基于層次模型的USB2.0接口芯片IP核固件的設計

1 引言

USB2.0規范的推出極大地刺激了包括各類計算機外設在內的多種電子消費產品的開發設計, USB已成為微機和眾多電子設備的重要標準接口。目前國外一些大公司已陸續推出了符合USB2.0規范的接口芯片，但國內對該領域的研究尚處于較初級的階段。本文對USB IP核設計方法,提出了一種USB2.0設備接口IP核固件的實現方案，該方案采用合理定義的層次模型并已被實現，實驗結果表明該方案具備良好穩定性和可擴展性的固件結構。

2 USB2.0設備接口IP核的設計

USB2.0設備接口芯片IP核分為硬件和固件兩大部分。其中硬件部分主要完成USB2.0協議中的鏈路層功能；而固件除協助硬件完成USB2.0協議外，還負責解釋設備子類協議，并實現對具體外部應用系統（設備元件）的操作。

從硬件結構分析，基于增強型8051MCU核的 USB2.0設備接口芯片(IP核)應包括以下幾個模塊：

（1）USB2.0傳輸宏單元接口模塊UTMI（USB2.0 Trans ceiv er Macrocell Interface）： USB2.0 IP核與USB總線之間的接口，負責接收USB2.0總線上的高速串行數據；

（2）串行接口引擎模塊SIE（Serial In ter face Engine）：一方面與UTM接口進行USB總線上的包級處理和傳輸級處理；另一方面與內部的端點緩沖及MCU進行交互；

（3）端點緩沖模塊Endpoint_Buffer：存放與主機端交互的數據；

（4）通用可編程接口及多總線模塊GPIO- MultiBus：IP核與外部應用系統（設備元件）之間的聯系通道，包括DMA控制模塊；

（5）微處理器模塊MCU及其接口模塊MCU_

Bus：MCU（8051核）中固件將配合其他各硬件模塊完成所需功能。
USB2.0設備接口IP核固件不僅要完成與主機的通信，還要實現對外部應用系統（設備元件）操作，因此，IP核固件可分為以下三大模塊。

（1）USB傳輸處理模塊：接收并分析底層硬件送來的各種信號（如SIE送來的各種中斷請求），負責將Endpoint中接收到的主機命令/數據向上傳送到主機命令解析模塊，并在需要時向主機返回命令處理結果；

（2）主機命令解析模塊：分析處理USB傳輸處理模塊送來的主機命令，并負責將命令執行結果返給USB傳輸處理模塊；

（3）設備應用處理模塊：根據主機命令發送具體操作信號到外部應用系統（設備元件），并返回外部器件的狀態/數據。

為使固件系統充分穩定并具有良好的可擴展性，我們將固件抽象為設備枚舉、傳輸控制、命令解析、外部應用操作等幾個層次，如圖1所示。