趙 靜 ， 劉衛(wèi)東 ，2

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.海信電器股份有限公司 山東 青島 266071）

隨著便攜式設(shè)備的廣泛使用，移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備被廣泛用于信息存儲(chǔ)和傳輸。在目前諸多存儲(chǔ)設(shè)備中，U盤(pán)憑借其體積小、容量大、攜帶方便、支持熱插拔等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速的普及。而且隨著USB技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在各種SoC系統(tǒng)中集成USB功能也成為一種必然趨勢(shì)。所以對(duì)SoC芯片中集成USB接口的研究開(kāi)發(fā)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

文中通過(guò)分析USB[1]協(xié)議，設(shè)計(jì)出了一種符合該協(xié)議的低速和全速的USB設(shè)備控制器，并將該控制器與8051CPU核，NandFlash，UDC_Control通過(guò)總線連接起來(lái)，組成了一個(gè)U盤(pán)SoC系統(tǒng)，并對(duì)此U盤(pán)SoC系統(tǒng)加以仿真驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

現(xiàn)在的USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(jī)（MCU）和純粹的USB接口芯片。純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有一個(gè)外部微處理器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。帶USB接口的單片機(jī)從應(yīng)用上又可以分成兩類(lèi)，一類(lèi)是從底層設(shè)計(jì)專用于USB控制的單片機(jī)；另一類(lèi)是增加了USB接口的普通單片機(jī)，這類(lèi)USB控制器的最大好處在于開(kāi)發(fā)者對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單，但價(jià)格比較高，不利于產(chǎn)品升級(jí)和改型。

根據(jù)上述情況，文中介紹了一種U盤(pán)SoC設(shè)計(jì)：將CPU和USB CORE通過(guò)UDC_Control模塊連接起來(lái)，再加上NandFlash模塊，通過(guò)總線連接組成一個(gè)SoC系統(tǒng)。其整體框圖如下圖1所示。

圖1 U盤(pán)SoC的整體框圖Fig.1 Frame diagram of SoCof USB flash disk

2 模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 USB CORE

此模塊為該設(shè)計(jì)的核心模塊，實(shí)現(xiàn)USB1.1總線接口層設(shè)備控制器的功能，是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。USB設(shè)備控制器[2]的架構(gòu)框圖如圖2所示，rxdp、rxdm為從主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，txdp、txdm為USB模塊發(fā)送給主機(jī)的信號(hào)。其中MCU通過(guò)控制SIE來(lái)對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行控制。如圖2所示，本設(shè)計(jì)分為6個(gè)模塊。下面分別介紹各個(gè)模塊。

圖2 USB設(shè)備控制器的架構(gòu)框圖Fig.2 Frame diagram of USB device controller

2.1.1 rx模塊

rx 模塊是總線接收模塊，實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)傳輸接收物理層的功能，把串行的USB數(shù)據(jù)去掉數(shù)據(jù)包頭，進(jìn)行NRZI解碼，去掉填充位，并將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的8位數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)送往下一模塊處理。本模塊又分為dpll、解碼和總線狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。如圖3所示。

圖3 rx模塊框圖Fig.3 Block diagram of rx module

dpll模塊用48 MHz的時(shí)鐘把總線上傳輸?shù)臅r(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。用48 MHz的時(shí)鐘對(duì)總線上的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣，以去掉抖動(dòng)，然后產(chǎn)生總線信號(hào)電平變化的指示信號(hào)change信號(hào)，change信號(hào)的改變可控制采樣點(diǎn)，從而保證數(shù)據(jù)信號(hào)的采樣點(diǎn)固定在每位數(shù)據(jù)信號(hào)的中央。

NRZI解碼模塊檢測(cè)到同步頭后，根據(jù)NRZI的原理，將rxdp和rxdp延后一拍的數(shù)據(jù)進(jìn)行同或操作，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)去填充位，串并轉(zhuǎn)換后，送入解包模塊。

總線狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)總線的狀態(tài)，置位suspend，resume，reset等狀態(tài)指示信號(hào)。若Idle時(shí)間超過(guò)3ms時(shí)，就將suspend信號(hào)置高，在suspend狀態(tài)時(shí)檢測(cè)到總線信號(hào)變化時(shí)，將resume信號(hào)置高，若 se0時(shí)間超過(guò) 2.5μs時(shí)，就將reset信號(hào)置高。

2.1.2 解包模塊

本模塊接收從rx模塊送過(guò)來(lái)的并行數(shù)據(jù)，按照USB數(shù)據(jù)包協(xié)議規(guī)范對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，并對(duì)數(shù)據(jù)做CRC校驗(yàn)，給出當(dāng)前接收包的類(lèi)型，根據(jù)不同類(lèi)型的包的結(jié)構(gòu)，從包中解出相應(yīng)的信息送給下一模塊。

2.1.3 req_dec模塊

本模塊對(duì)setup階段USB的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求進(jìn)行解釋，提供和USB請(qǐng)求相關(guān)的信號(hào)給SIE模塊，判斷function和endpoint的地址是否合法。若標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求中對(duì)某個(gè)端點(diǎn)所請(qǐng)求的操作和預(yù)定的不符，則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

2.1.4 SIE模塊

SIE（Serial Interface Engine）模塊是 USB CORE的核心模塊[3]，根據(jù)從解包模塊傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)與從MCU傳送過(guò)來(lái)的接口握手信號(hào)，按照USB的相關(guān)協(xié)議，產(chǎn)生打包模塊的控制信號(hào)和MCU的控制信號(hào)，從而控制總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送。

控制傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)：

SETUP階段：從圖4中可看出，當(dāng)token_valid_i、Pid_setup、ep0_sel有效時(shí)，表明收到一個(gè)有效的令牌包，udc_as_o被拉高，表示開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送，轉(zhuǎn)入ctrl_setup_stage狀態(tài)，此時(shí)cpu把device_bufok_i信號(hào)拉高，隨后開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，在setup階段8個(gè)字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)接收完成后，send_hdsk_pkt_o信號(hào)變高，表示數(shù)據(jù)接收正確，要求發(fā)送一個(gè)ACK的握手包。

圖4 SETUP階段數(shù)據(jù)包傳送實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)Fig.4 State machine of data packet transmission in setup stage

DATA階段：數(shù)據(jù)階段是可選的，并且數(shù)據(jù)階段的傳送方向可以是IN或OUT。以IN為例來(lái)介紹，當(dāng)Pid_in、token_valid_i、ep0_sel有效時(shí)，udc_as_o被拉高，表示開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送，轉(zhuǎn)入ctrl_in_stage_empty，接著轉(zhuǎn)入ctrl_in_stage狀態(tài)，CPU將device_bufok_i拉高，表示開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)傳完后，send_hdsk_pkt_o信號(hào)變高，表示數(shù)據(jù)接收正確，并將toggle機(jī)制翻轉(zhuǎn)，要求打包模塊發(fā)送一個(gè)ACK的握手包。

STATUS階段：STATUS階段也分為STATUS IN和STATUSOUT兩種情況。在STATUSOUT階段，接受到HOST發(fā)送過(guò)來(lái)的空數(shù)據(jù)包后，狀態(tài)機(jī)會(huì)將send_hdsk_pkt_o信號(hào)拉高，發(fā)送ACK包給HOST。其狀態(tài)機(jī)同SETUP狀態(tài)機(jī)類(lèi)似。

中斷、批量、同步傳輸?shù)腎N實(shí)現(xiàn)：在硬件設(shè)計(jì)上，中斷、批量和同步3種傳輸方式的處理都是一樣的[4]，只是在系統(tǒng)配置時(shí)，各傳輸方式對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)不同。下面以3種傳輸方式的IN傳輸來(lái)介紹。圖5為3種傳輸方式的IN傳輸?shù)臓顟B(tài)機(jī)。

圖5 中斷、批量、同步傳輸?shù)腎N傳輸狀態(tài)機(jī)Fig.5 State machine of Interrupt、Bulk、Isochronous IN transactions

從上圖可看出，在收到IN令牌后，狀態(tài)機(jī)將udc_as_o拉高，表示開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入In_transfer_empty狀態(tài)，再轉(zhuǎn)入In_transfer狀態(tài)，cpu若能傳送數(shù)據(jù)，則把device_buf_ok_i信號(hào)置高，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)傳送完畢時(shí)，狀態(tài)機(jī)會(huì)將send_data_pkt_o拉高，將此信號(hào)送至打包模塊，從而將所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給HOST。

2.1.5 打包模塊

本模塊接收從SIE傳來(lái)的控制信號(hào)，根據(jù)USB協(xié)議，產(chǎn)生所需要的包傳送給發(fā)送模塊。

2.1.6 tx模塊

tx模塊是總線發(fā)送模塊。它將打包模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的包信息，進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，位填充，NRZI編碼后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。此模塊同rx模塊類(lèi)似，不再贅述。

2.2 8051CPU

此設(shè)計(jì)中的CPU[5]為一個(gè)驗(yàn)證過(guò)的IP核。它包含：1個(gè)8位中央處理器、1個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路、4 KB ROM程序存儲(chǔ)器、128B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、可尋址64 KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64 KB外部程序存儲(chǔ)器的控制電路、32條可編程的I/O線（4個(gè)8位并行I/O接口）、2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)可編程全雙工串行接口、5個(gè)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。將USB的通信請(qǐng)求接入到CPU的一個(gè)外部中斷接口上，當(dāng)USB的通信請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。

此外，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)CPU的固件firmware，實(shí)現(xiàn)USB CORE的上電初始化過(guò)程 （向UDC_Control中的控制寄存器和狀態(tài)寄存器寫(xiě)入初始數(shù)據(jù)）、USB CORE中斷處理并完成USB傳輸事務(wù)、使設(shè)備擺脫異常狀態(tài)等功能。

2.3 UDC_Control

UDC_Control模塊位于CPU和USB CORE之間，它完成CPU對(duì)USB通信的控制和數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。UDC_CTRL模塊中設(shè)有22個(gè)特殊功能寄存器，來(lái)完成USB通信。

USB_INT1和USB_INT2為中斷寄存器，其各個(gè)位分別表示USB通信的9種中斷請(qǐng)求 （剩下的位為保留位），但USB CORE一次只能向CPU提供一個(gè)中斷信號(hào)，這兩個(gè)USB_INT寄存器供軟件在進(jìn)入中斷后查詢是USB的何種中斷。EP0_CTRL、EP0_INFIFO_DATA、EP0_INFIFO_CNT、

EP0_OUTFIFO_DATA、EP0_OUTFIFO_CNT這 5個(gè)寄存器都是與Endpoint0相關(guān)的，Endpoint0是由一個(gè)輸入端點(diǎn)和一個(gè)輸出端點(diǎn)組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制傳輸。所有支持USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求和Class定義的請(qǐng)求都通過(guò)這個(gè)端點(diǎn)來(lái)處理。其中EP0_CTRL用來(lái)對(duì)Endpoint0的傳輸進(jìn)行控制，當(dāng)CPU要向USB主機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入EP0_INFIFO_DATA，EP0_INFIFO_CNT是CPU向EP0_INFIFO_DATA中寫(xiě)入數(shù)據(jù)的 字 節(jié) 數(shù) 。 EP0_OUT ，Endpoint1，Endpoint2，Endpoint3，Endpoint4的寄存器情況類(lèi)似，在此不再多做介紹。UDC_STATUS和DEVICE_CTRL是接口狀態(tài)和控制寄存器，對(duì)CPU和USB CORE的通信進(jìn)行監(jiān)控。

2.4 NandFlash

針對(duì)NandFlash讀寫(xiě)的特點(diǎn)，特別是其可隨機(jī)讀，但無(wú)法隨機(jī)寫(xiě)的問(wèn)題，需要通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)來(lái)解決。在與USB Host進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過(guò)程中，最小的單位是扇區(qū)：512字節(jié)。由于NandFlash在寫(xiě)之前必須先擦除，而一擦又必須擦一個(gè)Block，因此在擦除某Block之前必須保存同一個(gè)Block中有關(guān)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。因此，如果每收到一個(gè)扇區(qū)的內(nèi)容就進(jìn)行一次擦、保存、寫(xiě)的操作，系統(tǒng)任務(wù)將十分繁重，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)USB Host端的請(qǐng)求。因此，在系統(tǒng)中設(shè)置32K的緩沖區(qū)，每完一次數(shù)據(jù)傳輸后，記下本次要寫(xiě)的開(kāi)始扇區(qū)和總扇區(qū)數(shù)，將本次要寫(xiě)的數(shù)據(jù)涉及的扇區(qū)以外的數(shù)據(jù)從NandFlash中讀出來(lái)，存放在緩沖區(qū)中對(duì)應(yīng)位置，然后擦除一個(gè)Block，再將緩沖區(qū)中內(nèi)容一次全部重新寫(xiě)入NandFlash。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 仿真環(huán)境的介紹

為了驗(yàn)證此設(shè)計(jì)，需要建立一個(gè)和實(shí)際應(yīng)用情況類(lèi)似的仿真驗(yàn)證平臺(tái)，這個(gè)仿真系統(tǒng)平臺(tái)包括USB CORE的RTL代碼[6]、CPU核、控制軟件的二進(jìn)制代碼、UDC_Control、NandFlash、USB Host的仿真模型等。整個(gè)系統(tǒng)的Modelsim仿真環(huán)境如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)的Modelsim測(cè)試平臺(tái)Fig.6 Diagram of Modelsim simulation environment of this design

USB HOST的仿真模型用來(lái)模擬PC機(jī)上的主機(jī)控制器，完成上電檢測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求、批量傳輸請(qǐng)求等功能，用來(lái)檢測(cè)USB設(shè)備應(yīng)答數(shù)據(jù)是否正確。負(fù)責(zé)讀取主控制器的事務(wù)處理列表，并將它們安排在一系列長(zhǎng)度的幀中，發(fā)送到USB總線上。

3.2 仿真結(jié)果

通過(guò)此測(cè)試平臺(tái)，成功的完成了USB主機(jī)與U盤(pán)SoC之間的通信。仿真圖如圖7所示。

圖7 仿真圖Fig.7 Figure of simulation

從仿真圖中可以看出，通過(guò)控制傳輸對(duì)設(shè)備進(jìn)行了復(fù)位、獲取設(shè)備描述符、配置地址等操作。接著進(jìn)行了一個(gè)bulk out和bulk in傳輸。主機(jī)準(zhǔn)確的將數(shù)據(jù)寫(xiě)入了NandFlash，并且正確的將數(shù)據(jù)讀出。仿真表明，設(shè)計(jì)的結(jié)果滿足了USB設(shè)備控制器的規(guī)格要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中探討了U盤(pán)SoC的設(shè)計(jì)，并結(jié)合仿真工具通過(guò)了RTL級(jí)仿真，證明了本設(shè)計(jì)的可行性。該U盤(pán)SoC設(shè)計(jì)具有便于修改、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

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