摘要：介紹了USB設備控制器的基本功能和原理，提出了一款基于6502MCU的通用的帶HUB的全速USB設備控制器的體系結構，并完成了整個芯片的設計，而且通過了FPGA驗證。這款芯片可以用來開發(fā)帶HUB的全速USB設備、全速USB設備或全速USB HUB。
關鍵詞：USB HUB SIE 轉發(fā)器 FPGA
近年來，USB技術已經(jīng)成為計算機領域發(fā)展最快的技術之一，得到了廣泛的應用。早在1998年，由于USB1.1規(guī)范的推出以及Windows98加強了對USB的支持，USB就得到了飛速的發(fā)展和普及，各種USB設備不斷涌現(xiàn)。2000年，USB2.0規(guī)范推出之后，USB一扆只能適用于中低速設備的局面，在高速傳輸領域也占領了大量的市場份額。2001年推出的USB-OTG解決了大量USB設備之間的直接互連問題，因此USB規(guī)范將得到更加迅速的發(fā)展。

根據(jù)USB規(guī)范，USB系統(tǒng)的拓撲結構呈金字塔狀，集線器（HUB）是金字塔中不可或缺的部件，是主機與設備之間建立連接的橋梁。根據(jù)USB2.0規(guī)范，全速USB HUB可以連接低速、全速和高速下行設備（高速設備降為全速運行）。
本文提出一款基于6502 MCU的通用的帶HUB的全速USB設備控制器的體系結構，并完成整個芯片的設計。這款芯片可以用來開發(fā)帶HUB的全速USB設備、全速USB設備和全速USB HUB。

1 系統(tǒng)設計
常見的USB設備控制器的功能結構框圖圖1所示。收發(fā)器用于實現(xiàn)牧師層的USB規(guī)范，它包含一個接收器和一個發(fā)送器，接收器用于接收和判決總線D+、D-的信號，發(fā)送器用于驅動D+、D-的信號。串行接口引擎(SIE)主要用于解析協(xié)議層的USB規(guī)范，如時鐘提取、NRZI編碼/解碼、比特填充/抽取、CRC校驗、PID檢測/產(chǎn)生、串并/并串轉換等。功能控制器主要用于處理功能層的USB規(guī)范。緩沖區(qū)是功能控制器與SIE互相通信的橋梁，通常SIE把總線上接收到的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中，供功能控制器讀取并解析；同時，功能控制器又會把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中，供SIE讀取并發(fā)送。

集成HUB的USB設備控制器又稱為復合設備控制器，它在本質上是兩個USB設備，在系統(tǒng)中擁有兩個不同的設備地址。因為USB是分時復用的串行總線，在正常情況下，任何時候主機都只能與系統(tǒng)中的某一個設備進行通信，所以復合設備控制器也可以把設備控制器和HUB控制器的很多部件合二為一，分時復用。
本文提出的集成HUB的全速USB設備控制器的設計方案如圖2所示。該控制器支持一個上行端口和四個下行端口，并實現(xiàn)了USB鍵盤的功能。SIE主要負責物理層和協(xié)議層的協(xié)議解析，MCU主要負責設備層的協(xié)議解析，緩沖區(qū)是SIE和MCU之間通信的橋梁，SIE把接收到的數(shù)據(jù)包存放在緩沖區(qū)中供MCU讀取，MCU把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中供SIE讀取。數(shù)據(jù)轉發(fā)功能主要由HUB轉發(fā)器實現(xiàn)。

2 SIE設計
在USB HUB內(nèi)部需要有一個全速SIE用來處理USB規(guī)范第八章規(guī)定的大部分協(xié)議，它的主要功能包括：
·包的識別與組織；
·時鐘與數(shù)據(jù)分離；
·NRZI編碼和解碼；
·比特填充和提�。�
·CRC校驗碼的識別和產(chǎn)生；
·地址檢測；
·PID檢測和產(chǎn)生；
·串/并轉換和并/串轉換。

在設計SIE的時候，根據(jù)它的功能又將其分成幾個不同的模塊，如圖3所示。PHY模塊主要完成數(shù)據(jù)的串/并轉換和并/串轉換、比特填充和提取、NRZI編碼和解碼、時鐘與數(shù)據(jù)的分離等功能，此模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)主要以串行狀態(tài)存在。PL模塊負責數(shù)據(jù)包的解析與組織、PID檢測和產(chǎn)生、CRC檢驗碼的識別和產(chǎn)生、地址檢測等功能。FUNCTION模塊完成SIE與MCU的接口邏輯功能。
3 轉發(fā)器設計
轉發(fā)器是HUB實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)功能的核心模塊。轉發(fā)器實現(xiàn)的功能主要有：數(shù)據(jù)轉發(fā)、幀同步、掛起喚醒處理、總線沖突檢測與解決、往低速下行端口發(fā)送Keep-alive等。
在設計轉發(fā)器的時候，根據(jù)數(shù)據(jù)的流向對轉發(fā)器進行了進一步的模塊細分，如圖4所示。hub_up模塊負責接收來自上行端口的信號，并檢測出SOP和EOP；同時轉發(fā)來自內(nèi)部端口和下行端口的信號。hub_up模塊包含四個子模塊，支持四個下行端口，負責接收來自下行端口的信號，并檢測出SOP和EOP；同時往下行設備轉發(fā)合法的下行數(shù)據(jù)。rpt_engine模塊中有一個重要的連接狀態(tài)機，其狀態(tài)轉換如圖5所示，它以數(shù)據(jù)包為單位控制上行端口和下行端口之間的連接的建立和拆除，同時控制集線器正確地掛起和喚醒。

圖6、7

在圖5所示的連接狀態(tài)機中，狀態(tài)跳轉主要通過SOP（包開始）和EOP（包結束）信號實現(xiàn)，所以SOP和EOP信號直接影響狀態(tài)機的正確跳轉，從而影響了轉發(fā)器的穩(wěn)定性。檢測SOP信號時要考