MCU与USB设备控制器IP核的设计.doc

《MCU与USB设备控制器IP核的设计.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、MCU与USB设备控制器IP核的设计　　　　1引言　　在传统的计算机系统上常采用串口（如RS232）和并口连接外围设备，但串口和并口都存在着通信速度慢，接口独占不利于扩展等无法克服的缺点，而通用串行总线（UniversalSerialBus，即USB）因具有传输速度快、支持热插拔、扩展方便、抗干扰强、成本低、数据传输质量高、节省系统资源等优点而得到了广泛的应用，当前它已成为计算机最常用的接口之一。　　现在USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机（MCU）和纯粹的USB接口芯片。纯粹的USB接口芯片仅处理USB通信

2、，必须有个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。典型产品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD12（并行接口）；NS公司的USBN9603／9*（并行接口）。带USB接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于USB控制的单片机；另一类是增加了USB接口的普通单片机，如Cypress公司的EZ—USB（基于8051），选择这类USB控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但价格比较高，不利于产品升级和改型。　　然而，国内产品中所用到的USB芯片

3、都依赖进口，主要由国外的IC设计芯片厂商如Cypress，NEC等一些国际著名公司提供。鉴于USB芯片有很好的市场前景和利润空间，尽管国内企业或研究机构目前还只是处于USB芯片应用开发的技术水平，人们还是希望自主开发出有自主知识产权的USB芯片。因此，近年来国内也有许多单位在探索独立设计USB芯片。　　本论文针对USB1.1协议规范，本着自主开发USB控制芯片，把MCU和USB设备控制器用软核的形式集成在一块芯片上，微控制器我们是用14位指令字长度，且是单字节指令和单周期指令，其核心指令只有39条，容易掌握和设计，而

4、且完全满足总体设计的要求。　　　　2MCU&USB设备控制器工作原理及总体设计　　整个设计的总体结构如图1所示，差分信号线D+和D-连接主机，接收时主机发送的串行数据通过收发器和USB设备控制器解码和校验等处理后存储到相应的RAM中；发送时由仲裁模块控制从RAM或ROM中提取相应数据经过USB设备控制器组合和收发器串行发送给主机。MCU主要协助USB控制器完成设备和主机之间的数据传输。　　　　　　2.1MCU的设计　　MCU主要完成各种中断处理，而且协助控制器使主机检测和识别设备；设备刚插上PC时，MCU通过读取RO

5、M中的指令来初始化专用功能寄存器，使能全局中断GIE和USB中断USBint，使控制器能及时响应各种USB中断；全局中断允许位GIE置位时，允许所有中断；清零时，禁止所有中断。当一个中断被响应时，GIE位被清零以禁止其它中断，并装载中断服务程序，将中断返回地址压入堆栈。引起装载中断服务程序的中断标志位在重新允许GIE之前通过软件清零，以避免重复响应中断。在中断服务程序中，通过检测中断标志位可以判断中断源，各中断标志位的置位不受GIE的影响；在设备与主机通信过程中，MCU处理setup包、in包、out包、ack、na

6、k、stall包等的中断处理，我们规定了USB中断、定时器中断、外部中断、GPIO中断的中断入口地址分别为04H、08H、0CH、10H；MCU同时还对各功能寄存器进行相应的操作，比如写端点0的输入输出包允许的最大值，数据的触发位DSQ（即DataToggle机制）等。　　　　2.2arbRAM、arbROM（仲裁模块）的设计　　在设计中含有两种存储器：程序存储器（ROM）和数据存储器（SRAM），这两种存储器都有自己的总线，在一个时钟周期内，可以同时对两种存储器进行访问。USB和MCU都可以访问SRAM和ROM，仲

7、裁模块就是为两者同时访问时不起冲突而设置的；USB访问ROM的地址空间100h-fffh（我们把设备的描述符存放在这里），且USB访问仅取14位宽的低8位数据。当USB与MCU同时访问ROM时，MCU优先。USB与MCU共享通用寄存器（SRAM），当USB的请求访问存储器信号到来时，USB访问存储器的地址信号的高三位不等于零时属于USB访问程序存储器的地址空间。当USB与MCU同时访问通用寄存器（SRAM）时，MCU具有优先权。　　　　2.3USB设备控制器的设计　　USB设备控制器是设计的重点部分，是本论文介绍的重

8、点，总体的模块划分如图2所示；　　　　　　2.3.1收发器的设计　　USB收发器作为USB接口的模拟前端主要把主机发送过来的模拟信号转换成数字信号VP、VM传到数字锁相环或把协议引擎发送过来的VP0、VM0数字信号转换成模拟信号，并完成串并和并串的转换；　　收发器的模型如图3所示，Dplus为正相USB差分数据线，Dminu为负相USB差分数据