摘要：設(shè)計和實現(xiàn)了U盤SoC。本系統(tǒng)包括USB CORE和已驗證過的CPU核、Nandflash、UDC_Control等模塊，模塊間通過總線進行通信。其中USB CORE為本文設(shè)計的重點，用Verilog HDL語言實現(xiàn)，同時并為此設(shè)計搭建了功能完備的Modelsim仿真環(huán)境，進行了仿真驗證。
關(guān)鍵詞：U盤；片上系統(tǒng)；USB；Verilog HDL

    隨著便攜式設(shè)備的廣泛使用，移動存儲設(shè)備被廣泛用于信息存儲和傳輸。在目前諸多存儲設(shè)備中，U盤憑借其體積小、容量大、攜帶方便、支持熱插拔等諸多優(yōu)點，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。所以對SoC芯片中集成USB接口的研究開發(fā)，具有較高的實用價值。
    文中通過分析USB協(xié)議，設(shè)計出了一種符合該協(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通過總線連接起來，組成了一個U盤SoC系統(tǒng)，并對此U盤SoC系統(tǒng)加以仿真驗證。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計
    現(xiàn)在的USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(MCU)和純粹的USB接口芯片。純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有一個外部微處理器來進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。帶USB接口的單片機從應(yīng)用上又可以分成兩類，一類是從底層設(shè)計專用于USB控制的單片機；另一類是增加了USB接口的普通單片機，這類USB控制器的最大好處在于開發(fā)者對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，開發(fā)工具簡單，但價格比較高，不利于產(chǎn)品升級和改型。

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

2 模塊的詳細設(shè)計
2．1 USB CORE
    此模塊為該設(shè)計的核心模塊，實現(xiàn)USB1．1總線接口層設(shè)備控制器的功能，是本文設(shè)計的重點。USB設(shè)備控制器的架構(gòu)框圖如圖2所示，rxdp、rxdm為從主機發(fā)送過來的信號，txdp、txdm為USB模塊發(fā)送給主機的信號。其中MCU通過控制SIE來對USB設(shè)備進行控制。如圖2所示，本設(shè)計分為6個模塊。下面分別介紹各個模塊。

2．1．1 rx模塊
    rx模塊是總線接收模塊，實現(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)測模塊。如圖3所示。

    dpll模塊用48 MHz的時鐘把總線上傳輸?shù)臅r鐘和數(shù)據(jù)信號恢復出來。用48 MHz的時鐘對總線上的數(shù)據(jù)信號進行采樣，以去掉抖動，然后產(chǎn)生總線信號電平變化的指示信號change信號，change信號的改變可控制采樣點，從而保證數(shù)據(jù)信號的采樣點固定在每位數(shù)據(jù)信號的中央。
    NRZI解碼模塊檢測到同步頭后，根據(jù)NRZI的原理，將rxdp和rxdp延后一拍的數(shù)據(jù)進行同或操作，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過去填充位，串并轉(zhuǎn)換后，送入解包模塊。
    總線狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測總線的狀態(tài)，置位suspend，resume，reset等狀態(tài)指示信號。若Idle時間超過3ms時，就將suspend信號置高，在suspend狀態(tài)時檢測到總線信號變化時，將resume信號置高，若se0時間超過2．5μs時，就將reset信號置高。
2．1．2 解包模塊
    本模塊接收從rx模塊送過來的并行數(shù)據(jù)，按照USB數(shù)據(jù)包協(xié)議規(guī)范對接收的數(shù)據(jù)進行解釋，并對數(shù)據(jù)做CRC校驗，給出當前接收包的類型，根據(jù)不同類型的包的結(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setup階段USB的標準請求進行解釋，提供和USB請求相關(guān)的信號給SIE模塊，判斷funetion和endpoint的地址是否合法。若標準請求中對某個端點所請求的操作和預定的不符，則會產(chǎn)生錯誤信號。
2．1．4 SIE模塊
    SIE(Serial Interface Engine)模塊是USB CORE的核心模塊，根據(jù)從解包模塊傳送過來的信號與從MCU傳送過來的接口握手信號，按照USB的相關(guān)協(xié)議，產(chǎn)生打包模塊的控制信號和MCU的控制信號，從而控制總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送。
    控制傳輸?shù)膶崿F(xiàn)：
    SETUP階段：從圖4中可看出，當token_valid_i、Pid_setup、ep0_sel有效時，表明收到一個有效的令牌包，udc_as_o被拉高，表示開始數(shù)據(jù)傳送，轉(zhuǎn)入ctrl_setup_stage狀態(tài)，此時cpu把device_bufok_i信號拉高，隨后開始接收數(shù)據(jù)，在setup階段8個字節(jié)的標準請求數(shù)據(jù)接收完成后，send_hdsk_pkt_o信號變高，表示數(shù)據(jù)接收正確，要求發(fā)送一個ACK的握手包。

    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為例來介紹，當Pid_in、token_valid_i、ep0_sel有效時，udc_as_o被拉高，表示開始數(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，表示開始接收數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)傳完后，send_hdsk_pkt_o信號變高，表示數(shù)據(jù)接收正確，并將toggle機制翻轉(zhuǎn)，要求打包模塊發(fā)送一個ACK的握手包。
    STATUS階段：STATUS階段也分為STATUS IN和STATUS OUT兩種情況。在STATUS OUT階段，接受到HOST發(fā)送過來的空數(shù)據(jù)包后，狀態(tài)機會將send_hdsk_pkt_o信號拉高，發(fā)送ACK包給HOST。其狀態(tài)機同SETUP狀態(tài)機類似。
    中斷、批量、同步傳輸?shù)腎N實現(xiàn)：在硬件設(shè)計上，中斷、批量和同步3種傳輸方式的處理都是一樣的，只是在系統(tǒng)配置時，各傳輸方式對應(yīng)的端點不同。下面以3種傳輸方式的IN傳輸來介紹。圖5為3種傳輸方式的IN傳輸?shù)臓顟B(tài)機。

    從上圖可看出，在收到IN令牌后，狀態(tài)機將tide_as_o拉高，表示開始傳送數(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信號置高，開始接收數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)傳送完畢時，狀態(tài)機會將send_data_pkt_o拉高，將此信號送至打包模塊，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傳來的控制信號，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)送過來的包信息，進行并串轉(zhuǎn)換，位填充，NRZI編碼后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。此模塊同rx模塊類似，不再贅述。
2．2 8051CPU
    此設(shè)計中的CPU為一個驗證過的IP核。它包含：1個8位中央處理器、1個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路、4 KB ROM程序存儲器、128B RAM數(shù)據(jù)存儲器、可尋址64 KB外部數(shù)據(jù)存儲器和64 KB外部程序存儲器的控制電路、32條可編程的I／O線(4個8位并行I／O接口)、2個16位的定時，計數(shù)器、1個可編程全雙工串行接口、5個中斷源、2個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。將USB的通信請求接入到CPU的一個外部中斷接口上，當USB的通信請求到來時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個中斷，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。
    此外，還需要設(shè)計一個CPU的固件firmware，實現(xiàn)USBCORE的上電初始化過程(向UDC_Control中的控制寄存器和狀態(tài)寄存器寫入初始數(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USB通信的控制和數(shù)據(jù)的讀寫操作。UDC_CTRL模塊中設(shè)有22個特殊功能寄存器，來完成USB通信。
    USB_INT1和USB_INT2為中斷寄存器，其各個位分別表示USB通信的9種中斷請求(剩下的位為保留位)，但USBCORE一次只能向CPU提供一個中斷信號，這兩個USB_INT寄存器供軟件在進入中斷后查詢是USB的何種中斷。EP0_CTRL、EP0_INFIFO_DATA、EPO_INFIFO_CNT、EP0_OUTFIFO_ DATA、EP0_OUTFIFO_CNT這5個寄存器都是與Endpoint0相關(guān)的，Endpoint0是由一個輸入端點和一個輸出端點組成，用來實現(xiàn)控制傳輸。所有支持USB標準請求和Class定義的請求都通過這個端點來處理。其中EP0_CTRL用來對Endpoint0的傳輸進行控制，當CPU要向USB主機傳送數(shù)據(jù)時，就會將數(shù)據(jù)寫入EP0_INFIFO_DATA，EP0_INFIFO_CNT是CPU向EP0_INFIFO_DATA中寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。EP0_OUT，Endpoint1，Endpoint2，Endpoint3，Endpoint4的寄存器情況類似，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CPU和USB CORE的通信進行監(jiān)控。
2．4 NandFlash
    針對NandFlash讀寫的特點，特別是其可隨機讀，但無法隨機寫的問題，需要通過設(shè)置緩沖區(qū)來解決。在與USB Host進行數(shù)據(jù)交換的過程中，最小的單位是扇區(qū)：512字節(jié)。由于NandFlash在寫之前必須先擦除，而一擦又必須擦一個Block，因此在擦除某Block之前必須保存同一個Block中有關(guān)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。因此，如果每收到一個扇區(qū)的內(nèi)容就進行一次擦、保存、寫的操作，系統(tǒng)任務(wù)將十分繁重，無法及時響應(yīng)USB Host端的請求。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，記下本次要寫的開始扇區(qū)和總扇區(qū)數(shù)，將本次要寫的數(shù)據(jù)涉及的扇區(qū)以外的數(shù)據(jù)從NandFlash中讀出來，存放在緩沖區(qū)中對應(yīng)位置，然后擦除一個Block，再將緩沖區(qū)中內(nèi)容一次全部重新寫入NandFlash。

3 仿真與驗證
3．1 仿真環(huán)境的介紹
    為了驗證此設(shè)計，需要建立一個和實際應(yīng)用情況類似的仿真驗證平臺，這個仿真系統(tǒng)平臺包括USB CORE的RTL代碼、CPU核、控制軟件的二進制代碼、UDC_Control、NandFlash、USB Host的仿真模型等。整個系統(tǒng)的Modelsim仿真環(huán)境如圖6所示。

    USB HOST的仿真模型用來模擬PC機上的主機控制器，完成上電檢測、標準設(shè)備請求、批量傳輸請求等功能，用來檢測USB設(shè)備應(yīng)答數(shù)據(jù)是否正確。負責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度的幀中，發(fā)送到USB總線上。
3．2 仿真結(jié)果
    通過此測試平臺，成功的完成了USB主機與U盤SoC之間的通信。仿真圖如圖7所示。

    從仿真圖中可以看出，通過控制傳輸對設(shè)備進行了復位、獲取設(shè)備描述符、配置地址等操作。接著進行了一個bulkout和bulk in傳輸。主機準確的將數(shù)據(jù)寫入了NandFlash，并且正確的將數(shù)據(jù)讀出。仿真表明，設(shè)計的結(jié)果滿足了USB設(shè)備控制器的規(guī)格要求。

4 結(jié)束語
    文中探討了U盤SoC的設(shè)計，并結(jié)合仿真工具通過了RTL級仿真，證明了本設(shè)計的可行性。該U盤SoC設(shè)計具有便于修改、易于實現(xiàn)的特點。