（信息与通信工程专业论文）otg+usb20+ip核设备控制器研究与实现.pdf

摘要 摘要 。o t g 协议是u s b 2 0 的补充协议，可应用于嵌入式设备，使之兼备u s b 主机 和设备双重功能。增强其便携性，拓宽应用范围。实现o t g 功能关键之一在于 实现o t g 接口控制芯片，配合驱动程序构成o t g 上层应用开发的基础。 设计o t g 接口控制芯片，依照设计流程，首先从相关协议入手，进行了系 统级设计。主要是对系统软硬件进行划分，规划硬件功能，制定接口信号和相关 时序。再根据规格利用硬件描述语言编写代码描述电路。通过验证保证了描述电 路功能符合协议要求。最后使用综合工具将其转化为实际电路并利用f p g a 平台 进行了测试。 设计电路时不仅要考虑面积与功耗等影响，更重要必须保证设计完全正确。 进行电路设计时参考了很多指导性原理和经验，从源头增强设计鲁棒性。其次对 设计进行充分验证也是保障的必要手段之一。针对o t g 控制器，设计并使用了 一专用验证平台，使验证环境更逼近真实，能提高验证效率和覆盖率，得到更加 可靠的结果。使用硬件描述语言描述电路，尤其是状态机时，利用可循规律，设 计实现了一软件，该软件能自动生成状态机r t l 代码，提高了设计效率。 o t g 接口控制芯片内包含主机控制器和设备控制器，设备控制器电路实现 u s b 协议设备功能。由外部处理器运行驱动程序调度，完成数据传输，并与主机 交互。基于l i n u x 的设备控制器驱动程序总称为u s bg a d g e t 驱动，分之为三层结 构。底层u s b 设备控制器驱动封装特定硬件控制器细节，中间层提供标准接口与 上层驱动通信，上层驱动则完成特定u s b 设备功能如大规模存储等。基于这种驱 动架构的特点，对设备控制器底层驱动程序的原理和构架进行了研究和探讨。 分析o t g 接口控制芯片大规模存储功能测试结果，o t g 接口控制器实现了 预期u s b 设备控制器功能。为进一步应用o t g 功能开发奠定基础。 关键词：o t g ，u s b 2 0 ，智能知识产权，r t l ，验证，g a d g e t 驱动 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t o t gi sas u p p l e m e n tt ou s b 2 0s p e c i f i c a t i o n ，w h i c ha i m sa te m b e d d e dp o r t a b l e a p p l i c a t i o n ，o f f e r sd u a lc a p a b i l i t yo fh o s to rd e v i c e ，a n dp r o v i d e sf a c i l i t ya n de n l a r g e s e m p l o ys c o p e o n eo ft h ek e y st oi m p l e m e n to t g i si n t e g r a t e dc i r c u i tw h i c hi su s e dt o t a k ec h a 唱eo fi n t e r f a c eb e t w e e np h y s i c a ll a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r , i n t e r a c t i n gw i t h d r i v e rp r o g r a m s ，b o t ho ft h e mc o m p o s et h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n tf o ro t c t r e f e r r i n gt od e s i g nf l o w , t h ef i r s ts t a g eo fo t gi cd e s i g n i n gi ss y s t e ml e v e l p r o g r a m m i n g n ej o bi sp a r t i t i o n i n gs t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，m a k i n g s p e c i f i c a t i o no fh a r d w a r e si n t e r f a c ea n df u n c t i o n ，i n c l u d i n gs i g n a l s n a m e sa n dr e l a t e d t i m i n g a tt h es e c o n ds t a g e ，t h ec i r c u i ts h o u l db ed e s c r i b e db yh a r d w a r ed e s c r i p t l a n g n a g e ( h d l ) a c c o r d i n gt ot h es p e c v e r i f i c a t i o ng u a r a n t e et h ec o r r e c t n e s so ft h e r t l c o d e s f i n a l l y , t h ec o d e sa r et r a n s f o r m e dt oa c t u a lc i r c u i tb ys y n t h e s i s ，w h i c hi s t e s t e du p o nf p g a p l a t f o r m d u r i n gd e s i g n ，n o to n l ya r e ao rp o w e r , b u ta l s ov a l i d n e s sm u s tb et a k e ni n t oa c c o u n t f o re n h a n c i n gr o b u s t ，m a n yp r i n c i p l e sc a l lb ef o l l e w e da tt h eb e g i n n i n go fr t l d e s i g n ， b e s i d e ss u f f i c i e n tv e r i f i c a t i o ni ss u p p l e m e n t d e s i g nav e r i f i c a i t o np l a t f o r i i lf o ro t g i cs p e c i f i c a l l y , f o ra c h i e v i n gh i g l le f f i c i e n c ya n dc o v e r m e n ta n dr e l i a b l er e s u l t i n o r d e rt or e d u c ep e r i o do fd e v e l o p m e n t ，w i t hs o m er o l e si nr t ld e s i g n ，as o f w a r ei s p r e s e n t e dt og e n e r a t er t lc o d e so fs t a t em a c h i n ea u t o m a t i c a l l y 0 t gi ci n c l u d e sah o s ta n dad e v i c e ，w h i c hw o r kp a r a l l e l l y d e v i c er e a l i z e sw h a ti s p r e s c r i b e db vu s b 2 0s p e c s c h e d u l i n gb yo u t s i d ep r o c e s s o r , d e v i c ep e r f o r md a t a t r a n s m i t i n ga n di n t e r a c tw i t hh o s t d r i v e r so np r o c e s s o rf o rd e v i c ei sc a l l e du s b g a d g e td r i v e r , a n di ti sd i v i d e di n t ot h r e el a y e r s t h eb a s el a y e rs e a l st h ed e t a i l so f h a r d w a r e ，m i d d l el a y e rp r o v i d ei n t e r f a c et ot h el a y e ru p o n ，a n dt h eh i g h e s tl a y e rf o c u s o na p p l i c a t i o nf u n c t i o n s ，f o ri n s t a n c em a s ss t o r a g e ，e t c a f t e rf i n a la n a l y s i so ff p g at e s t i n g , o t gi ca c h i e v e dt h ee x p e c t i n gg o a li ns p e c a b o u td e v i c e k e yw o r d s ：o t g , u s b 2 0 ，i p , r t l , v e r i f i c a t i o n ，g a d g e td r i v e r l i 图目录 图目录 图1 - 1c y p r e s sc y 7 c 6 7 3 0 0 芯片框图2 图1 2 飞利浦i s p l 7 6 1 芯片内部结构框图3 图1 3w u s b 应用领域4 图2 1u s b 协议族层次结构图7 图2 2o t g 系统物理拓扑结构1 0 图2 3u s b 主机与设备通信流1 1 图2 4u s b 协议配置接口和端点关系1 3 图2 5o t g 系统层次模型1 4 图2 - 6o t g 系统总体设计方案1 5 图2 7i s p l 7 6 1o t g 控制芯片基本结构1 6 图2 8o t g 控制器内部结构1 7 图2 9o t g 设备控制器总线接口时序2 3 图2 1 0o t g 设备控制器u t m i 接口时序2 3 图2 1 1o t g 设备控制器端点缓冲区地址分配2 5 图2 1 2o t gi p 设计流程2 8 图3 1 复位时的恢复和移除时间3 2 图3 2 复位同步电路结构3 2 图3 3 数据通道和有限状态机3 3 图3 4 有限状态机结构与输出信号3 4 图3 5 有限状态机输出信号时序3 4 图3 - 6 基于数据流程的状态机划分方法3 5 图3 7o t g 设备控制器总体结构3 6 图3 8d e vg c 模块结构图3 7 图3 - 9d e vs i e 模块结构图3 8 图3 1 0d e vs i e 状态机划分。3 8 图3 1 1 计数器基本结构。4 1 图3 1 2d e vg cr s r 状态机4 2 v l 图目录 图3 1 3u s b 控制传输建立阶段过程4 5 图3 1 4u s b 控制传输数据阶段过程4 5 图3 1 5 控制传输状态阶段过程4 6 图3 1 6 数据接收通道结构4 7 图3 1 7c r c 5 校验电路结构4 9 图3 1 8c r c l 6 校验电路结构4 9 图3 1 9 数据发送通道结构5 0 图3 2 0 控制单元状态机划分5 1 图3 2 1o t g 设备控制器主状态机状态转移图5 2 图3 2 2o t g 设备控制器收包状态机状态转移图。5 4 图3 2 3o t g 设备控制器发包状态机状态转移图。5 5 图3 2 4 寄存器基本单元结构5 6 图3 2 5 寄存器组实现结构。5 7 图3 2 6 端点接收缓存区结构5 8 图3 2 7 端点发送缓存区数据路由结构5 9 图3 2 8 接收端点地址管理单元基本结构。6 0 图3 2 9m a t l a bs t a t e f l o w 工具输入状态转移图。6 1 图3 3 0 状态机r t l 代码生成算法6 3 图3 3 1 自动生成状态机软件界面6 4 图4 1 验证回归模型6 6 图4 2o t g 设备控制器验证环境6 7 图4 3o t g 设备控制器验证平台详细结构6 9 图4 4o t g 设备控制器验证平台层次7 0 图4 5u t m i 数据发送通道7 1 图4 6o t g 设备控制器验证平台时钟生成模块7 2 图4 7o t g 设备控制器验证平台数据接收状态机7 3 图4 8o t g 设备控制器验证平台高速时接收数据仿真时序7 3 图4 - 9o t g 设备控制器验证平台全速接收数据仿真时序：7 4 图4 1 0o t g 设备控制器验证平台数据发送状态机7 5 图4 1 1o t g 设备控制器高速发送数据仿真时序。7 5 图4 - 1 2o t g 设备控制器全速发送数据仿真时序7 6 图4 - 1 3o t g 设备控制器验证平台总线接口仿真时序7 7 v 1 1 图目录 图4 1 4o t g 设备控制器验证平台中断时序7 7 图4 1 5o t g 设备控制器验证平台复位高速检测握手时序7 9 图5 1 驱动开发工作环境8 1 图5 2 字符驱动文件操作函数结构8 4 图5 3 字符型驱动程序结构框架8 4 图5 4 设备驱动模型结构8 7 图5 5g a d g e t 驱动层次8 8 图5 6 设备控制器驱动基本构架9 0 图5 7o t g 设备控制器驱动初始化基本流程9 1 图5 8o t g 设备控制器驱动控制传输流程9 2 图6 - 1 验证使用的工作站j 9 3 图6 2 控制器传输9 4 图6 3 验证中某高速o u t 事务时序9 5 图6 4a r m 开发板和f p g a 测试板。9 6 图6 5 测试板正在工作9 6 图6 - 6 测试时使用的主机9 7 图6 7 设备和i s p l l 6 1 主机连接进行测试9 7 图6 8i s p l l 6 1 主机打印信息9 8 图6 - 9w i n d o w s 主机显示盘符9 9 图6 1 0w i n d o w s 主机格式化界面k 9 9 图6 1 1 格式化u 盘成功1 0 0 图6 1 2 测试u 盘文件传输1 0 0 图6 1 3 测试全速文件传输速度1 0 1 图6 1 4 全速文件传输速度测试结果1 0 1 v i i i 表目录 表目录 表2 - 1o t gi p 顶层b i u 侧信号描述1 8 表2 2o t g 设备控制接口信号2 0 表2 3o t g 设备控制器寄存器定义2 4 表3 - 1o t g 设备控制器复位挂起恢复相关信号3 9 i x 缩略词表 o t g u s b p c s 正 r i s c p h y i t m i e h c i o h c i s i 心 肿 g p i o h s f s v p f p g a i p 缩略词表 o n 。i 1 l eg o u n i v e r s a ls e r i a lb u s p e r s o n a lc o m p u t e r s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r p h y s i c a ll a y e r 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 e n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e s e s s i o nr e q u e s tp r o t o c o l h o s tn e g o t i a t i o np r o t o c o l g e n e r a lp r o g r a m m a b l ei n p u t & o u t p u t h i g hs p e e d f u l ls p e e d v e r i f i c a t i o ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y x u s b 2 0 的补充协议 通用串行总线 个人电脑 串行接口引擎 精简指令集计算机 物理层 u s b 2 0 收发器宏单元接口 增强型主机控制器接口 开放型主机控制器接口 会话请求协议 主机交换协议 通用可编程输入输出接口 高速 全速 验证知识产权 现场可编程门阵列 智能知识产权 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。 签名缝虫：辁 嗍岫舻年6 月。曰 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：虚遮：咝 导师签名： 日期：枷留年；月7 0e l 第一章引言 第一章引言 o t g 是o nt h eg o 的简称，是u s b 2 0 补充协议，于2 0 0 1 年1 2 月1 8 日公布。 u s b 2 0 协议，是2 0 0 0 年4 月2 7 日发布的接口总线技术，为原有u s b 总线规范的 升级版本。u s b 技术提供了易用性，即所谓的即插即用功能，和很强的可扩展性。 u s b 2 0 技术出现后，逐步成为计算机主流接口标准【1 1 ，它使计算和通信更有效结 合。为了使移动设备彼此间能直接互连，进行数据交换。于是在原来u s b 2 0 协议 基础上推出了o t g 补充协议解决上述问题。 本章将介绍o t g 技术概况，国内外研究现状和o t gi p 核项目背景。 1 1o t g 技术简介 u s b 技术使计算机具备与各种速率周边设备低成本连接的能力。u s b 2 0 协议 更提供了4 8 0 m b s 的传输速率，使之成为市场主流。然而这种通信模式处在传统 计算机( p c ) 充当主机的前提之下，即所有设备只能连接p c 机，离开了p c 机， 设备彼此之间不能直接通信。没有设备能够取代p c 机的地位。 o t g 协议作为u s b 2 0 的补充协议，解决了设备间互连的问题。u s b 体系中， 包括主机( h o s t ) 和从机( s l a v e ) ，只有主机与从机连接才能进行数据传输，而且 每次传输均由主机发起。因此o t g 设备既能充当主机亦能扮演从机角色。 u s b 正式诞生于1 9 9 4 年1 1 月1 1 日，u s b 0 7 版发布。u s b l 0 版于1 9 9 6 年1 月1 5 日发布，标志u s b 技术开始走向成熟。1 9 9 8 年9 月u s b l 1 版发布后u s b 流行起来。2 0 0 0 年4 月2 7 日，u s b 2 0 版发布，传输达到4 8 0 m b s 使之得到更广 泛应用。2 0 0 1 年1 2 月1 8 日o t g 补充协议更是使u s b 技术突破传统框架的桎梏。 u s b 2 0o t g 技术具有广阔发展前景，随着外设功能增长和对速度需求，基于 u s b 接口的数码设备增长迅速。众多公司纷纷为其便携设备选择o t g 功能。比如 高通公u - - ( q u a l c o m mi n c ) 、索尼电子( s o n ye l e c t r o n i c s ) 等。 o t g 控制器是o t g 核心技术之一。主要实现协议层功能。将o t g 控制器设 计为口核形式，使之具备可重用特性，扩展了应用空间。口核是一段硬件描述语 言代码，描述特定功能的电路；或是具有特定功能的集成电路版图。它能够被移 1 电子科技大学硕士学位论文 植，使用不同工艺生产制造。 1 2 国内外研究现状 国外很多公司都推出其商业化o t g 控制芯片，以飞利浦( p h i l i p s ) 和c y p r e s s 公司具有很高市场占有率。 飞利浦公司2 0 0 4 年推出的i s p l 7 6 1 i s p l 7 6 2 是典型的高速u s bo t g 控制芯 片。他们保持了p h i l i p s 公司的传统特色，没有内嵌高性能处理器。i s p l 7 6 1 2 】基本 性能包括，符合u s b 2 0 和o t g 协议，支持高速、全速和低速；提供面向大多c p u 的总线接口，优化总线接口性能；内部提供电源管理；内含高速收发器等。其基 本结构见图1 2 。 全球第一块u s b 2 0 芯片来自c y p r e s s 公司。该公司在o t g 控制器上推出了 c y 7 c 6 7 2 0 0 和c y 7 c 6 7 3 0 0 芯片，只支持全速，但都内嵌1 6 位精简指令集处理器。 图1 - 1c y p r e s sc y 7 c 6 7 3 0 0 芯片框图 图1 - 1 是c y 7 c 6 7 3 0 0 芯片【3 1 结构框图。该芯片具有四个u s b 端口，两个可配 置串行接口引擎( s i e ) 。内含4 8 m h z 工作速率1 6 位r i s c 处理器。并提供与外部 处理器数据交互接口。 2 第一章引言 p 蓦辑n 精牲：盼w 辩 图1 - 2 飞利浦i s p l 7 6 1 芯片内部结构框图 台湾巨胜与扬智公司领跑该地区o t g 芯片供应市场。巨盛公司于2 0 0 3 年2 月推出了c s c l 2 2 1o t g 控制芯片，主要面向硬盘和m p 3 应用。目前，该公司共 推出了三种系列o t g 芯片，分别面向m p 3 播放器、移动硬盘和桥接器等市场。 扬智科技为台湾地区第二家芯片供应商。该公司最早开发出一款o t g 控制芯 片m 5 6 3 7 ，面向支持i d e 接口。而之后另一款o t g 控制芯片m 5 6 3 6 为该公司主 打产品之一。 m 5 6 3 6 具有低功耗和高集成度的优点。可以通过其8 1 6 位p i o d m a 接口， 与外部的其它u s bo t g 设备进行通讯，故可广泛应用在各种便携式数码设备。 u s b 技术的发展直没有停顿。2 0 0 4 年美国i n t e l 技术峰会上成立了无线u s b 3 i b 子科技人学硕i 学位论文 促进联盟。无线u s b 技术提供4 8 0 m b s 传输速度，与u s b 2 0 高速相同。其很多 技术能够移植白u s b 20 。无线u s b 免去了线缆的束缚，具有广阔应用空间。图 1 3 1 4 均其应用示意。 曩j 之箩擘- 、每一 。烯 图1 - 3 w u s b 应用领域 2 0 0 7 年i n t e l 等公司开始着手制定u s b 30 标准，速度将达到u s b 2 0 高速1 0 倍。并向下兼容u s b 2 0 。该标准将于2 0 0 8 年上芈年公布。可以预见未来u s b 技 术会对社会生活带来更大的影响。 1 3 论文课题背景 奉论文源于四川省纵向项目。课题目标是研究开发具有自主知识产权的满足 u s b 2 0 协议、o t g 补充协议、u t m i 协议和b u l k o n l y 协议的o t gu s b 2 0i p 核， 在此基础上开发出集成电路芯片，并且应用于产品。 作者作为主要设计人员之一，在此课胚中负责并完成以下工作： ( r i g 设备控制器模块电路r t l 级设计。 ： d 第一章引言 o t g 设备控制器模块功能仿真验证。 针对o t g 设备控制器模块，研究基于l i n u x 2 6 内核驱动程序。 1 4 论文内容安排 论文从系统设计、电路设计、验证方法和驱动设计四个方面讨论o t g 设备控 制器的原理及实现过程。第二章基于u s b 协议给出o t g 控制器系统设计规划， 及设备控制器在o t g 内的功用与接口，并探讨设计流程；第三章讨论硬件设计一 些基本原理概念，研究设备控制器模块划分方法，关键电路设计方法，最后提出 _ 种自动生成状态机r t l 代码的方法；第四章介绍了验证基本理论，针对设备控 制器的验证平台基本结构和总线接口模型设计方法；第五章讨论驱动基本概念， 研究字符型驱动及设备模型的构架；第六章给出设计测试结果。 5 电子科技大学硕十学位论文 第二章o t g 控制器系统设计 前期规划是项目成功的关键。根据设计目标，制定好前期规划。包括项目设 计方案总体构架，项目开展实施计划安排与资源分配。前者是技术上的准备工作， 需要完成相应研究工作，广泛阅读相关资料，理清形成设计初步思路。在这一阶 段中应当充分考虑到所制定的构架对后期乃至未来的影响，是否能够达到功能设 计指标要求；是否具备可测试性，方便后期调试；是否有实用性，具备可重用， 可扩展的特性。而制订项目计划，分配资源则属于项目管理的范畴。由于设计复 杂度的增加，更需要一个良好配合的团队，一个合理并严格执行的计划。从项目 截至日期开始回溯，以倒推的方式定出计划的时间节点。 本章根据o t g 项目实践，从系统构架定义划分、项目设计流程两个角度论述 项目的前期规划。 2 1o t g 控制器设计目标 设计的最终目标是实现o t g 系统的功能。总体分析，o t gu s b 2 0i p 核包括 硬件、固件和软件驱动等部分。所有工作都围绕实现这些内容的目标来进行。设 计目标可归纳为： 设计符合u s b 2 0 协议和o t g 补充协议的接口口，该i p 应容易与嵌入式平台 整合。 在嵌入式平台基础上，实现大规模存储的应用，演示u 盘功能。 作者在项目过程中主要负责o t gi p 中设备控制器部分的设计工作，将着重讨 论与设备控制器相关的内容。 2 2o t g 控制器系统基本原理 进行o t g 接口i p 设计设计的第一步是研究o t g 相关协议。协议是通信的标 准，实现系统必须严格遵守协议规范。本节将对o t gi p 设计时需要参考的协议作 6 第二章o t g 控制器系统设计 简单的概述，同时介绍每个协议的应用环境。 b u l k o n l y 自 飞鼋藿| 霪餮i ? 一4 ：i r 孵；髟彩i 黝! 移簪：；i i ? ”1 4 ：i 蛩9 缪荔荔l 燃2 缀撬臻。鸳纩、x 跫* 垆毪，物 黝ehci忑一o h 囫忑 飞 f 当1 挈可1 掣霾 坳黝鳓嬲1 戮獬鞭黝瞬嬲繁墼溺 u t m m 删 巨 黝黝黝黝燃黝黝蓬笏一1 嚣糍黝镳獭燃黝徽争淘 u s b 2 。 豳 x 缀缀黪鬻渤缀缀燃鬟鬻缀戮缀戮缓缀黝缀缓缀缀缀缀缀戮缓搿戮戮缀缀貔缀戮缀荔缓2 绷 图2 - 1u s b 协议族层次结构图 图2 1 中从o t g 系统的角度描绘了这些协议之间的层次关系，u s b 2 0 协议是 这些协议的基础。u t m i + 协议定义的信号支撑了o t g 功能。在o t g 之上e h c i 和o h c i 协议定义主机控制器软硬件接口，u s b 2 0 协议定义设备控制器的软硬件 接1 2 1 。最上层则实现大规模存储应用的b u l k o n l y 协议。 2 2 1u s b 2 0 协议 u s b 2 0 协议1 5 j 是2 0 0 0 0 年英特尔、康柏等数家公司制定的，旨在提供易于使 用易于扩展，便于计算与通信交互的总线接口标准。协议从总线结构、数据流模 型、机械电气规范、协议层、u s b 设备框架、u s b 主机硬件软件、集线器等方面 全面定义了u s b 系统。因此u s b 2 0 协议可视为一个提纲挈领的规范，是整个u s b 协议体系中的核心。 数据流模型定义了数据在u s b 上传输的模式。在宏观上定义了系统的核心概 念。 机械规范为电缆、连接器、电缆接口组件的设计提供了机械上和电气上的参 考。包括了尺度、材料、可靠性的要求。 7 电子科技大学硕+ 学位论文 电气规范描述了信令、功率分配和物理层协议。 协议层规范中从域、包定义到不同u s b 事务处理中传输包的格式，自底向上 的透视u s b 协议。并且包含了链路层流控制和事务传输级的错误恢复，重试同步、 串扰、激活总线以及高速p i n g 协议。u s b 事务处理是主机和u s b 设备间数据传 输的基本单位，由一系列具有特定格式的信息包组成。该信息包则有多个域。在 实际传输过程中，可能会出现多种错误，通过差错控制可以检测错误并恢复错误。 在高速事务处理中使用p i n g 协议可以提高u s b 总线利用率。 u s b 设备框架介绍了如何在总线接口和端点之间处理数据。定义了共同的属 性和操作。 主机硬件软件是主机上的客户软件和设备实现的功能之间必要的主机接口。 集线器规范详细描述了u s b 集线器的结构要求。 进行设备控制器硬件设计时，关注的内容主要是数据流模型、机械电气规范 和协议层。主机控制器和集线器的硬件设计时还要分别参考主机软硬件规范和集 线器规范。此外还需要参考u t m i + 协议。 设计设备控制器固件主要依据u s b 设备框架等内容。 2 2 2u t m i 协议与u t m i + 协议 u t m i 协议【6 l 将接口电路中高速模拟部分和数字逻辑部分隔离，并为这两者提 供标准接口。这样可以使设计加速，减小开发风险。高速模拟部分以p h y 形式实 现物理层所要求功能，数字逻辑则实现链路层功能。u t m l 只适合符合u s b 2 0 规 范的设备。 u t m i + 协议【7 1 是u t m i 协议的扩展。在原有u t m i 协议基础上针对u s b 2 0 主 机和o t g 设备进一步规范，使之标准化。 进行o t g 硬件开发时，这两个协议都是必不可少的重要依据参考。对u t m i 协议可以重点从三个方面去把握，发送数据的相关接口信号与时序，接受数据相 关接口信号与时序，与复位、挂起、唤醒相关执行的操作。唤醒有主机唤醒和远 程唤醒，远程唤醒就是设备方申请唤醒。支持高速的情况下，每次复位还将经过 一次高速检测握手( h i g hs p e e dd e t e c t i o nh a n d s h a k e ) 的过程，以确定系统当前的 工作速率。 8 第二章o t g 控制器系统设计 2 2 3o t g 补充协议 u s b 通信只能在主机与外围设备之间发生。要成为主机必须具备的条件是， 存储大量设备驱动程序，提供大电流，一个a 系列主机连接器插座。但是通常便 携式设备都不具备所有这些特性。而在o t g 规划8 】下，允许便携式设备成为受限 的u s b 主机，代替支持上述功能的p c 机。 具备o t g 特性的所有设备首先必须兼容u s b 2 0 协议。同时还需要满足以下 特征：简化的主机；做外设时支持全速( 高速可选) ；做主机时支持全速( 高速和 低速可选) ；预期支持的外设清单；会话请求协议s r p ( s e s s i o nr e q u e s tp r o t o c 0 1 ) ； 主机交换协议h n p ( h o s tn e g o t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 会话请求协议允许b 设备请求a 设备接通v b u s 并启动会话，并且允许由电 池供电的a 设备在没有总线活动时切断v b u s 以节能。任何a 设备都可以响应s r p ， 任何b 设备都可以发起s r p ，o t g 设备则既能响应又能发起s r p 。 主机交换协议允许在两个直接相连的o t g 设备之间转换主机功能，无需切换 电缆。h n p 只能通过m i n i a b 插座实现。 凡进行o t g 功能的设计时，无论软硬件都需要参考此协议。 2 2 4e h c i 与o h c i 协议 i n t e l 公司制定的e h c i ( e n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e 增强型主机控制器接 口) 协谢9 | ，统一了高速数据传输的软硬件接口。e h c i 协议对u s b 2 0 主机的数据 传输调度进行了详细描述，使主机控制单元的开发更具规范性。 e h c i 协议的特点是：完全充分支持所有u s b 2 0 的特性；支持3 种速度的设 备；系统功耗管理；通过简单可靠的办法解决了内存失效( m e m o r yt h r a s h i n g ) ， 内存访问效率，和与c p u 功耗管理冲突等问题；提供最佳内存访问效率：减小硬 件复杂度；支持3 2 位或6 4 位寻址。 在进行主机尤其是高速主机硬件设计和软件( 驱动) 设计时可以参考e h c i 协议。 o h c i ( o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 协议i1 0 j 由c o m p a q 、m i c r o s o f t 等公司制 定，是u s b 主机的寄存器级描述，给予软硬件接1 2 1 标准化的定义。仅支持u s b l 1 协议。因此o h c i 协议是全速和低速主机硬件、驱动设计时的参考。 可以看到这两者之间最大差别就是e h c i 协议支持高速，而o h c i 仅支持全速 9 电子科技人学硕十学位论文 和低速。 2 2 5b u l k - o n l y 协议 b u l k o n l y 协议【1 1 】是位于u s b 2 0 协议之上针对大规模存储应用的传输协议。 顾名思义，它只支持u s b 2 0 中规定的“块传输( b u l kt r a n s p o r t ) ”方式。根据协 议数据传输可分为命令、数据和状态三阶段。协议规定了命令和状态阶段的数据 格式。此协议可作为驱动设计的参考。 2 2 6u s b 系统模型 u s b 上设备通过分层的星型拓扑结构连接到主机。u s b 的连接点为集线器， 集线器提供端口。主机嵌入包含根集线器，根集线器也提供一个或多个端口。o t g 控制器中既包含主机控制器同时也包含设备控制器。因此可以象普通设备一样接 入集线器【 图2 - 2o t g 系统物理拓扑结构 u s b 2 0 协议规定了a 、b 、m i n ib 系列连接器，a 插头来自u s b 设备面向主 机；a 插座来自u s b 主机或集线器的下行输出。b 和m i n ib 插头来自主机系统， b 和m i n ib 插座上行输入到u s b 设备或集线器。根据u s b 2 0o t g 补充协议【8 】规 定，额外增加了m i n ia 插头和插座，以及m i n ia b 插座。可见所有u s bo t g 设 备可以被分为a 设备和b 设备两类，其中使用a 、m i n i a 连接的设备称为a 设备， 1 0 第二章o t g 控制器系统设计 而使用b 、m i n i b 连接的设备称为b 设备。a 设备默认状态下为主机特性，而b 设备在默认状态下为u s b 设备。带m i n i a b 插座的所有设备必须符合双重角色设 备的所有要求，并提供双重角色设备的所有功能。 抛开o t g 单独检视主机和设备之间的关系，可以更深刻理解u s b 系统的工 作机制和实现方式。图2 - 3 1 5 j 描绘了u s b 的实际应用环境和通信流。 图2 - 3u s b 主机与设备通信流 主机侧“u s b 总线接口 为接口硬件电路，将准备发送的数据按要求格式组 织好后通过u s b 电缆传给设备。或者从设备接收数据并准备好。s i e 是串行接口 引擎( s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e ) ，由于u s b 是串行总线，而在计算机系统中数据是 并行的，因此发送数据前需要做一次并串转换，接收数据后需要串并转换。不仅 如此，u s b 2 0 协议层规定了发送数据时的格式，故s i e 需要按该格式准备数据， 或者根据该格式将有用数据从数据流中取出来。所以s i e 有组包和拆包的功能。 另外u s b 2 0 协议中传输中出现错误有差错控制要求，s i e 还需要进行数据校验和 出错处理。 电子科技大学硕十学位论文 设备侧的“u s b 总线接口”同样是接口硬件电路。其功能与主机类似，执行 与主机相对应的操作。主机利用o u t 事务发数据，设备在o u t 事务下接收数据； 主机利用i n 事务接收数据，设备则在i n 事务下发送数据。 主机部分的“传输接口是接口硬件电路与计算机系统的接口，也可以理解 为软硬件接口。软硬件接口参考e h c i 和o h c i 协议，表现形式为寄存器，软件配 置寄存器达到控制硬件的目的。计算机可以是普通p c 机，也可以是嵌入式系统。 一般常用接口类型有p c i 总线、a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ) 总线等。p c i 总线是p c 机外设接口。a m b a 总线应用于嵌入式系统。目前应用 a r m ( a d v a n c e dr i s cm i c r o c o n t r o l l e r ) 处理器的s o c 设计非常广泛，因此可以把 主机u s b 总线接口电路设计为i p 核，与a r m 处理器构成片上系统。此时接口可 以使用a m b a 总线。对于o t g 设备，应用在便携设备上常根植于嵌入式平台， 因此使用片上系统即i p 核与a m b a 总线的