摘 要：实现了一种无需MCU的USB2.0设备控制器IP核。使用硬件电路代替传统单片机实现的MCU和固件功能，支持高速(480 Mb/s)和全速(12 Mb/s)传输。所设计的IP核在FPGA上经过了验证，结果表明它可以作为独立的模块用于SoC系统中。
关键词：IP; USB; SoC; MCU
通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是现今最为流行的计算机接口，它是一种快速、双向、同步、可动态监测的串行接口[1]。目前大多数的USB设计都是经过系统集成，采用现成的商用USB芯片进行开发，并没有涉及到IP(Intellectual Property)核的设计与开发。在SoC(System on Chip)开发中可以利用已有的IP核开发成果，缩短系统芯片的设计周期，提高效率。本文通过分析USB2.0协议，实现了一个无需外置MCU(Micro Control Unit)的USB2.0设备控制器IP核，并进行了FPGA验证，可用于SoC的集成中。
1 USB2.0设备控制器系统设计
目前USB2.0设备控制器广泛使用的系统架构是串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine) +MCU模式，SIE负责解释USB协议层的动作[2]。一方面，SIE模块将主机发送的信息解释成后端功能设备能够识别的信息；另一方面，将功能模块相关数据按照符合USB协议的格式发送给主机。这种传统的USB设备控制器设计核心是针对事务(Transaction)和信息包(Packet)的处理。对于关键的控制传输，则需要外置单片机和固件的辅助，因为这种传统的USB设备控制器不能独立完成USB与主机通信过程中最核心的枚举过程。
本文使用硬件电路代替传统单片机实现MCU和固件的功能。整体框架如图1所示,图中实心箭头代表应用与主机之间的数据流。
采用Top-to-Down(自顶向下)的设计结构将USB设备控制器划分为以下主要功能模块：
(1)Init模块:实现UTMI协议(USB 2.0 Transceriver Macrocell Interface(UTMI) Specification)的相关细节，主要用于控制总线挂起/恢复模式与速度模式的切换。
(2)Packet模块:对接收到的USB格式的信息包进行处理，提取其中的数据，检验CRC；对发送的数据进行封装，添加CRC检验位。
(3)Transaction模块:对USB定义的基本事务(transaction)类型(如IN、OUT、SETUP和PING等)按照协议规范处理。以上模块实现SIE的功能， 其事务处理流程如图2所示。
(4)Serial模块：例化调用其他模块，同时对传输过程中的错误进行处理。
(5)Descriptor ROM和Control模块:完成枚举过程中的控制传输。
2 硬件电路代替MCU和固件
2.1方案分析
微控制器的主要功能是负责执行固件框架程序，协助完成 USB的控制传输。这一部分可以用单片机或者硬件电路实现，目前常用单片机实现，优点是设计简单、灵活；缺点是单片机的速度比较慢，远远低于硬件电路。
使用硬件电路实现虽然设计复杂而且灵活度不如单片机，但它的优点是：(1)降低协议开销，从而得到更快的传输速度；(2)降低用户使用开发周期，因为使用硬件电路实现MCU功能,省去了后期固件和驱动程序的开发;(3)不使用单独的单片机,显著地降低了成本。
2.2 MCU和固件功能模拟
本设计中Descriptor ROM模块用于存储控制传输协议中需要用到的各种描述符，模拟枚举过程中固件的功能。例如18 B的设备描述符定义如下：
constant desc_dev: byte_array(0 to 19) := (
X"12", -- bLength = 18 bytes
X"01", -- bDescriptorType=device descriptor
X"00",
X"02", -- bcdUSB = 2.00
X"02", --bDeviceClass=CDC
X"00", -- bDeviceSubClass = none
X"00", -- bDeviceProtocol = none
X"40", -- bMaxPacketSize0 = 64 bytes
VENDORID(7 downto 0), -- idVendor
VENDORID(15 downto 8),
PRODUCTID(7 downto 0), -- idProduct
PRODUCTID(15 downto 8),
VERSIONBCD(7 downto 0), -- bcdDevice
VERSIONBCD(15 downto 8),
X"01", -- iManufacturer
X"02", -- iProduct
X"03", -- iSerialNumber
X"01", -- bNumConfigurations = 1
X"00", X"00" ); -- 2 bytes padding
([注] byte_array是自定义的数组类型)
Control模块模拟MCU的行为，根据控制传输时主机请求的类型，在Descriptor ROM中选择相应的描述符返回给主机。为了精简工作流程，设计中按照“在保证传输正确的基础上尽量减少中断”的设计原则[3]，实现了设备控制器最大限度精简指令。根据USB2.0规定的标准设备请求的结构， Control模块的主要工作流程图3所示。
Control模块代码的结构主体是一个三重状态机。图3是Control模块简化流程示意图, 没有标出差错处理机制和其他细节。控制传输中,主机发送数据域长度为8 B的请求，当Transaction模块检测到Setup类型传输时，通知Control模块，Control模块检测识别标准USB请求的8 B数据，进行相应操作（如SetAddress、GetDesciriptor和GetConfiguration）。按照主机发送8 B请求的顺序，核心处理步骤如下：
(1)检测bmRequestType字节，bmRequestType的D6~5位为00代表USB协议定义的标准请求（bRequest）。(2)检查bRequest字节，USB支持11类的标准请求，此步骤可以确定请求的描述符类型。(3)检查wValue域(2 B)，低字节表示索引号，用来选择同一种描述符(例如字符串描述符和配置描述符)中具体某个描述符；高字节表示描述符的类型编号。(4)检查wIndex域，在获取字符串描述符时表示字符串的语言ID号。(5)最后检查wLength，表示数据过程(如果有时)所需要传输的字节数。
当Endpoint(端点)寄存器为“0000” (表示控制端点)且内部Dscbusy寄存器为‘0’(控制传输，但请求的不是描述符)时，选择发送给主机的数据是代表当前的Device(设备)、Endpoint和Interface(接口)状态的数据；当Endpoint(端点)寄存器为“0000”(表示控制端点)且Dscbusy寄存器为‘1’时，选择wValue确定的描述符发送给主机；其他情况发送的是来自应用系统(Application)的数据。
2.3 错误检测和处理的改进
USB规范中列出了种类繁多的错误的产生及其相应的检测恢复方法。对于传统的SIE+MCU系统，传输过程中发生的任何错误都向外部MCU提出中断，固件对规范中的错误类型应有处理及恢复机制[4]。例如Host发出 IN令牌包接收到数据以后，必须及时地返回握手包，否则超时。超时后，MCU马上产生中断并选择在下一个IN令牌包来时重传上一次数据。这种处理的缺点是中断频繁、效率比较低。本设计中没有使用MCU，对错误的检测和处理均是在设备控制器内部进行。由于省去了中断请求与处理的延时，对传输过程中发生的错误能够得到高效的处理。例如对上述所提到的错误，Serial选择在下一个IN令牌到来时自动重传上一次数据，且最多尝试3次，如果问题依旧存在，作为线路故障处理。这种处理方法能够充分发挥硬件电路的高速优势。
3 系统仿真与FPGA验证
在验证过程中,利用事务模型建立USB虚拟主机和应用模型完成系统功能仿真,然后综合代码、设置引脚、自动布局布线后下载到FPGA内验证。本文选用Cypress公司的CY7C68000芯片作为前端的收发器(PHY)和Xilinx公司的Spartan-3E(XC3S500E -4PQ208C)芯片制作的 FPGA开发板作为验证USB设备控制器IP核的平台。XC3S500E系统门数达50万,可提供高达340 MHz的内部性能。
枚举过程属于控制传输，一般分为3个阶段，以Get_descriptor为例，过程如下：
(1)建立阶段：如图4所示，USB主机首先发送来一个SETUP令牌包，PID为0x2d，设备地址为0x00，端点0x00(控制端点)。后面紧跟一个DATA0的数据包，PID为0xc3,后面的数据0x80、0x06、0x00、0x01、0x00、0x00、0x12、0x00表示这是一个Get_Descriptor标准设备请求的数据包。其中PHY_TXVALID、 PHY_TXREADY、 PHY_DATAOUT是符合UTMI定义数据发送接口信号，PHY_RXVALID、PHY_RXACTIVE、PHY_DATAIN是符合UTMI规范的数据接收接口信号。
(2)数据阶段：主机发出一个IN包，如图5所示，PID为0x69，设备收到IN包后用数据包DATA1(PID为0x4b)返回自己的设备描述符，与前面定义的18 B设备描述符数据一致。主机收到正确的数据包后返回一个ACK握手包(PID为0xd2)，表示接收正确。
(3)状态阶段：主机发出OUT包，但与数据阶段不同，状态阶段所发数据包内容为空。设备成功收到数据包后应答ACK握手包。
本文实现了一种有别于传统的MCU+SIE方案的USB2.0设备控制器IP核设计。使用硬件电路代替单片机实现MCU和固件功能，显著地降低了系统硬件规模和实现成本。同时简化了错误检测和处理的流程，有利于进一步提高USB传输速度。FPGA验证表明，该方案实现的USB2.0设备控制器IP核有效可行，可以进一步完成ASIC设计，使之作为独立模块添加到SoC系统中。
参考文献
[1] USB Implementers Forum, Inc. Universal serial bus specification(Rev 2.0)[EB/OL]. (2002-04-xx)[2013-01-24]. http://www.usb.org.
[2] 陈亮，袁志坚，史大龙，等.内嵌8051的USB2.0设备控制器IP设计[J]. 微型机与应用，2012，31(17):28-30.
[3] [美]AXELSON J． USB开发大全[M]． 李鸿鹏， 郑瑞霞，陈香凝，等译. 北京：人民邮电出版社, 2011．
[4] 黄卫华，朱向东， 沈绪榜.一种高速USB设备控制器IP核的设计与实现[J]. 微电子学与计算机， 2005,22(5):106-109.