USB2.0設備接口IP核的設計實用性分析

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。

3、 USB大容量存儲設備固件的設計與實現

本IP核固件采用的是Windows OS支持的Bulk-Only傳輸協議及SCSI命令集。

3.1 固件總流程

圖2所示為USB大容量存儲設備固件工作流程。

該固件涉及到對4個主要中斷的處理，即 Com mand端點0的In 中斷和Out中斷、Bulk-In端點中斷和Bulk-Out端點中斷。其中端點0主要用于設備枚舉過程中主機與設備的交互，Bulk端點則用于枚舉成功后主機與設備的交互。

3.2 設備枚舉層流程

圖3所示為USB設備的枚舉流程。設備從接入 USB電纜開始，依次經過Attached、Powered、Default和Addressed幾個狀態，最終進入Configured態成為可用設備。

枚舉過程中所需的各種描述符表可由用戶設置后存放在指定存儲單元。

3.3 Bulk-Only傳輸控制層流程

設備枚舉成功后Bulk端點開始工作。設備端 Bulk-Only工作流程如下：

1.主機通過Bulk-Out端點發出命令包CBW；

2.設備接收CBW，解析其中包含的SCSI命令；

3.設備執行SCSI命令，如需要，通過Bulk端點完成Data交換；

4.設備根據SCSI命令執行情況通過Bulk-In端點返回命令狀態包CSW給主機；

5.設備等待主機的下一個CBW。

圖4所示為Bulk-In和Bulk-Out中斷服務流程。其中涉及到USB設備的幾種工作狀態有：

（1）命令接收態：本次命令處理完（已返回 CSW），設備等待下一次主機命令。在該狀態下，設備將等待Bulk-Out中斷，試圖從Bulk-Out端點接收一個有效的CBW。

（2）狀態發送態：本次命令已執行完畢，等待主機索要CSW。在該狀態下，設備將等待Bulk-In中斷，試圖從Bulk-In端點發送一個有效的CSW 給主機。

（3）數據接收態：設備通過解析主機命令得知主機將發送數據，于是設備等待接收數據。在該狀態下，設備將等待Bulk-Out中斷，試圖從Bulk-Out端點接收一個或一批數據。數據接收完后設備將根據具體情況確定命令執行結果狀態。

（4）數據發送態：設備通過解析主機命令得知主機將索要數據，于是設備準備發送數據。在該狀態下，設備將等待Bulk-In中斷，試圖從Bulk- In端點發送一個或一批數據。數據發送完設備將根據具體情況確定命令執行結果狀態。

（5）異常狀態：當發生某些不可預知的錯誤時，設備進入異常態，并將根據不同錯誤類型采取不同措施試圖從錯誤中恢復。

3.4 SCSI命令解析（層）流程

對某種特定的大容量存儲設備來說，一些無意義的SCSI命令可以不必處理（實際上主機也不會使用這些命令）。設備在接收到有效的SCSI命令后，將根據命令的不同要求為數據的發送或接收做好準備，并切換到下一個有效的工作狀態，如圖5 所示。

3.5 對存儲介質的讀寫操作及優化

設備固件在正確分析主機送來的SCSI命令后，可能會對存儲介質進行讀、寫、擦除等操作。為進一步提高存儲介質的讀寫速度，本固件方案還對存儲介質操作進行了有效的優化：

（1）大批量數據讀寫時采用了DMA方式；

（2）對寫操作需時較長的存儲介質（如 FLASH）采用了中間緩沖，以減少寫操作次數或將寫操作移至后臺進行；

（3）對存儲介質上的磁盤碎片定期進行優化整理。

合理地組合應用這些方法可以有效地改進介質訪問的效率。

4、結論

上述大容量存儲設備的IP核固件已成功實現，其硬件基礎是具有自主版權的、含MCU51核的USB設備接口IP核，固件采用Keil51C語言和51匯編語言混合完成。該固件采用分層設計，可以較容易地根據具體應用環境替換其中某些層次的代碼模塊，具有較強的移植性和實用性。為保證IP核固件具有一定的“健壯性”，實現過程中還需要注意仔細設計其中的錯誤檢測和錯誤恢復機制，包括如何合理安排眾多的中斷源、如何充分考慮協議中規定的操作時間限制、如何處理Watch Dog溢出等等。

本文討論的USB2.0設備固件方案不僅有效改進和提高了USB設備的設計開發水平，還可廣泛應用于USB2.0設備接口的實際應用設計，具有良好的理論和應用價值。

責任編輯：gt