（微电子学与固体电子学专业论文）mcuusb设备控制器的设计与实现.pdf

m c u & u s b 设备控制器的设计与实现 摘要 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 凭借其价格低廉、使用简单、协议 灵活、接口标准化和易于端口扩展等优点，迅速占领了计算机外设接口领域的统 治地位，随着u s b 技术的广泛应用，它在数据通信方面发挥了巨大的作用，而且 随着i p 核的日益丰富，如何提高i p 核的重用性，将不同的i p 核有效的互连起来， 缩短设计周期成了i c 设计领域的研究热点。因此本文设计实现了m c u & u s b 设备 控制器i p 核。该设计综合了对设计者两方面能力的要求，a s i c 体系设计的能力和 通信协议理解分析的能力，除具有较强的理论研究意义，也具有较高的实践价值。 本文首先简单分析了通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的产生、发展和 u s b 设备国内外研究状况以及m c u ( m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lu n i t ) 的国内外发展状 况。其次介绍了u s b l 1 总线协议，包括u s b 体系结构，物理接口，数据通信中各 种包结构及数据传输的四种类型。接着重点阐述了m c u & u s b 设备控制器i p 核的 设计方法，详细描述其组成结构及各功能模块的设计，并介绍其在系统中的应用 方案。由于本文设计的m c u 和u s b 中控制器i p 核主要是针对鼠标、键盘、游戏杆 等低速功能设备，所以本设计中设备控制器只实现了控制传输，中断传输两种数 据传输类型。在以往的设计应用当中，m c u 基本都是应用硬核形式的的芯片，但 本论文是针对低速功能设备专用芯片而设计的，应用硬核形式的m c u 将大大浪费 设计产品的成本，就没有足够的竞争力，基于以上考虑，我们自主设计了m c u ， 达到硬核芯片功能的同时，则大大降低了芯片的面积和开发成本。 最后，对编写好i p 核进行仿真和综合，介绍了本设计的m c u & u s b 设备控制 器i p 核系统的验证平台，详细阐述了总线枚举和数据传输在仿真平台中的实现方 法，并分析了仿真结果。最终用华润上华的0 3 5 u m 工艺成功流片返回。 关键词：通用串行总线；u s b 设备控制器；i p 核；f p g a t i 硕i ：学位论文 a b s t r a c t f o rt h e a d v a n t a g e s o fl o wc o s t ，e a s yt o u s e ，p r o t o c o lf l e x i b l e ，i n t e r f a c e s t a n d a r d i z a t i o na n dp o r te a s yt oe x p a n d ，u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) o c c u p i e st h e p r e d o m i n a n tp o s i t i o ni nt h er e g i o no fc o m p u t e rp e r i p h e r a li n t e r f a c ea n dw i t ht h ew i d e u s eo fu s bt e c h n o l o g y , u s bp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nd a t ac o m m u n i c a t i o n w i t ht h e a b u n d a n c eo fi pc o r e ，h o wt oi n c r e a s et h er e u s a b i l i t yo fi pc o r e ，c o n n e c td i f f e r e n ti p c o r e se f f e c t i v e l ya n ds h o r td e s i g np e r i o db e c o m et h er e s e a r c hf o c u s e si ni cd e s i g n f i e l d ，t h e r e f o r et h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t sac o n t r o l l e ri pc o r eo fm c u & u s b d e v i c e t h i sd e s i g nc o m p r i s e st h er e q u i r e m e n t so ft h ec a p a c i t yo ft h ed e s i g n e r si nt w o f a c e t s ，t h ec a p a c i t yo fa s i cs y s t e md e s i g n a n dt h e c a p a c i t y o fa n a l y s i so f c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h i sd e s i g nh a ss t r o n gt h e o r e t i c a lr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lv a l u e f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo r i g i na n dd e v e l o p m e n to fu n i v e r s a ls e r i a lb u s ， r e s e a r c ho fu s bd e v i c ea n dt h ed e v e l o p m e n to fm c ua th o m ea n da b r o a d s e c o n d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eu s bi i p r o t o c o li n c l u d eu s bs y s t e ms t r u c t u r e ，p h y s i c a l i n t e r f a c e ，p a c k a g e s t r u c t u r ei nd a t ac o m m u n i c a t i o na n df o u r t y p e s o fd a t a t r a n s m i s s i o n t h e nt h ep a p e rf o c u s e so nt h ea p p r o a c ho ft h ed e s i g no fm c ua n du s b d e v i c ec o n t r o l l e ri pc o r e ，d e s c r i b e st h es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ed e s i g no fe a c h f u n c t i o nm o d u l ei nd e t a i la n dp r e s e n t st h ea p p l i e ds c h e m eo ff u n c t i o nm o d u l ei nt h e s y s t e m b e c a u s et h em c u & u s bd e v i c ec o n t r o l l e ri pc o r ed e s i g n e di n t h i sp a p e r m a i n l ya i m st ol o ws p e e df u n c t i o n a ld e v i c el i k em o u s e ，k e y b o a r da n dj o y s t i c k ，t h e d e s i g no fd e v i c ec o n t r o l l e ro n l yi m p l e m e n t sc o n t r o lt r a n s f e r r i n ga n di n t e r r u p t t r a n s f e r r i n g i nt h ep a s td e s i g n s ，m c ua l w a y sa p p l i e sc h i p so fh a r dc o r e ，b e c a u s eo f t h ea i m so ft h ed e s i g ni nt h i sp a p e ra r el o ws p e e df u n c t i o n a ld e v i c e s ，t h eh a r dc o r e m c uw a s t e sc o s to ft h ed e s i g np r o d u c t s ，l a c k sp r o d u c tc o m p e t i t i o n ，b a s e do nt h e c o n s i d e r a t i o na b o v e ，t h i sp a p e rd e s i g n sm c u i n d e p e n d e n t l yt oa c h i e v et h ef u n c t i o n s o fh a r dc o r em c u ，g r e a t l yd e c r e a s e st h ec h i pa r e aa n dd e v e l o p m e n tc o s t s f i n a l l y , t h ep a p e rs i m u l a t e sa n ds y n t h e s i z e st h ed e s i g n e di pc o r e ，i n t r o d u c e st h e s y s t e mt e s tp l a t f o r m ，e l a b o r a t e st h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fb u se n u m e r a t i o na n d d a t at r a n s f e r r i n gi nt e s tp l a t f o r ma n da n a l y z e st h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ed e s i g ni s t a p e do u ts u c c e s s f u l l yb yc s m co 3 5 u mp r o c e s s k e y w o r d s ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ；u s bd e v i c ec o n t r o l l e r ；i pc o r e ；f p g a i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：下彳、刮毫 日期：矽尹年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：确j 亳 别醴名。叫 锋 日期：沙7 年乡月弓日 隰呷年易月牛日 硕十学位论文 1 1u s b 总线产生及发展 第1 章绪论 当前的计算机系统使用的绝大多数外部设备仍然是基于接口实现，一般都使 用并行口、串行口、p c i 接口等与计算机连接。其中有些接口设计时间是在2 0 世 纪8 0 年代。随着计算机技术的飞速发展，这些接口已经无法满足计算机与外部设 备之间不断提高的速度以及稳定性，易用性等要求，并且给计算机系统的设计者 带来了众多的麻烦，给用户的使用也带来了诸多不便。 为了解决旧的接口体系的缺陷，计算机行业从9 0 年代以来推出了许多总线接 口协议，其中最成功的是以i n t e r 为首的7 家公司推出的u s b 协议，通用串行总线 ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是c o m p a q 、d e c 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 和n o t h e m t e l e c o m 等七大公司于1 9 9 4 年1 1 月联合开发的计算机串行接口总线标准，1 9 9 6 年1 月15 日颁布u s b1 o 版本规范，l9 9 8 年1 0 月公布了1 1 版本，修补了1 0 版本中的问 题。u s b 2 0 版本规范于2 0 0 0 年4 月2 7 日由c o m p a q 、h p 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 和 p h i l i p s 正式对外发布。在u s b2 0 的发展道路上i n t e l 吸取了u s b1 1 的教训。当时， i n t e l 坚定地领导u s b l 1 的主控芯片的发展，并拒绝透露内建的寄存器设置的细 节，这些寄存器设置如今被叫做通用主控接口( u h c i ) 。结果，微软、国家半导 体以及其他一些公司不得已发展了一套完全不同的寄存器设置，被叫做开放主控 接口( o h c i ) ，这样在市场里就有了许多带着各自一套不同寄存器设置的主控芯 片，这极大延缓了驱动的发展进度。在u s b2 0 规范里，i n t e l 决定做增强的主控接 口( e h c i ) 并且对外公布寄存器的情况。这使得主控芯片归于统一，这非常有利 于设备驱动的发展 2 】。u s b 2 0 除兼容u s b l 1 外，新增主要规范内容：数据速率可 达4 8 0 m b p s t 3 1 。支持高清晰数字会议系统设备、高速高密存储设备、新一代更高 速高分辨率的彩色打印机及扫描仪、宽带a d s l 和c a b l em o d e m 等。 当前数据传输可以有串行和并行两种模式。串行传输指的是若干个二进制码 排列成数据流以串行的方式在一个信道中传输。通常传输的顺序是由高位到低位， 以起始位开始以停止位结束，传完一个字符再传一个字符。串行接口总线一般只 有一根传输线，既作为数据线也作为控制线使用，所以串行接口的传输有一定的 协议和规定。随着集成电路的设计方法和半导体技术的迅速发展，串行数据接口 总线有了广阔的应用范围，其集成的技术和本身的功能也在不断的提高和完善。 与并行总线相比，串行总线有以下的优点【4 1 ： 1 很强的抗干扰性，即使是较远距离和较高速率的传输，也不会产生串扰， 保证信号的质量； m c u & u s b 设备控制器的设计j 实现 2 安装结构简单，使用方便； 3 连接线占据空间小，在消费电子产品追求精而小的今天，得到广泛的应用 和发展。 1 2u s b 设备控制器国内外研究现状 从u s b 问世，到协议规范o t g 版本，u s b 在不断自我完善，走向成熟。从 普通计算机用户、电子工程师，到硬件芯片生产厂商，都己经完全认可了u s b 。 厂商对于u s b 的硬件和软件支持的也越来越完备，现在开发一个u s b 外设产品， 所需要投入的成本和时间大大降低了，几年前是没有办法做到这一点的。但是， 随着u s b 应用领域的逐渐扩大，人们对于u s b 的期望也越来越高，希望u s b 能 应用在各种计算机领域中，尤其是在移动数据领域中，希望各种仪器设备能通过 u s b 接口直接和u s b 外设通信，使得u s b 能应用在没有p c 的领域中。当前u s b 设备控制器的应用主要集中在移动数据采集存储领域。移动数据交换技术，是伴 随着u s b 总线接口的成熟而兴起的。从u s b 接口的移动硬盘和u 盘，到具有u s b 接口的数码相机，凡是涉及到移动数据存储的装置，大多采用u s b 接口。u s b 既是数据交换的媒介，又是其核心。可以这样说，没有u s b ，就不会有移动数据 业务的迅猛发展。 目前u s b 设备控制芯片只有少数的公司提供，现在比较成熟的有c y p r e s s 公司 和p h i l i p s 公司的芯片，他们推出的各类u s b 芯片己经得到了广泛的使用【5 1 ，但是国 内的i c 设计、生产厂商没有投入足够的精力在这一领域，丧失了很大的市场空间。 尤其是兼容u s b 2 0 协议的接口，几乎完全依赖于国外的产品。同时，s y n o p s y s f a r a d a y 等国外的公司及台湾的虹晶科技，松瀚科技等都推出了商业版的u s bi p 核，而内地对于u s bi p 核的研究还很欠缺，究其原因，主要是u s b 的技术核心来 自国外，其结构对用户不透明，掌握u s b 编程和开发的技术难度较大，需要长时 间的学习投入和潜心研究。因此，国内实际掌握u s b 驱动程序编写和硬件开发技 术人才稀少，也影响了我国u s b 产品的自主研制【6 】。 1 3m c u 国内外发展状况 微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) 自上世纪7 0 年代出现以来，在将近3 0 年的时间里得 到了迅猛的发展和广泛的应用。随着微电子技术的飞速发展，微控制器以其性能 好、体积小、价格优、功能齐全等突出优点被广泛应用于家用电器、计算和外设、 通讯、工业控制、自动化生产、智能化设备以及仪器仪表等领域，成为科研、教 学、工业技术改造最得力的工具。从最初采用普林斯顿结构的简单的微控制器到 现在普遍采用哈佛双总线结构的r i s c 微控制器，微控制器取得了飞速的发展。在 硕上学位论文 微控制器应用领域日益广泛的今天，对微控制器提出了更高要求，希望速度更快、 功耗更低、价格低廉、易学易用以及组成系统时的外围器件更少【7j 。由于这些需 求，新的产品越来越多的把外围接口器件集成到片内，功能越来越强，性能越来 越高。 最早出现的微处理器是在1 9 7 1 年i n t e l 公司推出的4 0 0 4 微处理器，字长4 位，采 用p m o s 工艺，它含有2 3 0 0 个p m o s ，平均指令周期约2 0 , u s 。4 0 0 4 是为日本一家 名叫b u s i c o m 的计算机公司设计的用于该公司计算器产品的专用芯片。在研制过 程中，i n t e l 计算机专家泰德霍夫( t e dh o f f ) 发现，与其依照每一个不同的使用规 格设计一颗颗不同的芯片，不如把整个结构拆分成两部分，一边是共用的、能进 行逻辑控制用的处理器，另一边则是用来贮存指令的只读存储器r o m ( r e a do n l y m e m o r y ) 。对于不同计算器，只需要改变存储器的内容。如此一来同一个处理器 可以应用在各种不同的计算器，甚至可以适用在各种不同的数字产品上。这一想 法，有两个主要的突破。在技术方面只要以集成电路科技设计出这个用于逻辑控 制的处理器，长久盼望的“单芯片电脑”即将可以实现。在商业方面一套元件可以 广泛用于各种不同的产品上，这意味着一个可以大量产出、适用于各种不同的产 品的机会。i n t e l 是把这个逻辑控制用的处理器称作“微处理器”( m i c r o p r o c e s s o r ) 。 因为它真是一个“微小”的处理器。4 0 0 4 能完成两个4 位数相加，能通过重复相加完 成乘法。以今天的标准，4 0 0 4 虽然过于原始，但是它却成为微处理器的容量和功 能不断发展的开端。 最早的8 位微处理器8 0 0 8 是在1 9 7 2 年由i n t e l 公司推出的，它也采用p m o s 工 艺，仍然属于第一代微处理器。它要求2 0 个或者更多的附加器件才能够构成一个 功能完备的c p u 。8 0 0 8 的问世，使得很多的厂家意识到微处理器有着巨大的潜在 市场。从那时候起，微处理器得到了飞速的发展。8 位微处理器的典型代表是1 9 7 4 年i n t e l 公司推出的8 0 8 0 ，m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 ，以及1 9 7 6 年z i l o g 公司的z 8 0 ，它们 都采用n m o s 工艺，平均指令周期约2 胛。1 6 位微控制器最早出现在1 9 7 4 年。现 在比较典型的芯片则还要晚些时候出现；i n t e l 8 0 6 0 出现于1 9 7 8 年；1 9 7 9 年为z i l o g 公司的z 8 0 0 0 ；1 9 8 0 年为m o t o r o l a 的m 6 8 0 0 0 。1 6 位微控制器芯片已经进入超大规 模集成电路的行列，例如i n t e l 8 0 2 8 6 包含1 3 0 0 0 0 个器件。3 2 位微控制器则都属于 v l s i 芯片。1 9 8 1 年，i n t e l 的3 2 位微控制器a p x 4 3 2 问世。真正在市场中开始广泛 应用的3 2 位微控制器是在l9 8 5 年由i n t e l 公司推出的8 0 3 8 6 。8 0 3 8 6 的集成度己经达 至u 2 7 5 0 0 0 个器件，到1 9 8 9 年i n t e l 推出了8 0 4 8 6 微处理器芯片。1 9 9 3 年i n t e l 推出第一 款奔腾处理器( p e n t i u mp r o c e s s o r s ) 。奔腾处理器能够轻而易举的集成真实生活中 的数据，如语音、音频、手写笔迹、图像和图形等。1 9 9 7 年，i n t e l 推出了包含7 5 0 万个晶体管的奔腾i i 处理器。这款产品集成了i n t e lm m x 多媒体增强技术，专门为 高效处理视频、音频和图形数据而设计。1 9 9 9 年春季，i n t e l 推出了奔腾i i i 处理器， m c u & u s b 设备捧制器的设计与实现 这是第一款专为提高芯片的网络性能所设计的微处理器【8 1 。 1 4 本课题主要研究内容及意义 u s b 接口设备的广泛使用催生了一个巨大的需求市场，本论文正是结合企业 的具体产品项目设计展开的。首先通过对u s b 串行接口通信协议的研究和理解， 根据系统的功能及m c u 和u s b 的功能结构，把整个设备控制器进行系统的细化， 按照其功能进行模块的划分，然后用硬件描述语言v e r i l o gh d l 对每个模块进行描 述设计，最后通过模块之间的协调和调用完成串行接口控制器的设计【9 1 。并设计 了把整体控制器作为从机的测试流程，然后利用e d a 仿真工具完成了模型的仿真 工作。 本文第1 章主要介绍了u s b 和m c u 的特点及国内外发展状况，并介绍了本 论文的主要工作和结构。 本文第2 章主要简单介绍了u s b l 1 总线协议，包括u s b 体系结构，物理接 口特性，特别详细介绍了u s b 数据通信中各种包结构及数据传输的四种类型：控 制传输、批量传输、同步传输、中断传输。 本文第3 章是本课题的主体，详细介绍了本课题的设计过程，说明了m c u 和u s b 各个功能模块的在系统中所实现的功能和其具体设计方法。 本文第4 章先介绍了整个验证环境，然后对本设计进行了功能验证，并详细 分析的验证结果，肯定了本设计的正确性，可行性，最后给出版图。 硕士学位论文 第2 章u s b 系统结构和传输原理 2 1u s b 系统的基本组成 u s b 系统主要分为三个部分：主机、设备和互连【1 0 】。在任何u s b 系统中，只 有一个主机。u s b 和主机系统的接口称作主机控制器，它可由硬件、固件和软件 综合实现；设备可以分为功能性设备即外设和集线器( h u b ) 两种，前者作为系统的 功能扩展设备，后者作为u s b 设备的扩展连接点：互连定义了主机和外设的连接 和通信方式，包括总线拓扑结构、内部分层关系、数据传输模型和总线访问控制 等几个部分。 u s b 上的所有通信都在主机端产生，由软件控制。首先u s b 设备驱动程序将 中断请求包( i r p ) 发送给u s b 驱动程序。此程序把该请求组织为若干个专门的事务 处理，接着主控制器驱动程序安排事务处理在u s b 上广播。u s b 总线接口层提供 了在u s b 数据线上的数据的底层传输。主机方由u s b 主控制器和根集线器组成。 u s b 设备方则由设备中的u s b 接口组成；u s b 设备层实现了u s b 通信机制和u s b 功能设备所要求的传输特性；功能层代表客户软件和一个给定的设备功能接口之 间的关系。 2 2 电气特性 主机的总线接口通过d + ，d 向设备传输数据，并同时用v b u s 和g n d 两根电 源线为设备供电。u s b 规范中将信号的传递状态分为：j 状态、k 状态和s e 0 状态】。 由一个状转换为另一个状态是通过总线事件检测来确定的。各种状态持续时间的 长短确定了总线上诸如复位信号、挂起通知和唤醒等总线事件。但这两种状态的 定义在全速设备与低速速设备刚好是相反的。也就是说，对以j 状态而言，全速设 备是处于差动1 的状态，低速速设备则是处于差动0 的状态，相对地，对k 状态而 言，全速设备是差动0 的状态，而低速设备则是差动1 的状态。如图2 1 所示，u s b 在一条4 线的电缆上传输数据信号和电源。两条电源线分别为v b u s 和g n d 线，数 据信号在两条点对点连接的差分数据线d + ，d 线上传输。u s b 2 0 总线支持下面三 种数据速率【1 2 】- 1 ) u s b 高速信号位速率是4 8 0m b s ； 2 ) u s b 全速信号位速率是1 2m b s ； 3 ) 性能有限的低速信号模式定义为1 5m b s 。 m c u & u s b 设备控制器的设计与实现 v b u s d + d g n d v b u s d + d g n d 图2 1u s b 电缆线 u s b2 0 主机控制器和集线器提供了一种功能，使全速和低速数据可以在主 机控制器与集线器之间以高速传输，而在集线器与设备之间以全速或低速传输。 这种功能将全速和低速设备对高速设备可用带宽的影响减到最小。 低速模式用于支持例如鼠标、键盘、操纵杆等数量有限的低带宽设备，因为 使用太多这种设备将降低总线的利用率，所以一般这种设备不会同时用太多。时 钟与差动数据一起编码发送。时钟是以带位填充的n r z i 方式编码，以保证有足够 的跳变沿。接收器用每个包前面的s y n c 场同步它们的位恢复时钟。每段电缆还 有向设备提供电源的v b u s 和g n d 线。v b u s 在源极的标称值是+ 5 v 。通过选择适 当的导线规格来匹配指定的i r 压降以及设备功耗预算和电缆灵活性等其它属性， u s b 可以使用不同长度的电缆，最长可达几米【 】。为了提供可靠的输出电压级和 适当的终端阻抗，电缆在每端都连接偏压终端。终端也可以检测u s b 设备在每个 端口的连接和拔出，并区分高速、全速和低速设备。 2 3u s b 数据包结构 u s b 设备的逻辑结构可分为设备、配置、接口、端点四个层次。每个设备可 以有多个配置；每个配置可以有多个接口。每个接口可有多个端点。端点是设备 与u s b 总线的逻辑连接点，也是u s b 总线数据的最终发送和接收者( 一个接口是 一组端结点集合，它们代表了设备向主机提供的单一的功能或特性，从设备的角 度来看，配置包括一个将非零值写入设备配置寄存器的操作) 。每个端点使用控制 传输、中断传输、块传输和同步传输中的一种与主机进行数据传输。接收和要发 送的数据都可存在端点的缓冲区里。设备的这些设置都可以在它的各种描述符里 进行初始化。 2 3 1u s b 总线编码技术 在包传送时，u s b 使用一种n r z i ( n o n er e t u r nz e r oi n v e r t ，即非归零反转l 编码方案。在该编码方案中，“l ”表示电平不变，“0 ”表示电平改变。图2 2 列出 了一个数据流及其它的n r z i 编码。 硕十学位论文 0 1101 0l000l0oll0 数据司厂 厂 - 一一厂 一一厂l 0 00lllll1l10ll1 数据司厂 厂一 n r z i 码i d l eul 一一一一一l 一一一 图2 2n r z i 编码技术 在图2 2 第二个波形图中，一开始的高电平表示数据线上的j 态，后面就是 n r z i 编码。为了确保信号发送的准确性，当在u s b 上发送一个包时，传送设备 就要进行位插入操作。所谓位插入操作是指在数据被编码前，在数据流中每六个 连续的“1 ”后插入一个“0 ”，从而强迫n r z i 码发生变化。位插入操作从同步格式 开始，贯穿于整个传送过程，在同步格式端的数据“1 ”作为真正数据流的第一位。 位插入操作是由传送端强制执行的，是没有例外的。如果严格遵守位插入规则， 甚至在包结束信号( e n do f p a c k e t ，e o p ) 结束前也要插入一位“0 ”位。接收端必须能 对n r z i 数据进行解码，识别插入位并去掉它们。如果接收端发现包中任一处有 七个连续的“1 ”，则将会产生一个位插入错误，该数据包将被忽略【1 4 】。关于位的 插入有一个特例，那就是刚好在e o p 前的时间间隔，e o p 前的最后一个数据位可 能被集线器的转换偏移而拉长。 2 3 2 包的组成 u s b 包由5 个部分组成，即同步( s y n c ) 字段、包标记符( p i d ) 字段、数据字 段、循环冗余校验( c r c ) 字段和包结尾( e o p ) 字段。如图2 3 所示。 图2 3u s b 数据包结构 1 同步( s y n c ) 字段：s y - n c 字段由8 位所组成，他是用来产生同步作用的， 将会起始p l l ，因此，它的数值固定为0 0 0 0 0 0 0 1 ； 2 包标记符( p i d ) 字段：由4 个位的包类型字段和4 个位的校验字段构成： 3 数据字段：可以包含地址字段、端点字段、帧序列字段及数据等； 4 循环冗余校验( c r c ) 字段：c r c 字段是用来对包中的数据信息进行错误保 护的，它只存在于令牌包和数据包中； 5 包结尾( e o p ) 字段：包的发送方在包的结尾发出包结尾信号。它由差分线路 m c u & u s b 设备控制器的设计与实现 的两根数据线保持2 比特低位时间和1 比特空闲位时间组成。除前导包外的其他 所有u s b 数据包都必须具有e o p ，以用来指示数据包的结束。 2 3 3 包的类型 u s b l 1 规范主要有四类不同类型的数据包：令牌包、数据包、握手包、和专 用包。 1 令牌包( t o k e np a c k e t ) 当数据包中的p i d 类型为令牌类型时，该数据包被称为令牌包。如图2 4 所 示。 设备地址( 7 位)端点( 4 位) 同步序列 p i dc r ce o p 序列帧号( 1 l 位) 图2 4 令牌包格式 根据p i d 的不同，令牌包又分为4 种：起始令牌包( s o f ，也叫帧起始) 、输入 令牌包( i n ) 、输出令牌包( o u t ) 和用于控制传输的设置令牌包( s e t u p ) 。所有的令 牌包都是由u s b 主机发出，设备不发送令牌包。如图2 4 所示，令牌包包括了覆盖 地址和端口字段的5 位c r c 。c r c 并不覆盖p i d ，因为它有自己的校验字段。 当令牌包的p i d 为s o f 时，该数据包被称为帧起始令牌包，其数据字段必为1 1 位的帧序列号。主机以每1 0 0 m s 士0 0 0 0 5 m s m 次的额定速率发出帧开始( s o f ) 包， 包括集线器的所有全速功能部件都可收到s o f 包( 低速设备不能收到) 。s o f 标记不 会使得接收功能部件产生返回包；因此不能保证向任何给定的功能部件发送的 s o f 都能被收到。 当令牌包的p i d 为s e t u p 时，该数据包被称为设置令牌包。 当令牌包的p i d 为i n 时，该数据包被称为输入令牌包。 当令牌包的p i d 为o u t 时，该数据包被称为输入令牌包。 2 数据包( d a t ap a c k e t ) 当数据包中的p i d 类型为数据类型时，改数据包被称为数据包。数据包中装 有主机和设备之间传输的数据信息。格式如图2 5 所示。 i 同步序列l p i d l 数据( o 1 0 2 3 字节)l c r c i e o p i 图2 5 数据包格式 为了更好地同步主机和设备之间的数据传输，保证数据的正确性和连贯性， 避免因出错重传而带来的数据重叠问题，数据传输使用了“同步切换( d a t a t o g g l e ) ”技术，长度为2 ，即有两种类型，靠包的标识符d a t a 0 和d a t a l 来区 分。其中d a t a 0 所表示的数据包是数据传输中的第1 、3 、5 等奇数包，而d a t a l 硕上学位论文 所表示的数据包是数据传输中的第2 、4 、6 等偶数包【1 5 1 。 3 握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 当数据包中的p i d 类型为握手类型时，改数据包被称为握手包。握手包用于 事务处理的最后阶段，用来报道事务处理过程中接收方的状态。格式如图2 6 所 示。 图2 6 握手包结构 握手包共包括3 种类型：a c k ( a c k n o w l e d g e ) 、n a k ( n oa c k n o w l e d g e ) 和 s t a l l 。 1 ) 应答( a c k ) a c k 表示数据的接收方正确地接收到了数据包。 2 ) 无应答( n a k ) n a k 表示u s b 设备不能从u s b 主机接收数据或者它暂时没有数据传输到 u s b 主机。 3 ) 终止( s t a l l ) s t a l l 表示由于u s b 设备内部有问题不能发送或接收数据，或者不支持某个 控制命令。 4 前导包( p r e a m b l e p a c k e t ) 当u s b 数据包的p i d 为p r e 时，该数据包被称为前导包，前导包是为了使 系统区分全速传输和低速传输而产生的，它的目的是为了提醒u s b 集线器系统要 传输的下一个包是一个低速包。 2 4 事务处理 在u s b 上数据信息的一次接收或发送的处理过程称为事物处理。事务处理的 类型包括输入事务处理、输出事务处理、设置事务处理和帧开始( s o f ) 、帧结尾 ( e o p ) 等类型。 2 4 1 输入事务处理 输入事务处理表示u s b 主机从总线上的某个u s b 设备接收一个数据包的过 程。一般包括令牌包、数据包和握手包。 1 数据的正确输入过程 输入事务处理中没有出现错误的情况如图2 7 所示。 m c u & u s b 设备控制器的设计j 实现 巨丑亟因巨丑至困巨丑至工习 输入令牌包( u s b z 机) 数据包( 来自设备) 握手包( 来自主机) 图2 7 输入事务处理 首先由u s b 主机向总线发出输入令牌包通知设备准备向u s b 主机发送数据； 当指定的设备接收到此令牌后，将准备好的数据以数据包的形势发送给主机，接 着当u s b 主机接收到的数据经校验无误出错后，给设备返回a c k 握手包通知主机 已经正确地接收到了数据。 2 数据包发送错误 当u s b 主机在数据时相接收到的数据包有错误时，就不再给设备返回握手 包，表示此事务处理过程没有成功。 3 设备未准备好数据 在事务处理过程的数据时相，指定的设备暂时没有准备好要发送数据包是， 他会在数据时相发给u s b 主机一个n a k 握手包( 即用n a k 包代替数据包) ，提醒 主机暂时不能发送数据，主机也不发送握手包，主机会在一定时间内重新启动此 事务处理。 4 设备出错 当指定的设备发生错误时，会在数据时相发出一个s t a l l 的握手包( 即用 s t a l l 代替数据包) 通知u s b 主机设备出错，并提醒主机端的协议软件清除掉设 备端的错误。 5 实时传输的输入事务处理 由于实时传输对数据的出错率要求不高，而对速度、实时性要求很高，因此 实时传输的事务处理过程仅包括令牌包和数据包两部分，省去握手包。格式如图 2 8 所示。 巨丑至固匝丑蔓丑困 图2 8 实时传输输入事务处理 2 4 2 输出事务处理 输出事务表示主机向总线上的某个设备发送一个数据包的过程。同输入事务 处理一样。般情况下，输出事务处理一般包括令牌包、数据包、握手包。 2 4 3 设置事务处理 设置事务处理仅在控制传输中使用，表示u s b 主机向某个设备发送控制命 令。它一般包括令牌包、数据包和握手包三部分。数据包中装的是主机发送给某 个设备的控制命令，用来指挥设备完成某种操作，它紧跟在令牌包后面由主机发 硕l 学位论文 出，设备收到数据包后应该返回一个握手包。 1 ) 如果传输的数据被设备正确的接收到后，设备返回一个a c k 的握手包。 2 ) 如果前面的包在传输中出现错误，设备就不会返回握手包。 3 ) 如果指定的设备正忙而暂时不能接收数据包，它会在令牌包后返回一个 n a k 的握手包表示设备忙。 当出现后两种情况时，u s b 主机会在等待一定时间后重新启动此设置事务处 理过程。设置事务处理中的数据包中的数据是主机发给设备的控制命令。 4 ) 如果设备不能支持该命令，会在握手时返回一个s t a l l 握手包，通知主机设备 不支持此命令。 2 5 数据传输 u s b 数据传输实际上是u s b 主机数据缓冲区的数据，通过主机控制器转化 串行通信流，经u s b 传输线传输。u s b 设备收发器将收到的数据转换成数字 c m o s 串行数据流。然后通过u s b 设备控制器传输到设备端点，最后传送至微处 理器内部随机存储器( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，r a m ) 或通过内存直接存取( d i r e c t m e m o r ya c c e s s ，d m a ) 接口存储在同步静态随机存储器( s y n c h r o n o u ss t a t i c r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，s s r a m ) 中。因此，u s b 通信可以认为是主机缓冲区与 设备端点之间的数据传输【j6 1 。设备端点实际上也是设备硬件上具有一定大小的数 据缓冲区，设备中的每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点号是在设备 设计时被给定的。端点分为两类：0 号端点：所有u s b 设备都需要实现一个缺省的 控制方法，端点0 是双向端点；非0 号端点：设备可以有除0 以外的其它端点：低 速设备在0 号输入及输出端点外，只能有2 个额外的可选端点，而高速设备可具 有的额外端点数仅受限于协议的定义( 协议中规定最多1 5 个额外的输入端点和最 多1 5 个额外的输出端点) 。除了端点0 之外的端点必须在设备被主机配置之后才 可以使用。 u s b 的标准脉冲时钟为1 2 m h z ，而其总线时钟为l m s ，即每隔l m s ，u s b 器 件应为u s b 线缆产生一个时钟脉冲序列。这个脉冲序列称为帧开始资料包( s o f ) ， 主机利用s o f 来同步u s b 资料的发送和接收。 u s b 协议提供了种类不同的数据传输类型，包括控制传输、批量传输、中断 传输和实时传输。批量传输用于打印机或扫描仪等传输大块数据的设备；中断传 输用于传输类似p c i 或i s a 总线中的中断信号的数据；实时传输用来传输音频或 视频的数据；控制传输用来对设备进行初始化的配置管理，它比其他3 种类型的 传输要复杂一些，所有的u s b 设备都要求支持控制传输。 m c u & u s b 设备控制器的设计与实现 2 5 1 控制传送 控制传输是u s b 传输中最重要的传输，惟有正确地执行完控制传输，才能进 一步地执行其他传输模式。这种传输用于提供介于主机与设备之间的配置、命令 或状态的通信协议。控制传送只能通过消息通道进行；控制传送使用的是消息通道 上的双向信息流【16 1 。 控制传送最少有2 个事务阶段：建立和状态。建立事务用于向功能部件的控制 端口传输信息。建立事务在格式上类似于输出，但是使用的是建立而不是输出的 p i d 。建立总是在建立事务的数据时相上使用d a t a 0p i d 。收到建立的功能部件 必须接受建立数据并用a c k 应答，如果数据被损坏，则丢弃数据且不返回握手。 图2 9 为控制传输事务处理的格式。 空闲 标记 数据 握手 空闲 圆圈 图2 9 控制传输事务处理 在数据时相中要发送的数据的数量和其方向在建立阶段里被指定。 控制传送的状态阶段是序列中的最后一个操作。如图2 1 0 所示： 建立阶段 鍪塑坠壁 状态阶段 控制写圆固回囤回 d a t a od a t a ld a t a 0d a t a 0 id a t a i 控制读 围回回回 d a t a l d a t a 0d a t a 0 1