USB2.0設(shè)備控制器IP核的AHB接口技術(shù)

介紹了USB2.0設(shè)備控制器IP核的AHB接口的設(shè)計(jì)。解決了雙時(shí)鐘域問題；實(shí)現(xiàn)了多事務(wù)DMA控制，減少了塊傳輸?shù)闹袛啻螖?shù)；緩存采用乒乓機(jī)制，并對外隱蔽了雙緩沖區(qū)。最后用Verilog完成RTL代碼，并通過充分驗(yàn)證，證明接口符合AHB協(xié)議，且完成既定所有功能。

關(guān)鍵詞 AHB接口 USB2.0 IP核 SoC

引言

　　通用串行總線USB 2.0接口是目前PC機(jī)的主流接口，可提供480 Mb/s（60 MB/s）的高速數(shù)據(jù)傳輸，具有即插即用、熱插拔、接口體積小巧、節(jié)省系統(tǒng)資源、傳輸可靠、提供電源、良好的兼容性、共享式通信、低成本等優(yōu)點(diǎn)。由于USB接口的優(yōu)點(diǎn)和流行，當(dāng)今嵌入式設(shè)計(jì)要與PC連接，首選USB接口。

　　ARM 公司提出的AMBA總線，由于其本身的高性能和ARM 處理器的廣泛應(yīng)用,已經(jīng)成為SoC 設(shè)計(jì)中廣泛使用的總線標(biāo)準(zhǔn)。AMBA rev20中的AHB，采用地址/數(shù)據(jù)分離格式，支持固定長/不定長猝發(fā)(burst) 交易、分裂(split) 交易特性和多個(gè)主設(shè)備的總線管理,具有高帶寬、高性能特性,適合于嵌入式處理器與高性能外圍設(shè)備、片內(nèi)存儲器及接口功能單元的連接。

　　根據(jù)兩種總線的特點(diǎn)和廣泛支持，為了給嵌入式SoC系統(tǒng)提供USB接口，需要設(shè)計(jì)USB和AHB間的橋接IP核（Intellectual Property Core）。本文介紹USB 2.0設(shè)備控制器IP中的AHB接口部分設(shè)計(jì)。

1? 設(shè)計(jì)概述

1.1? 協(xié)議概述

　　設(shè)計(jì)前首先需要了解USB和AHB數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。

　　USB上的數(shù)據(jù)組織為事務(wù)進(jìn)行串行傳輸，最小數(shù)據(jù)單位是字節(jié)。USB傳輸始終是由主機(jī)方發(fā)起的，設(shè)備方只負(fù)責(zé)響應(yīng)。USB的數(shù)據(jù)傳輸分為塊、同步、控制、中斷四種傳輸，本IP支持前三種。對于塊傳輸，默認(rèn)上層協(xié)議為BULK ONLY協(xié)議[1]。

　　AHB總線采用單時(shí)鐘域同步設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)、地址線寬32位，采用2級流水線結(jié)構(gòu)，地址、控制信號比數(shù)據(jù)信號早一個(gè)時(shí)鐘周期。可用猝發(fā)（burst）傳輸來傳數(shù)據(jù)。只需一個(gè)時(shí)鐘周期就可完成總線交權(quán)。由于是嵌入式的SoC片上總線，故強(qiáng)調(diào)的是面積、工作頻率和功耗等。詳細(xì)情況參見USB[13]和AMBA協(xié)議[4]。

1.2? 設(shè)計(jì)規(guī)格

　　本IP核的AHB接口，最主要的任務(wù)是控制數(shù)據(jù)在緩存和AHB總線間正確傳輸，使接口時(shí)序滿足AHB協(xié)議，并協(xié)助AHB上的MCU（默認(rèn)為ARM）控制數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)要處理與USB控制部分的連接問題，控制USB端的中斷申請和寄存器輸出。

　　為了適用于大數(shù)據(jù)量的傳輸，本IP要求的控制傳輸是用非DMA方式，塊、同步用DMA方式，且已知外部有DMA控制器（默認(rèn)為ARM雙Master的DMA控制器[5]）。

　　在總體設(shè)計(jì)中有如下關(guān)鍵問題，決定了IP中AHB接口設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。

　　①? 雙時(shí)鐘域問題。USB時(shí)鐘是60 MHz，設(shè)計(jì)的AHB時(shí)鐘頻率是30～133 MHz。跨時(shí)鐘域的控制信號需要用同步器同步。
　　②? 數(shù)據(jù)的緩沖問題。IP中使用32位數(shù)據(jù)位寬的流過式DPRAM（雙口SRAM）作為USB和AHB間的數(shù)據(jù)緩沖。每個(gè)端點(diǎn)有固定的緩沖區(qū)，使各端點(diǎn)間透明；使用乒乓機(jī)制，每個(gè)端點(diǎn)兩個(gè)緩沖區(qū)，減小USB和AHB總線速率的相關(guān)性，使數(shù)據(jù)傳輸更流暢；同時(shí)DPRAM的兩個(gè)口分屬不同時(shí)鐘域，起到隔離數(shù)據(jù)的雙時(shí)鐘域問題的作用。
　　③? 是否需要AHB Master的問題。IP在USB端是從設(shè)備，在AHB端是主設(shè)備。也就是AHB上傳輸?shù)亩际怯杀綢P發(fā)起的。本來設(shè)計(jì)中有一個(gè)AHB Master，當(dāng)作DMA控制器。現(xiàn)在由于已經(jīng)有外部DMA控制器，因此IP只需要AHB Slave，用中斷告知ARM信息，由ARM配置外部DMA控制器來進(jìn)行DMA傳輸。所以為了減小面積和功耗，去掉AHB Master。
　　④? 要實(shí)現(xiàn)多事務(wù)DMA才發(fā)一次中斷，減少中斷次數(shù)。由于塊傳輸通過上層BULK ONLY協(xié)議已經(jīng)知道多個(gè)事務(wù)數(shù)據(jù)長度，所以前面的事務(wù)DMA可以用硬件處理，最后一次事務(wù)完成后才報(bào)中斷。
　　⑤? AHB地址劃分。每個(gè)端點(diǎn)在AHB上只有一個(gè)固定地址，看作一個(gè)I/O接口，隱蔽雙緩沖區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi)部的相對地址，而IP中每個(gè)內(nèi)部寄存器有一個(gè)單獨(dú)的AHB地址。

2? AHB接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1? 模塊劃分

　　如圖1所示，根據(jù)功能可把AHB接口分為如下6個(gè)模塊：

　　①? CTRL，產(chǎn)生對外部DMA控制器的DMA申請信號，并接收回應(yīng)信號；負(fù)責(zé)控制多個(gè)通道的多事務(wù)長度的DMA結(jié)束中斷；改變REG模塊中的DMA配置信息[56]。
　　②? SLV，負(fù)責(zé)接收AHB上的讀寫請求，控制AHB Slave的時(shí)序。
　　③? DEC，地址譯碼模塊，根據(jù)AHB地址譯碼產(chǎn)生寄存器選中信號或緩沖寫信號。
　　④? MUX，DPRAM和寄存器輸出的多選一模塊，包括USB端寄存器輸出。
　　⑤? INT，總中斷產(chǎn)生模塊。綜合USB端的中斷申請，產(chǎn)生總中斷信號和總中斷向量。
　　⑥? REG，ARM配置的寄存器組模塊。

圖1? AHB接口模塊框圖

2.2? SLV模塊設(shè)計(jì)

　　SLV模塊處理AHB時(shí)序，主要功能是根據(jù)AHB地址和控制信號，產(chǎn)生對緩存的讀寫、地址信號；支持猝發(fā)傳輸?shù)奶崆敖Y(jié)束和插入BUSY周期。SLV模塊不需要使用RETRY/SPLTT功能來干預(yù)AHB仲裁器的仲裁。這是因?yàn)镮P中有用于緩存的DPRAM，并且處于USB設(shè)備端，在AHB總線看來，IP在接受AHB IN/OUT操作前都已經(jīng)做好準(zhǔn)備，不存在不能接收AHB操作的情況。

　　Slave狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。Slave狀態(tài)機(jī)是AHB Slave設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。hready_in和hsel同時(shí)為高時(shí)，SLV才能采樣地址和控制信號。

圖2? Slave狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　對于寫操作，當(dāng)收到NONSEQ時(shí)，先存儲地址信息，在下一周期收到hwdata后同時(shí)發(fā)對緩沖的寫信號、寫地址、寫數(shù)據(jù)。遇到BUSY周期進(jìn)入HS_WRBUSY狀態(tài)，等待下次寫操作。

　　對于讀操作，當(dāng)收到NONSEQ時(shí)，先采樣地址信息，判斷是否正確，再發(fā)讀信號和讀地址，這需要一個(gè)周期。一個(gè)周期后從緩沖收到讀數(shù)據(jù)，還要通過一級寄存器后才能發(fā)到AHB總線上。所以SLV處理AHB讀操作需要3個(gè)周期預(yù)讀取數(shù)據(jù)，加入HS_RDSTART1、HS_RDSTART2、HS_RDSTART3狀態(tài)，拉低hready_out，等待讀數(shù)據(jù)。因?yàn)槊總€(gè)端點(diǎn)只有1個(gè)AHB地址，如果SLV一直對同一個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行傳輸，則可以使用預(yù)讀取數(shù)據(jù)，保持流水，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。遇到BUSY周期進(jìn)入HS_RDBUSY狀態(tài)，有專門寄存器存儲預(yù)讀數(shù)據(jù)，等待后面讀操作中使用。

　　SLV只支持WORD（32位）傳輸，但是USB是以字節(jié)為單位的。解決的辦法是寄存器組REG中對每個(gè)端點(diǎn)都有一個(gè)DMA長度寄存器，ARM寫入多事務(wù)數(shù)據(jù)的長度，精確到字節(jié)， IP知道數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，而AHB上只以WORD為單位傳輸。這樣做還有個(gè)目的是簡化外部DMA控制的操作，一次連貫的DMA只需ARM配置一次。否則，傳輸非WORD的數(shù)據(jù)可能要ARM特殊處理。

　　SLV有檢錯(cuò)機(jī)制，當(dāng)讀寫地址操作端點(diǎn)緩沖邊界或進(jìn)行非WORD傳輸時(shí)，SLV認(rèn)為出錯(cuò)，先后進(jìn)入HS_ERR1、HS_ERR2狀態(tài)，進(jìn)行2周期的AHB錯(cuò)誤回應(yīng)。

　　AHB中的1 KB地址邊界檢查是由AHB Master保證的，Slave不作檢查。

2.3? 其他模塊設(shè)計(jì)

　　DPRAM控制部分對每個(gè)端點(diǎn)有一個(gè)busy信號和hbuf信號。當(dāng)busy為0時(shí)，表示端點(diǎn)控制權(quán)在AHB端；否則，在USB端。hbuf信號為0表示端點(diǎn)使用緩沖區(qū)0，否則使用緩沖區(qū)1。對于OUT端點(diǎn)，busy為0表示緩沖中有USB OUT數(shù)據(jù)，需要DMA傳輸；對于IN端點(diǎn)，busy為0表示緩沖空閑，可以接收DMA IN數(shù)據(jù)。所以CTRL模塊接收這兩組信號，以hbuf指示的busy信號為0作為端點(diǎn)的對外部DMA控制器的申請，同時(shí)需要打開相關(guān)DMA使能。這還需要外部DMA控制器支持多個(gè)DMA申請。

　　ARM往DMA長度寄存器寫入多事務(wù)數(shù)據(jù)的長度，當(dāng)Slave傳輸了此長度的數(shù)據(jù)后，向ARM報(bào)DMA結(jié)束中斷。這樣可以不依賴外部DMA控制器，IP自己硬件減少塊DMA傳輸中斷數(shù)，否則一般會每次事務(wù)報(bào)一次中斷。

　　其余模塊實(shí)現(xiàn)的功能都不復(fù)雜，都是簡單的邏輯控制。

2.4? 同步器設(shè)計(jì)[6]

　　需要同步的信號分兩種，單周期高電平有效和多周期高電平有效，要不同處理。

　　對單周期高電平有效信號，如果從快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域，可能寄存器采不到信號，需要先延長源信號的高電平，等采到后再拉底；而目標(biāo)時(shí)鐘域中通過兩級寄存器同步，使平均出錯(cuò)頻率變?yōu)榇蠹s100年一次，最后再用上升沿檢測電路使其只保持一個(gè)慢周期高電平。具體電路如圖3所示。

圖3? 單周期有效信號的同步模塊

　　對于多周期高電平有效，只需要通過兩級寄存器即可。這樣設(shè)計(jì)簡單，出錯(cuò)概率極小。

3? IP驗(yàn)證驗(yàn)證

　　工作主要是驗(yàn)證平臺的搭建和testcase編寫。要求驗(yàn)證集完備，能充分驗(yàn)證正常和非正常的工作情況。

　　驗(yàn)證使用的軟件是VCS，在驗(yàn)證環(huán)境中使用synopsys的UTMI和AHB VIP（驗(yàn)證IP）對USB部分和AHB接口一起驗(yàn)證。使用VIP能提高驗(yàn)證平臺自身的可靠性。

　　針對AHB接口的testcase有非DMA傳輸，多DMA一起傳輸，塊端點(diǎn)和同步端點(diǎn)一起傳輸和AHB錯(cuò)誤狀態(tài)檢查等。所有testcase都已通過，達(dá)到驗(yàn)證的目標(biāo)。圖4是外部DMA控制器的Master寫IP Slave的波形圖。

圖4? 外部DMA控制器寫Slave的波形

結(jié)語

　　經(jīng)過充分的驗(yàn)證，證明AHB接口設(shè)計(jì)符合AHB協(xié)議，并完成既定功能。設(shè)計(jì)中應(yīng)用同步器解決了雙時(shí)鐘域問題；用總長度寄存器，實(shí)現(xiàn)了多事務(wù)DMA控制，減少了塊傳輸?shù)闹袛啻螖?shù)；采用外部不可見的乒乓機(jī)制的緩存，減小了USB和AHB的數(shù)據(jù)相關(guān)性，提高了IP效率。

　　在DC下綜合后速度能達(dá)到150 MHz，給后端設(shè)計(jì)留下充分余地。本IP按計(jì)劃已經(jīng)投入實(shí)際使用；但也有需要改進(jìn)的地方，DPRAM比較耗面積，占了IP總面積的70%。如果使用SPRAM（單口SRAM），緩存面積至少會減小一半。所以改用SPRAM，會降低成本和功耗，只是增加了USB和AHB的控制相關(guān)性以及等待時(shí)間。