使用CPLD器件和VHDL語言實現USB收發模塊的硬件功能設計

引 言

當前，高密度可編程邏輯器件CPLD，由于具有巨大的靈活性而廣泛應用于狀態機、同步、譯碼、解碼、計數、總線接口、串并轉換等很多方面，而且在信號處理領域的應用也活躍起來。通用串行總線（USB，Universal Serial Bus）接口既是一種快速、雙向、廉價、可以進行熱插拔的串行接口技術，也是一種體系完備的通信協議，已逐漸成為計算機的主流接口。USB接口的收發模塊用于進行數據編碼和與外部相連。本文主要介紹使用CPLD實現通用串行總線（USB）接口收發模塊。

1、USB收發模塊的數據規范和通信協議

1.1 USB的數據編碼方式

USB系統在進行串行數據傳輸時，使用一種NRZI（None Return Zero Invert ，即不歸零反向碼）的編碼方案。在該編碼方案中，“1”表示電平不變，“0”表示電平改變。圖1

給出了一個數據流和它的NRZI編碼。

如果直接使用這樣的編碼方式會遇到一個很嚴重的問題：若重復相同的“1”信號持續進入時，就會使電平長時間無法轉換，逐漸積累從而導致讀取數據產生嚴重的脫節。為了確保信號發送的準確性，當在USB總線上發送一個數據包時，傳輸設備就要進行位插入操作。所謂位插入操作是指在數據被編碼前，在數據流中每6個連續的“1”后面插入一個“0”，從而強迫NRZI碼發生變化。

位插入操作如圖2所示。USB數據的傳送是由低位到高位。每包數據的開始是一個同步格式，同步格式固定為80H。從同步格式開始，位插入操作貫穿于整個數據傳輸過程，在同步格式后的數據“1”作為真正數據流的第一位。位插入操作是由傳輸端強制執行的。

1.2 USB收發模塊工作過程

USB收發模塊的發送單元由串行化﹑位插入﹑NRZI編碼等幾部分組成；接收單元由NRZI解碼﹑反位插入﹑并行化等組成。整個收發單元的工作過程如下：發送端在數據發送前，首先要將并行數據串行化，然后進行位插入，最后進行NRZI編碼；接收端在接收數據前就必須先執行NRZI解碼，然后進行反位插入，最后進行串行數據并行化。

2、USB收發模塊的設計流程

使用VHDL語言進行USB收發模塊的設計采用自下而上的設計方法，即先設計其各部分功能單元，再編寫頂層文件調用各功能單元以實現其總體功能。根據USB收發模塊的工作過程可以確定其設計流程。下面以發送模塊為例，介紹各模塊的具體實現。

2.1 串行化部分的設計

USB收發模塊傳輸的數據都是串行數據，一個串行數據由10位組成：1位啟動位，8位數據位，1位停止位。由于系統內部處理的都是并行數據，所以在發送之前應該進行并行數據串行化處理。串行化的過程是將輸入的并行數據按由低位到高位的順序存入一個有序數組中，并按串行數據格式進行編碼。根據這一原理可以編寫VHDL程序實現串行化功能。

2.2 位插入部分的設計

在位插入部分的設計中，最關鍵的步驟是計數器的設置和使用。位插入的進行與否由計數器的值決定，而計數器的值則由輸入串行數據的狀態直接決定。由于只有在連續輸入6個“1”之后，即計數器的值為6時才進行一次位插入，而在計滿6個數之前，只要有一位輸入的串行數據為“0”，則計數器立即清零。因此，在每讀入一位數據之后，就要判斷其是否為“1”，以決定計數器加一還是清零。正是由于計數器狀態極易發生改變，所以增加了編程的復雜性。

2.3 NRZI編碼部分的設計

NRZI編碼的原理如前所述。

2.4 數據傳輸控制方式

為了能對數據位進行準確的操作，選取每位數據包含4個時鐘周期（CLK）。例如低速1.5Mbit/s的工作時鐘應選取為6MHz 。在串行數據發送控制器中設置了一個2位的時鐘計數器，利用該計數器高位的狀態來產生數據發送時鐘（TXCLK），在每個發送時鐘的上升沿發送一位數據。串行數據發送過程的波形如圖3所示。

最后，在完成各功能單元設計的情況下，編寫頂層文件調用各個功能單元，以實現USB收發模塊的整體功能。在頂層文件中設置了外部輸入和輸出端口，作為信號和數據進出發送模塊的端口；同時還定義了許多不同的中間變量和信號，用以將各個功能單元連接起來，從而實現數據和信號從輸入到輸出的連續工作過程。

3、USB收發模塊的部分VHDL源代碼

下面針對串行數據的NRZI編碼，給出USB收發模塊的部分VHDL程序源代碼：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY NRZI IS

PORT （EN ： IN STD_LOGIC;

IND1 ： IN STD_LOGIC_VECTOR（7 DOWNTO 0）;

OUT1 ： OUT STD_LOGIC_VECTOR（8DOWNTO 0））;

END NRZI;

ARCHITECTURE behav OF NRZI IS

BEGIN

PROCESS（EN）

BEGIN

IF EN =‘1’ THEN OUT1（0） 《= ‘1’;

IF IND1（0）=‘1’ THEN OUT1（1） 《=OUT1（0）;

ELSIF IND1（0）=‘0’ THEN OUT1（1） 《= NOT（OUT1（0））;

END IF;

END IF;

IF IND1（1）=‘1’ THEN OUT1（2） 《=OUT1（1）;

ELSIF IND1（1）=‘0’ THEN OUT1（2） 《= NOT（OUT1（1））;

END IF;

END IF;

… … …

IF IND1（7）=‘1’ THEN OUT1（8） 《=OUT1（7）;

ELSIF IND1（7）=‘0’ THEN OUT1（8） 《= NOT（OUT1（7））;

END IF;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

END behav;

在能夠體現模塊功能的前提下，該程序中的輸入與輸出均設置為八位串行數據，但輸出起始位設置為

“1”，實際輸出為九位。在實際使用中輸入與輸出數據均有可能超出八位，但也只是增加了編程的復雜性，其設計方法并不發生改變。

4、仿真結果

USB收發模塊串行數據NRZI編碼單元的VHDL源代碼通過MAXPLUSⅡ軟件仿真［4］后的波形如圖4所示。

由圖4所示的仿真波形，當使能端EN=‘1’時，電路才開始工作，輸入數據和輸出數據的起始位都為‘1’。將仿真波形中的輸入數據IND1和輸出波形OUT1與圖1所示的NRZI編碼原理波形相比，發現仿真波形符合NRZI編碼原理，即說明此VHDL源程序完全符合設計要求。其余各個功能單元的VHDL源代碼也可用相同的方法進行仿真，將仿真所得結果與理論推導結果相比較可知各程序符合設計要求。

5、收發模塊的硬件實現

在完成源程序的設計和仿真之后，可以選用可編程邏輯器件來具體實現USB收發模塊的硬件功能。本設計選用Altera公司MAX3000A系列可編程邏輯器件中的EPM3032A芯片。EPM3032A的集成度為600可用門 ﹑32個宏單元﹑34個可用I/O引腳，外加電壓為3.3V。這些基于EEPROM器件的組合傳輸延遲快至4.5ns。以上述發送模塊為例，定義輸入引腳為：時鐘CLK，使能端EN，8位輸入IN0～IN7。定義輸出引腳為 ：串行數據輸出端口OUT。將程序下載至芯片中，即可實現該設計的硬件功能。

6、結束語

USB收發模塊是USB接口的重要組成部分，傳統的設計方法是使用現有的芯片組合為硬件電路。這種開發方法要受到現有芯片可實現功能的制約，開發時間長，電路調試復雜，設計修改困難，易產生資源浪費。

本文作者創新點：采用VHDL語言作為設計工具，結合相應的CPLD器件來實現USB收發模塊的硬件功能，大大地縮短了設計周期，提高了設計的可靠性、靈活性，彌補了傳統設計方法的不足。

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