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基于FPGA的USB2.0控制器设计技术分类：可编程器件|2008-05-05来源：电子技术应用|作者：罗玉平陈海涛施业斌尹社广代镭在视频存储和图像宽带领域中，经常遇到实时高速数据传输的要求。2000年4月，由Intel、Microsoft、NEC、Compaq、Lucent、Phillips等公司共同制订的USB2.0（UniversalSerialBus）传输协议，其速度远远超过了目前使用IEEE1394接口进行视频传输的400Mbps，达到了480Mbps；而且具有即插即用的PnP（PlugAndPlay）、可进行菊花链式的级联（通过USBHUB进行外围扩展）、可串连多达127个USB设备等优点。应用该协议可支持实时语音、音频和视频数据的传输。本文针对高速数据传输需求，根据USB2.0的协议规范，利用VHDL语言实现符合该协议的功能控制器，在视频压解系统中使数据在PC与外设之间高速传输。如图1所示由视频A/D采集的原始视频数据，在Philips公司生产的TM1300专用视频处理器中压缩后，通过USB控制器送至PC机。PC机的整个通过USB控制器传输到TM1300，解压后发送至视频D/A。1控制器结构原理USB2.0控制器结构框图如图2所示。控制器主要由两个部分组成，其一为与外设的接口，另一个是内部协议层逻辑PL（ProtocolLayer）。内部存储器仲裁器实现对内部DMA和外部总线对存储器访问之间的仲裁。PL则实现USB的数据I/O和控制。接口有三种：一种是与微控制器之间的功能接口；一种是与单口同步静态存储器（SSRAM）之间的接口；另外一种是与物理层之间的接口。这里符合UTMI（USBTransceiverMacrocellInteRFace）规范定义。2控制器实现控制器接口的信号框图如图3所示。存储器采用标准的单口SRAM，其信号接口由32位数据线SRAM_DATA、15位地址线SRAM_ADDR及读写信号（SRAM_WE和SRAM_RD）组成，系统所需SRAM的容量为215×32bit=128KB。而与微控制器之间的接口信号包括32位数据线DATA、18位地址线ADDR以及DMA请求和响应信号（DMA_REQ和DMA_ACK）。由于要支持到128KB，需要17位地址线，另外还需要一根地址线来选通SSRAM和USB控制器内部的寄存器，总共需要18根地址线addr[17:0]。定义如下：USB_RF_SEL<=！addr[17]；USB_MEM_SEL<=addr[17];第18位地址addr[17]为高时选择缓冲存储器，否则选择内部寄存器。地址addr[16:2]直接用于存储器SSRAM的地址。2.1UTMI接口UTMI接口信号包括：与发送数据相关的信号（TxValid、TxReady等），与接收数据相关的信号（RxActive、RxValid、RxError等）以及16位双向数据线。在物理层，该控制器需要一个外部的USB收发器（Transceiver），本文采用的是Philips公司的ISP1501芯片。该芯片用作USB2.0的模拟前端，从USB电缆来的差分信号进行反转不归零码（NRZI）解码和位解填充转换成16位并行数据；反之，16位并行数据通过一个差分驱动电路经过串行化、位填充和NRZI编码输出到USB电缆上。ISP1501通过管脚MODE0和MODE1决定收发器的工作模式，共有4种工作模式：MODE[1:0]为“00”时，收发器处于断开状态；为“01”时处于全速（FullSpeed）模式（此时USB带宽为12Mb/s）；为“10”时是高速（HighSpeed）模式（此时USB最大带宽是480Mb/s）；为“11”时是HSchirp模式。UTMI接口通过译码MODE[1:0]来控制ISP1501在HS和FS之间转变。Ifmode_hs='1'thenMODE<='10'Elsifmode_hs='0'thenMODE<='01'Endif;2.2协议层控制器的核心逻辑位于PL（ProtoclLayer）模块，负责管理所有USB数据I/O和控制通信，其结构如图4所示。DMA和存储器接口提供随机存储器访问和DMA操作。该模块使PL和外部微控制器采用DMA方式访问SSRAM。当外部总线有访问SRAM的请求时，且PL没有请求访问存储器，控制逻辑如下：req、ack分别对应外部总线和存储器之间的请求和响应信号，din、addr和we分别是外部总线给出的数据、地址和写信号,mreq是内部DMA向存储器发送的请求信号，mdin、maddr和mwe分别是内部DMA给出的数据、地址和写信号。sel<=(reqORack_r)AND(NOTmreq);ifsel='1'thensram_out<=din;sram_adr<=addr;sram_we<=reqANDwe;elsesram_out<=mdin;sram_adr<=maddr;sram_we<=mwe;endif;由控制逻辑可看出，内部DMA操作的优先级比外部总线高。协议引擎（ProtocolEngine）处理所有标准的USB握手信号和控制通信。分...