【1 0 。 r 8 0 5 1 5 的其它特点有：最高可以跑到1 2 0 m 的时钟；数据总线8 位，地址 总线1 6 位；2 个定时器；看门狗电路；内部r a m 为2 5 6 b ，外部程序存储器和 数据存储器都可分别扩展到6 4 k b ；2 个串口，4 个8 位的双向并口；外部中断 多达7 个；完全兼容标准5 1 的指令集，有丰富的s r f 来对m c u 的使用来做具 体明确的设置等【1 0 l 。 3 1 2u s b 2 0p h y 模块 这是整个u s b 2 0 接口芯片中唯一含有模拟电路的模块，负责将u s b 2 0 总 线上的差分数据转换成标准的u t m i 接1 3 信号，完成数据的解串和串行化，时钟 恢复，比特填充等所有u t m 的基本功能。与我们合作的公司在国内率先研发了 出u s b 2 0 p h y 芯片，本项目所使用的就是该公司自主研发的u s b 2 0 p h y 。 3 1 3s i e 模块 在u s b 系统中，无论是主机端还是设备端都必须具有s i e ，作为与物理层 相连的最后一个模块，负责实现u s b 协议层的关键性操作。由于原先课题组设 计的s i e 是通用的s i e ，支持所有u s b 的传输类型，支持1 6 个端点，对于优盘 的应用而言是用不到这么多的功能的，用这样的s i e 做a s i c 资源消耗太大，产 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 品成本太高，故而使用了s y n o p o s y s 的d w u s b d m a e r o c e l l 。这是个可根据用户 需要进行裁减和配置的核，开发的也比较成熟，其结构框图如图3 3 所示。 图3 3s i e 结构框图( u s b 2 0 ) s i e 模块主要分为两个子模块：p h y 接口引擎( p h yi n t e r f a c ee n g i n e ) 和 协议引擎( p r o t o c o le n g i n e ) 1 1 1 o 3 131p h y 接口引擎( p h y i n t e r f a c e e n g i n e ) p h y 接口引擎负责与u s b 2 0 p h y 交互u s b 数据，向协议引擎提供与u s b p h y 无关的接口信号。它又分为3 个模块：数字锁相环( d p l l ) ，它只在u s b l 1 应用时恢复时钟和数据用的，图3 - - 3 中没有画出；收发器接口模块( t r a n s c e i v e r i n t e r f a c em o d u l e ) ，根据s i e 的配置来与u s bp h y 交互数据，主要负责u s b 总 线周转时间的测试、复位挂起，恢复状态的检测与控制、速度握手的检测与控制 等；连接接口单元( l i n k i n t e r f a c e u l l i t ) ，它向协议引擎提供与u s bp h y 无关的接 口信号，主要完成输入的令牌包和数据包的c r c 校验、产生输出数据包的c r c 码、对包标识字段( p i d ) 和设备地址进行译码等【l j 】。 电子科技大学硕士论文：u s b 2 0 接口控制芯片的设计与实现 3 1 3 2 协议引擎( p r o t o c o le n g i n e ) 协议引擎负责完成u s b 包处理协议，并对u s b 设备请求做解码和执行。 它还包含用户应用时的接口逻辑和各种控制寄存器的实现。协议引擎主要包含以 下几个部分； 1 ) 、协议状态机( p r o t o c o ls t a t em a c h i n e ) ，负责具体实现u s b 的包处理协议。 主要包括有：u s b 设备请求解码；控制包标识字段( p l o ) 的生成及其c r c 的生成； i n 、o u t 、s e t u p 、p i n g 令牌的传输控制；设备状态传输控制；端点状态传输 控制；处理4 种类型的u s b 传输( b u l k 、c o n t r o l 、i n t e r r u p t 、i s o c h r o n o u s ) ；更新 各种应用端的状态中断控制寄存器；从输入的数据包中提取数据；回各种握手 包( a c k 、n a k 、n y e n ；对f i f o 控制器做出控制；电源管理；处理帧起始包 ( s o e ) ，同步帧的时间等。 2 ) 、u s b 中断和事件指示信号( u s bi n t e r r u p ta n de v e n t i n d i c t o rs i g n a l i n g ) ，用 于指示各种中断。