一款集成HUB的USB设备控制器的设计

发布者:calmrs最新更新时间:2016-07-25 来源: 21ic关键字:集成HUB  USB  设备控制器 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
近年来,USB技术已经成为计算机领域发展最快的技术之一,得到了广泛的应用。早在1998年,由于USB1.1规范的推出以及Windows98加强了对USB的支持,USB就得到了飞速的发展和普及,各种USB设备不断涌现。2000年,USB2.0规范推出之后,USB一扆只能适用于中低速设备的局面,在高速传输领域也占领了大量的市场份额。2001年推出的USB-OTG解决了大量USB设备之间的直接互连问题,因此USB规范将得到更加迅速的发展。


    根据USB规范,USB系统的拓扑结构呈金字塔状,集线器(HUB)是金字塔中不可或缺的部件,是主机与设备之间建立连接的桥梁。根据USB2.0规范,全速USB HUB可以连接低速、全速和高速下行设备(高速设备降为全速运行)。

本文提出一款基于6502 MCU的通用的带HUB的全速USB设备控制器的体系结构,并完成整个芯片的设计。这款芯片可以用来开发带HUB的全速USB设备、全速USB设备和全速USB HUB。

1 系统设计

常见的USB设备控制器的功能结构框图图1所示。收发器用于实现牧师层的USB规范,它包含一个接收器和一个发送器,接收器用于接收和判决总线D+、D-的信号,发送器用于驱动D+、D-的信号。串行接口引擎(SIE)主要用于解析协议层的USB规范,如时钟提取、NRZI编码/解码、比特填充/抽取、CRC校验、PID检测/产生、串并/并串转换等。功能控制器主要用于处理功能层的USB规范。缓冲区是功能控制器与SIE互相通信的桥梁,通常SIE把总线上接收到的数据存放在缓冲区中,供功能控制器读取并解析;同时,功能控制器又会把需要发送的数据存放在缓冲区中,供SIE读取并发送。

    集成HUB的USB设备控制器又称为复合设备控制器,它在本质上是两个USB设备,在系统中拥有两个不同的设备地址。因为USB是分时复用的串行总线,在正常情况下,任何时候主机都只能与系统中的某一个设备进行通信,所以复合设备控制器也可以把设备控制器和HUB控制器的很多部件合二为一,分时复用。

本文提出的集成HUB的全速USB设备控制器的设计方案如图2所示。该控制器支持一个上行端口和四个下行端口,并实现了USB键盘的功能。SIE主要负责物理层和协议层的协议解析,MCU主要负责设备层的协议解析,缓冲区是SIE和MCU之间通信的桥梁,SIE把接收到的数据包存放在缓冲区中供MCU读取,MCU把需要发送的数据存放在缓冲区中供SIE读取。数据转发功能主要由HUB转发器实现。

2 SIE设计

在USB HUB内部需要有一个全速SIE用来处理USB规范第八章规定的大部分协议,它的主要功能包括:

·包的识别与组织;

·时钟与数据分离;

·NRZI编码和解码;

·比特填充和提取;

·CRC校验码的识别和产生;

·地址检测;

·PID检测和产生;

·串/并转换和并/串转换。

    在设计SIE的时候,根据它的功能又将其分成几个不同的模块,如图3所示。PHY模块主要完成数据的串/并转换和并/串转换、比特填充和提取、NRZI编码和解码、时钟与数据的分离等功能,此模块内部数据主要以串行状态存在。PL模块负责数据包的解析与组织、PID检测和产生、CRC检验码的识别和产生、地址检测等功能。FUNCTION模块完成SIE与MCU的接口逻辑功能。

3 转发器设计

转发器是HUB实现数据转发功能的核心模块。转发器实现的功能主要有:数据转发、帧同步、挂起唤醒处理、总线冲突检测与解决、往低速下行端口发送Keep-alive等。

在设计转发器的时候,根据数据的流向对转发器进行了进一步的模块细分,如图4所示。hub_up模块负责接收来自上行端口的信号,并检测出SOP和EOP;同时转发来自内部端口和下行端口的信号。hub_up模块包含四个子模块,支持四个下行端口,负责接收来自下行端口的信号,并检测出SOP和EOP;同时往下行设备转发合法的下行数据。rpt_engine模块中有一个重要的连接状态机,其状态转换如图5所示,它以数据包为单位控制上行端口和下行端口之间的连接的建立和拆除,同时控制集线器正确地挂起和唤醒。

图6、7

    在图5所示的连接状态机中,状态跳转主要通过SOP(包开始)和EOP(包结束)信号实现,所以SOP和EOP信号直接影响状态机的正确跳转,从而影响了转发器的稳定性。检测SOP信号时要考虑两个重要的因素:首先,SOP信号要产生得尽可能快,从而可以较快地打开数据通道,减小数据流驶 SYNC的损失;其次,检测与本地时钟异步的数据流而产生的SOP信号要与本地时钟同步,否则会使寄存器建立时间和保持时间得不到满足。检测EOP信号时也要考虑两个因素:首先,要排除长度不够的SEO的干扰和SEO状态向J状态跳变的抖动干扰;其次,EOP信号也要与本地时钟时步。

全速HUB的上行端口始终是一个全速连接,但是它的下行端口可能是全速连接也可能是低速连接。低速数据经过上行端口时,虽然它的速率是低速的,但是它的极性却是全速的。全速数据的极性与低速数据的极性是相反的,所以转发低速数据时需要先对数据的极性进行转换。HUB在转发数据的时候需要遵循以下原则:来自上行端口的低速数据广播给所有处于允许状态的下行设备(包括全速设备和低速设备);来自上行端口的全速数据转发给所有处于允许状态的全速下行设备。

4 固件设计

本文提出的USB设备控制器是一个软硬件结合的系统,即整个系统由MCU、SIE、转发器等硬件和运行于MCU中的固件组成。

系统的设计原则是:凡是固件能够完成的任务尽量由固件来实现,硬件的主要工作是对协议层的解析,解析完之后会设置某些控制寄存器,有时会产生中断,固件通过查询这些寄存器执行相应的操作。

为了验证整个系统,通过编写固件实现集成HUB的USB键盘的功能。

5 对于异步信号的处理

USB属于异步总线,本地时钟和主机时钟是由两个不同的晶振产生的,所以SIE必须采用适当的方法实现位同步。一个典型的位同步方法就是采用一种特定结构的数字锁相环[1]。其原理是:分别用本地48MHz时钟的正负沿采样接收到的12MHz的位接收时钟(它的有效沿位于12MHz数据流每个比特位的中间),然后用新产生的时钟去采样12MHz的数据流从而实现位同步。

    整个系统中采用的是异步复位。异步复位的好处是可以保证系统在初始状态时处于已知的状态,对于有三态总线的系统来说,这是非常重要的[2]。异步复位的处理非常重要,关系到系统的稳定性。对于异步复位信号来说,重要的不是什么时候复位而是什么时候复位结束,异步复位有两个关键的参数恢复时间和迁移时间,如图6所示[3]。如果以上两个参数不满足,就会产生亚稳态[4]。为了解决这个问题,设计了如图7所示复位电路。

在该电路中,复位的产生是不受时钟控制的,但复位结束是受时钟控制的。之所以要用两个极联的触发器,是为了避免第一级触发器有可能产生的亚稳态传给整个芯片的复位信号reset。在这个电路中不存在恢复时间的问题,因为复位结束肯定在时钟沿的后面。迁移时间的问题,因为复位结束肯定在时钟沿的后面。迁移时间的问题也可以解决,只要Tclk_q(clock to Q)+Tpd(复位信号的传输延时)>Trem(触发器的迁移时间)即可。对于上电复位来说还要进行进一步的处理,要保证复位时间足够长,因为电源稳定需要一定的时间。

6 设备的低功耗设计

对于USB设备来说,当总线上超过3ms没有总线活动时,设备就要自动进入休眠状态,此时从总线上获得的电流不能超过500μA[5]。为了满足此要求,设计了如图8所示的设备唤醒和休眠电路。

图10

    当设备需要休眠时,给出一个sleep信号控制晶体振荡器(OSC)停止振荡,整个设备进入节电模式。对于CMOS电路来说,时钟停止振荡以后所消耗的功率极小,当有总线活动时,收发器会产生总线活动标志信号wakeup,wakeup信号首先控制振荡器重新开始振荡,然后和clkDelay信号一块控制设备的时钟(Clock),晶振稳定后则输出时钟信号。复位时不对时钟信号进行控制。

7 FPGA实现和系统验证

系统进行实现和验证时,串行接口引擎和转发器采用Verilog进行RTL描述,然后采用Xilinx公司的XC2S200PQ208 FPGA实现。缓冲区和RAM由FPGA内部集成的RAM实现,收发器采用Philips公司的PDIUSBP11A,MCU采用MICETEK公司的65C02仿真器。

整个系统经验证后,工作正常,内置键盘可以正常工作,在下行端口插入低速USB设备和全速USB设备都可以工作。图9是用立肯科技公司的USBMobile测试仪对FPGA系统进行测试的结果的一部分。

关键字:集成HUB  USB  设备控制器 引用地址:一款集成HUB的USB设备控制器的设计

上一篇:微功耗RS485中继器的研制
下一篇:用LatticeXP FPGA 桥接吉比特媒体独立接口

推荐阅读最新更新时间:2024-05-03 00:32

业界首个THX认证方案诞生—Synaptics AudioSmart USB-C编解码器
电子网消息,Synaptics今日宣布其AudioSmart® CX21988-THX成为业界首个荣获THX认证的USB-C语音编解码器解决方案。通过提供获得THX认证的USB-C语音编解码器,Synaptics®可以为OEM厂商供应重要的搭建模块,为具备THX认证的耳机和头戴式耳机、移动游戏设备以及其他个人语音设备的开发带来巨大领先优势。THX由电影制片人George Lucas于1983年创立,为在质量、兼容性以及性能方面不做出让步的产品提供国际公认的认证。 THX技术与运营部高级副总裁Peter Vasay表示,“在耳机上开发一个卓越的音响套件,特别是能够精准再现混合声场的套件,需要专业级别的配件强强联合。Synapti
[半导体设计/制造]
USB 80Gbps接口标准正式发布 USB 3.0/USB4称呼被淘汰
10月19日,USB-IF组织正式发布了全新的USB4 v2.0标准规范,带来了新一代USB 80Gbps接口,还有全新的命名体系。说到命名骚操作,除了大名鼎鼎的微软“改名部”,最会玩的就是USB-IF组织了,从早期的Full Speed、High Speed,到后来的USB 3.2 Gen1/Gen2/Gen2x2,能让你分清楚算我输。 到了USB4,不但再次改变命名方式,技术上也变懒了,几乎直接承袭了Intel捐献的雷电3标准,从物理底层到技术规格都如出一辙。 新鲜出炉的USB4 v2.0,也不是接口名字,而只是规范命名。 从此以后(到下次再改名),USB接口将统一以传输带宽命名,USB4 v2.0对应USB 80
[手机便携]
<font color='red'>USB</font> 80Gbps接口标准正式发布 <font color='red'>USB</font> 3.0/<font color='red'>USB</font>4称呼被淘汰
贸泽开售FTDI Chip FT4232HA USB转UART/MPSSE IC 为目标设计提供高速USB支持
贸泽开售FTDI Chip FT4232HA USB转UART/MPSSE IC 为目标设计提供高速USB支持 2022年12月22日 – 专注于引入新品推动行业创新™的电子元器件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) , 即日起开售FTDI Chip的FT4232HA高速USB转UART/MPSSE IC。FT4232HA是符合汽车标准的USB 2.0至UART 转接器IC,可无缝地为目标设计提供高速USB支持。FT4232HA器件具有四个独立的可配置接口,为一系列汽车和一般USB应用提供了高度灵活的解决方案,包括智能读卡器、工业控制、媒体播放器接口和机顶盒接口。 贸泽电子供应的FTDI Chi
[物联网]
贸泽开售FTDI Chip FT4232HA <font color='red'>USB</font>转UART/MPSSE IC 为目标设计提供高速<font color='red'>USB</font>支持
升特公司推出单电池芯LED与电机定时器-控制器,简化用AA/AAA运行的电子设备的设计
升特公司(Semtech)(纳斯达克: SMTC)今天发布了一款采用亚1V混合信号LED以及电机定时器-控制器平台的最新器件,锁定小型、轻便、超低功耗的电池工作电子设备的简单、快速和高成本效益设计。新款SX8120与SX8121器件可内生地工作在0.9V,用一只电池就可以直接控制一台DC电机或其它连续低电压元件,以及驱动一只高亮度LED。由于其既有设计工作在0.9V,因此不需要外接升压转换器和电感,节省了电路板空间和成本。另外,不同于需要定制开发的MCU,这些控制器具有可通过管脚编程的定时器功能,无需冗长的软件调整,使之易于使用并有高性价比。 这种功能组合显著减小了总体尺寸与重量,延长了电池寿命,简化了设计,缩短了产
[模拟电子]
升特公司推出单电池芯LED与电机定时器-<font color='red'>控制器</font>,简化用AA/AAA运行的电子<font color='red'>设备</font>的设计
GRAS全新12Bx麦克风电源模块,支持TEDS数据和USB直接供电
GRAS Sound and Vibration 推出两款全新麦克风电源模块:GRAS 12BA 和 12BB 电源模块, 让工程师为CCP 测量麦克风供电的同时, 能通过TEDS收集麦克风高灵敏度的无缝数据。 12BA (单通道)和 12BB (四通道)USB供电模块提供了 TEDS 综合支援, 加上高性价比的生产测试应用, 还能节省测试过程中安装和配置的时间。 12BA 和 12BB 电源模块可用于任何音频分析仪。当配对 Audio Precision 的 APx 音频分析仪时,TEDS数据可通过 APx500 软件直接读取。对于其他分析仪,TEDS数据可用通过麦克风电
[电源管理]
GRAS全新12Bx麦克风电源模块,支持TEDS数据和<font color='red'>USB</font>直接供电
英特尔联手英飞凌 共同开发新型手机SIM卡
外电报道,德国芯片巨头英飞凌公司当地时间本周二表示,未来英飞凌将联手英特尔公司共同开发手机SIM芯片。 在这一合作项目中,英飞凌公司将提供SIM卡上的微处理芯片,预计到2009年早期有望实现规模投产。 两家公司均未透露合作的财务细节,但称,“到2008年晚些时候,使用USB界面的SIM卡将亮相,新的SIM卡将满足用户更多需求,比如移动软件的数据处理、空中下载服务等。”
[焦点新闻]
动态称重信号采集系统设计
车辆动态称重WIM(Weighing In Motion)在道路运输管理与交通执法等方面有广泛应用价值。目前比较成熟的商品化WIM系统中采用的动态称重传感器大多是弯板传感器,其安装、维护比较麻烦。采用压电电缆作为WIM系统的动态称重传感器,具有应用简便的优势。常规信号的采集和处理电路存在电路板面积大和成本高等缺陷。本文介绍了基于Cypress半导体公司PSoC器件CY8C24794实现的动态称重信号的采集系统。整个系统设计无须再选择USB、A/D等器件,节约了成本和电路板的面积。所有PSoC器件都是可动态重配置的,使设计人员能动态地设计并实现新的系统功能。设计人员可在不同的时间段配置同一模块给不同的管脚,从而提高了芯片利用率。
[测试测量]
动态称重信号采集系统设计
通过USB总线为电池充电
  通用串行总线 ( USB )端口是一种带有电源和地的双向数据端口。USB可以连接所有类型的外围设备,包括外部驱动器、存储设备、键盘、鼠标、无线接口、摄像机和照相机、MP3播放器以及数不尽的各种电子设备。这些设备有许多采用 电池 供电,其中一些带有内置电池。对于电池 充电 设计来说,应用广泛的USB既带来了机遇,也带来了挑战。本文阐述了如何将一个简单的电池充电器与USB电源进行接口。文章回顾了USB电源总线的特性,包括 电压 、 电流 限制、浪涌电流、连接器以及电缆连接问题。同时介绍了镍氢电池?(NiMH)?和锂电池技术、充电方法以及充电终止技术。给出了一个完整的示例电路,用于实现USB端口对NiMH电池智能充电,并给出了充电数
[应用]
小广播
最新嵌入式文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved