劉清明，方 毅，王 永

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系,安徽 合肥230027;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,安徽 合肥230027)

通用串行總線USB(Universe Serial Bus)的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)與外設(shè)間的互聯(lián)，USB具有使用方便、支持多種速率傳輸、高可靠性以及價(jià)格低廉等非常優(yōu)秀的特點(diǎn)[1]。USB發(fā)展非常迅速，目前已經(jīng)成為最常用的接口方式。USB的發(fā)展歷史從最初的只支持低速(1.5 Mb/s)和全速(12 Mb/s)的 USB1.0、USB1.1，發(fā)展到支持全速(12 Mb/s)和高速(480 Mb/s)的 USB2.0，最新標(biāo)準(zhǔn) USB3.1于2013年發(fā)布，USB3.1支持全速和高速傳輸，并在USB3.0超高速模式(5 Gb/s)基礎(chǔ)上把速度提升到10 Gb/s。鑒于USB3.0、USB3.1的主機(jī)和集線器向下兼容 USB2.0全速、高速設(shè)備，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款USB2.0設(shè)備控制器有重要的實(shí)際意義[2]。USB2.0的設(shè)備連接到主機(jī)或者集線器之后，默認(rèn)以全速方式連接，之后主機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)給所連接的設(shè)備，設(shè)備控制器需要檢測(cè)到復(fù)位信號(hào)并作出相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)進(jìn)行高速握手，高速握手成功后設(shè)備以高速傳輸模式與主機(jī)通信。同樣，USB總線一定時(shí)間沒(méi)有動(dòng)作，為了省電設(shè)備需進(jìn)入掛起(suspend)狀態(tài)，當(dāng)總線有動(dòng)作會(huì)把掛起的設(shè)備喚醒。這些都在USB2.0設(shè)備控制器的工作模式控制電路中完成。

1 USB設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)

圖1所示為USB2.0系統(tǒng)的功能框圖,由USB主機(jī)和USB PHY、USB SIE、應(yīng)用四部分組成。其中USB2.0設(shè)備控制器包含物理層(PHY)和串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)兩部分。

圖1 USB2.0系統(tǒng)功能模塊圖

文中設(shè)計(jì)的USB SIE包括：工作模式控制、數(shù)據(jù)包處理、USB 事務(wù)處理、枚舉控制、TX buffer、RX buffer、設(shè)備描述符存儲(chǔ)器。其中工作模式控制模塊完成復(fù)位檢測(cè)、高速握手、掛起和喚醒。設(shè)備與主機(jī)建立高速連接后，在通信之前，主機(jī)需要了解設(shè)備并為設(shè)備分配驅(qū)動(dòng)程序，枚舉實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程[3]。枚舉過(guò)程首先是主機(jī)向默認(rèn)地址發(fā)送Get Desriptor以獲取設(shè)備的描述信息，主機(jī)了解設(shè)備的基本信息后給設(shè)備分配新地址。完成地址分配后,主機(jī)向分配的新地址發(fā)送請(qǐng)求獲取設(shè)備能力，以給設(shè)備加載適合的驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行配置。枚舉過(guò)程由枚舉控制、USB事務(wù)處理、數(shù)據(jù)包處理、設(shè)備描述符存儲(chǔ)器等模塊共同完成。例如，枚舉開(kāi)始階段主機(jī)發(fā)送Get Desriptor以獲取設(shè)備描述信息,這個(gè)控制傳輸事務(wù)包含 3個(gè)階段：令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包[4]。USB2.0 SIE的數(shù)據(jù)包模塊檢測(cè)接收到的令牌包的包標(biāo)識(shí)(PID)并進(jìn)行校驗(yàn)；校驗(yàn)無(wú)誤后接收數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行PID校驗(yàn)和對(duì)數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)；校驗(yàn)無(wú)誤后向主機(jī)返回握手包ACK，以表明一個(gè)控制傳輸事務(wù)的完成，否則丟棄接收到的數(shù)據(jù)包并向主機(jī)發(fā)送NAK握手包。枚舉控制模塊根據(jù)這個(gè)事務(wù)判斷接收到的是Get Desriptor，讀取存儲(chǔ)在描述符存儲(chǔ)器的設(shè)備描述符，以IN事務(wù)發(fā)送給主機(jī)。這樣枚舉過(guò)程的Get Desriptor控制傳輸完成。工作模式控制電路的正常工作是設(shè)備控制器與主機(jī)通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的前提，本文重點(diǎn)介紹此電路的設(shè)計(jì)。

2 工作模式控制電路設(shè)計(jì)

為判斷設(shè)備應(yīng)該工作在何種狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)USB總線上的狀態(tài)及其持續(xù)時(shí)間來(lái)確定。因此程序中設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)計(jì)數(shù)器timer1和timer2，通過(guò)使用cleartimer1和cleartimer2兩個(gè)變量來(lái)靈活控制兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)。

圖2為工作模式控制電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，主要實(shí)現(xiàn)4個(gè)主要功能：高速握手(highspeed handshake、設(shè)備掛起(suspend)、掛起恢復(fù)(resume)、復(fù)位檢測(cè)。

圖2 工作模式控制電路狀態(tài)圖

2.1 高速握手

USB2.0設(shè)備連接到主機(jī)后，主機(jī)給設(shè)備供電并發(fā)送復(fù)位信號(hào)復(fù)位設(shè)備，之后設(shè)備進(jìn)入全速模式工作，由圖 2所示在 fullspeed狀態(tài)檢測(cè)到 SE0(linestate[1：0]=00)持續(xù)2.5 μs后,高速握手開(kāi)始，設(shè)備控制器進(jìn)入 sendchirp狀態(tài)，設(shè)備向主機(jī)發(fā)送一個(gè)持續(xù)時(shí)間大于1 ms的K(linestate[1：0]=01)信號(hào)以檢測(cè)主機(jī)是否支持高速模式。設(shè)備進(jìn)入recvchirp狀態(tài)并準(zhǔn)備接收來(lái)自主機(jī)的JK序列。主機(jī)支持高速并檢測(cè)到K之后，向設(shè)備發(fā)送JKJKJK序列以檢測(cè)設(shè)備是否支持高速模式。設(shè)備控制器在recvchirp狀態(tài)成功檢測(cè)到3對(duì)JK序列后高速握手成功，進(jìn)入到highspeed模式工作；否則，設(shè)備以全速模式工作。

2.2 設(shè)備掛起

根據(jù)USB2.0協(xié)議，為了減小功耗，當(dāng)總線3 ms沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，設(shè)備需進(jìn)入掛起（suspend）狀態(tài)，設(shè)備在掛起狀態(tài)只能消耗小于500 μA的電流，并且進(jìn)入掛起后設(shè)備需要保留原來(lái)的狀態(tài)。

(1)全速模式掛起：檢測(cè)到總線狀態(tài)為SE0達(dá)到 3 ms，設(shè)備從fullspeed狀態(tài)進(jìn)入suspend狀態(tài)。

(2)高速模式掛起：設(shè)備工作在高速模式時(shí)，由于高速?gòu)?fù)位和高速掛起都是發(fā)送一個(gè)大于3 ms的總線空閑信號(hào)，因此設(shè)備需要區(qū)分這兩個(gè)事件。如圖2，處于highspeed狀態(tài)時(shí)，設(shè)備檢測(cè)到總線空閑(SE0)3 ms，進(jìn)入hsrevert狀態(tài)。之后檢測(cè)總線狀態(tài)不為SE0，此后設(shè)備掛起。假如在 hsrevert狀態(tài)后還檢測(cè)到 SE0持續(xù) 100 μs,則判斷為高速?gòu)?fù)位，clrtimer2=1。設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換到sendchirp狀態(tài)，開(kāi)始設(shè)備的高速握手。

2.3 掛起恢復(fù)

設(shè)備處于掛起狀態(tài)時(shí)，在它的上行口接收到任何非空閑信號(hào)時(shí)可以使設(shè)備恢復(fù)工作[5]。

(1)全速掛起恢復(fù)：設(shè)備從掛起狀態(tài)起檢測(cè)到的不是持續(xù)的J，則恢復(fù)到fullspeed狀態(tài)，以全速模式工作。

(2)高速掛起恢復(fù)：掛起時(shí)保留著高速連接狀態(tài)，highspeed=1且hssupport=1,掛起恢復(fù)需要判斷是由總線動(dòng)作引起還是系統(tǒng)復(fù)位引起。設(shè)備中測(cè)到總線狀態(tài)為SE0，說(shuō)明是由復(fù)位引起的掛起恢復(fù)，設(shè)備狀態(tài)進(jìn)入suspreset，然后檢測(cè)到 SE0持續(xù) 2.5 μs后，進(jìn)入高速握手過(guò)程sendchirp狀態(tài)；反之，檢測(cè)到掛起恢復(fù)信號(hào) K，則設(shè)備從掛起恢復(fù)到高速模式。

2.4 復(fù)位檢測(cè)

集線器通過(guò)在端口驅(qū)動(dòng)一個(gè)SE0狀態(tài)向所連接的USB設(shè)備發(fā)出復(fù)位信號(hào)。復(fù)位操作可以通過(guò)USB系統(tǒng)軟件驅(qū)動(dòng)集線器端口發(fā)出復(fù)位信號(hào),也可以在設(shè)備端RESET信號(hào)置1，進(jìn)行硬件復(fù)位。

(1)設(shè)備是從掛起狀態(tài)復(fù)位：在suspend狀態(tài)檢測(cè)到SE0時(shí)，設(shè)備跳轉(zhuǎn)到suspreset狀態(tài)，檢測(cè)總線狀態(tài)為超過(guò)2.5 μs的SE0后設(shè)備啟動(dòng)高速握手檢測(cè)，即進(jìn)入sendchirp狀態(tài)。

(2)設(shè)備從非掛起的全速狀態(tài)復(fù)位：設(shè)備在檢測(cè)到2.5 μs＜T＜3.0 ms的 SE0狀態(tài)后啟動(dòng)高速握手檢測(cè)。

(3)設(shè)備從非掛起的高速狀態(tài)復(fù)位：設(shè)備在highspeed狀態(tài)檢測(cè)到總線上持續(xù)時(shí)間3.0 ms的SE0后，設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換到hsrevert，以移除高速終端并重連D+的上拉電阻，此時(shí)為全速連接狀態(tài)；之后設(shè)備需要在 100 μs＜T＜875 μs的時(shí)間內(nèi)采樣總線狀態(tài),檢測(cè)到SE0持續(xù)2.5 μs后，進(jìn)入sendchirp狀態(tài)，開(kāi)始高速握手過(guò)程。

3 仿真及驗(yàn)證

編寫(xiě)Testbench，在ModelSim中對(duì)設(shè)計(jì)的SIE進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果符合USB2.0協(xié)議規(guī)范要求。在此簡(jiǎn)述工作模式控制電路中關(guān)于高速握手的仿真過(guò)程和結(jié)果。當(dāng)設(shè)備連接到集線器后，進(jìn)入init狀態(tài)，通過(guò)timer2計(jì)數(shù)到OxFFFF(即 17 ms)，使設(shè)備跳轉(zhuǎn) fullspeed狀態(tài)。在 fullspeed狀態(tài)，timer2計(jì)數(shù)到 OxA6(即 2.5 μs),設(shè)備進(jìn)入到高速握手的sendchirp階段。Sendchirp代碼如下，對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果圖3所示。

圖3 發(fā)送chirpK檢測(cè)主機(jī)是否支持高速

支持高速傳輸?shù)闹鳈C(jī)接收到K后，發(fā)送3對(duì)KJ序列檢測(cè)設(shè)備是否支持高速傳輸。設(shè)備進(jìn)入recvchirp狀態(tài)，判斷是否接收到符合要求的3對(duì)JK序列。Recvchirp狀態(tài)對(duì)應(yīng)代碼如下：

檢測(cè)到linestate為持續(xù)時(shí)間達(dá)到2.5 μs(timer1計(jì)數(shù)到OxA6)10或 01時(shí)，判斷為檢測(cè)到 J或 K chirp。每檢測(cè)到一個(gè) K或 J，賦 clrtimer1=1來(lái)清零 timer1，同時(shí) chirpcnt加1。設(shè)備支持高速傳輸模式，且成功檢測(cè)到KJKJKJ,同時(shí)chirpcnt計(jì)數(shù)到6，則設(shè)備高速握手成功，進(jìn)入高速工作模式。假如在chirp檢測(cè)等待時(shí)間(1.1 ms)內(nèi)沒(méi)有等到檢測(cè)到3對(duì)KJ信號(hào)，則握手失敗，設(shè)備以全速模式工作。高速模式下的部分發(fā)送波形如圖4所示。

圖4 接收來(lái)自主機(jī)的JKJKJK握手信號(hào)

本文先介紹了USB2.0設(shè)備控制器總體架構(gòu)及各模塊功能，之后詳細(xì)分析了USB2.0設(shè)備控制器工作模式控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并在系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的工作模式控制電路功能正確，能配合其他模塊一起進(jìn)行USB設(shè)備開(kāi)發(fā)。

[1]劉志華,郭付才,彭新偉,等.基于 CY7C68013A的FPGA配置和通信接口設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013,39(2)：18-19.

[2]AXELSON J.USB開(kāi)發(fā)大全(第四版)[M].李鴻鵬,鄭瑞霞,陳香凝,等譯.北京：人民郵電出版社，2011.

[3]蕭世文，宋延清.USB 2.0硬件設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社,2002.

[4]USB serial bus specification revision 2.0[EB/OL].(2002-04)[2014-03].http：//www.usb.org.

[5]沈小磊，張曉彤，李占才.USB設(shè)備控制器的硬件實(shí)現(xiàn)與研[J].計(jì)算機(jī)工程，2007,33(24)：247-249.