USB2.0设备控制器IP核的AHB接口技术

兔八哥-55

摘要
介绍了USB2.0设备控制器IP核的AHB接口的设计。解决了双时钟域问题；实现了多事务DMA控制，减少了块传输的中断次数；缓存采用乒乓机制，并对外隐蔽了双缓冲区。最后用Verilog完成RTL代码，并通过充分验证，证明接口符合AHB协议，且完成既定所有功能。
关键词 AHB接口 USB2.0 IP核 SoC
引言
　　通用串行总线USB 2.0接口是目前PC机的主流接口，可提供480 Mb/s（60
MB/s）的高速数据传输，具有即插即用、热插拔、接口体积小巧、节省系统资源、传输可靠、提供电源、良好的兼容性、共享式通信、低成本等优点。由于USB接口的优点和流行，当今嵌入式设计要与PC连接，首选USB接口。
　　ARM 公司提出的AMBA总线，由于其本身的高性能和ARM 处理器的广泛应用,已经成为SoC 设计中广泛使用的总线标准。AMBA
rev20中的AHB，采用地址/数据分离格式，支持固定长/不定长猝发(burst) 交易、分裂(split)
交易特性和多个主设备的总线管理,具有高带宽、高性能特性,适合于嵌入式处理器与高性能外围设备、片内存储器及接口功能单元的连接。
　　根据两种总线的特点和广泛支持，为了给嵌入式SoC系统提供USB接口，需要设计USB和AHB间的桥接IP核（Intellectual
Property Core）。本文介绍USB 2.0设备控制器IP中的AHB接口部分设计。
1 设计概述
1.1 协议概述
　　设计前首先需要了解USB和AHB数据传输的特点。
　　USB上的数据组织为事务进行串行传输，最小数据单位是字节。USB传输始终是由主机方发起的，设备方只负责响应。USB的数据传输分为块、同步、控制、中断四种传输，本IP支持前三种。对于块传输，默认上层协议为BULK
ONLY协议[1]。
　　AHB总线采用单时钟域同步设计。数据、地址线宽32位，采用2级流水线结构，地址、控制信号比数据信号早一个时钟周期。可用猝发（burst）传输来传数据。只需一个时钟周期就可完成总线交权。由于是嵌入式的SoC片上总线，故强调的是面积、工作频率和功耗等。详细情况参见USB[13]和AMBA协议[4]。
1.2 设计规格
　　本IP核的AHB接口，最主要的任务是控制数据在缓存和AHB总线间正确传输，使接口时序满足AHB协议，并协助AHB上的MCU（默认为ARM）控制数据传输；同时要处理与USB控制部分的连接问题，控制USB端的中断申请和寄存器输出。
　　为了适用于大数据量的传输，本IP要求的控制传输是用非DMA方式，块、同步用DMA方式，且已知外部有DMA控制器（默认为ARM双Master的DMA控制器[5]）。
　　在总体设计中有如下关键问题，决定了IP中AHB接口设计的细节。
　　① 双时钟域问题。USB时钟是60 MHz，设计的AHB时钟频率是30～133 MHz。跨时钟域的控制信号需要用同步器同步。
　　②
数据的缓冲问题。IP中使用32位数据位宽的流过式DPRAM（双口SRAM）作为USB和AHB间的数据缓冲。每个端点有固定的缓冲区，使各端点间透明；使用乒乓机制，每个端点两个缓冲区，减小USB和AHB总线速率的相关性，使数据传输更流畅；同时DPRAM的两个口分属不同时钟域，起到隔离数据的双时钟域问题的作用。
　　③ 是否需要AHB
Master的问题。IP在USB端是从设备，在AHB端是主设备。也就是AHB上传输的都是由本IP发起的。本来设计中有一个AHB
Master，当作DMA控制器。现在由于已经有外部DMA控制器，因此IP只需要AHB
Slave，用中断告知ARM信息，由ARM配置外部DMA控制器来进行DMA传输。所以为了减小面积和功耗，去掉AHB Master。
　　④ 要实现多事务DMA才发一次中断，减少中断次数。由于块传输通过上层BULK
ONLY协议已经知道多个事务数据长度，所以前面的事务DMA可以用硬件处理，最后一次事务完成后才报中断。
　　⑤
AHB地址划分。每个端点在AHB上只有一个固定地址，看作一个I/O接口，隐蔽双缓冲区和缓冲区内部的相对地址，而IP中每个内部寄存器有一个单独的AHB地址。
2 AHB接口设计实现
2.1 模块划分
　　如图1所示，根据功能可把AHB接口分为如下6个模块：
　　①
CTRL，产生对外部DMA控制器的DMA申请信号，并接收回应信号；负责控制多个通道的多事务长度的DMA结束中断；改变REG模块中的DMA配置信息[56]。
　　② SLV，负责接收AHB上的读写请求，控制AHB Slave的时序。
　　③ DEC，地址译码模块，根据AHB地址译码产生寄存器选中信号或缓冲写信号。
　　④ MUX，DPRAM和寄存器输出的多选一模块，包括USB端寄存器输出。
　　⑤ INT，总中断产生模块。综合USB端的中断申请，产生总中断信号和总中断向量。
　　⑥ REG，ARM配置的寄存器组模块。  
图1 AHB接口模块框图
2.2 SLV模块设计
　　SLV模块处理AHB时序，主要功能是根据AHB地址和控制信号，产生对缓存的读写、地址信号；支持猝发传输的提前结束和插入BUSY周期。SLV模块不需要使用RETRY/SPLTT功能来干预AHB仲裁器的仲裁。这是因为IP中有用于缓存的DPRAM，并且处于USB设备端，在AHB总线看来，IP在接受AHB
IN/OUT操作前都已经做好准备，不存在不能接收AHB操作的情况。
　　Slave状态转换如图2所示。Slave状态机是AHB
Slave设计的关键。hready_in和hsel同时为高时，SLV才能采样地址和控制信号。
 
图2 Slave状态转换图
　　对于写操作，当收到NONSEQ时，先存储地址信息，在下一周期收到hwdata后同时发对缓冲的写信号、写地址、写数据。遇到BUSY周期进入HS_WRBUSY状态，等待下次写操作。
　　对于读操作，当收到NONSEQ时，先采样地址信息，判断是否正确，再发读信号和读地址，这需要一个周期。一个周期后从缓冲收到读数据，还要通过一级寄存器后才能发到AHB总线上。所以SLV处理AHB读操作需要3个周期预读取数据，加入HS_RDSTART1、HS_RDSTART2、HS_RDSTART3状态，拉低hready_out，等待读数据。因为每个端点只有1个AHB地址，如果SLV一直对同一个端点进行传输，则可以使用预读取数据，保持流水，提高数据传输效率。遇到BUSY周期进入HS_RDBUSY状态，有专门寄存器存储预读数据，等待后面读操作中使用。
　　SLV只支持WORD（32位）传输，但是USB是以字节为单位的。解决的办法是寄存器组REG中对每个端点都有一个DMA长度寄存器，ARM写入多事务数据的长度，精确到字节，
IP知道数据的字节数，而AHB上只以WORD为单位传输。这样做还有个目的是简化外部DMA控制的操作，一次连贯的DMA只需ARM配置一次。否则，传输非WORD的数据可能要ARM特殊处理。
　　SLV有检错机制，当读写地址操作端点缓冲边界或进行非WORD传输时，SLV认为出错，先后进入HS_ERR1、HS_ERR2状态，进行2周期的AHB错误回应。
　　AHB中的1 KB地址边界检查是由AHB Master保证的，Slave不作检查。
2.3 其他模块设计
　　DPRAM控制部分对每个端点有一个busy信号和hbuf信号。当busy为0时，表示端点控制权在AHB端；否则，在USB端。hbuf信号为0表示端点使用缓冲区0，否则使用缓冲区1。对于OUT端点，busy为0表示缓冲中有USB
OUT数据，需要DMA传输；对于IN端点，busy为0表示缓冲空闲，可以接收DMA
IN数据。所以CTRL模块接收这两组信号，以hbuf指示的busy信号为0作为端点的对外部DMA控制器的申请，同时需要打开相关DMA使能。这还需要外部DMA控制器支持多个DMA申请。
　　ARM往DMA长度寄存器写入多事务数据的长度，当Slave传输了此长度的数据后，向ARM报DMA结束中断。这样可以不依赖外部DMA控制器，IP自己硬件减少块DMA传输中断数，否则一般会每次事务报一次中断。
　　其余模块实现的功能都不复杂，都是简单的逻辑控制。
2.4 同步器设计[6]
　　需要同步的信号分两种，单周期高电平有效和多周期高电平有效，要不同处理。
　　对单周期高电平有效信号，如果从快时钟域到慢时钟域，可能寄存器采不到信号，需要先延长源信号的高电平，等采到后再拉底；而目标时钟域中通过两级寄存器同步，使平均出错频率变为大约100年一次，最后再用上升沿检测电路使其只保持一个慢周期高电平。具体电路如图3所示。
 
图3 单周期有效信号的同步模块
　　对于多周期高电平有效，只需要通过两级寄存器即可。这样设计简单，出错概率极小。
3 IP验证验证
　　工作主要是验证平台的搭建和testcase编写。要求验证集完备，能充分验证正常和非正常的工作情况。
　　验证使用的软件是VCS，在验证环境中使用synopsys的UTMI和AHB
VIP（验证IP）对USB部分和AHB接口一起验证。使用VIP能提高验证平台自身的可靠性。
　　针对AHB接口的testcase有非DMA传输，多DMA一起传输，块端点和同步端点一起传输和AHB错误状态检查等。所有testcase都已通过，达到验证的目标。图4是外部DMA控制器的Master写IP
Slave的波形图。
 
图4 外部DMA控制器写Slave的波形
结语
　　经过充分的验证，证明AHB接口设计符合AHB协议，并完成既定功能。设计中应用同步器解决了双时钟域问题；用总长度寄存器，实现了多事务DMA控制，减少了块传输的中断次数；采用外部不可见的乒乓机制的缓存，减小了USB和AHB的数据相关性，提高了IP效率。
　　在DC下综合后速度能达到150
MHz，给后端设计留下充分余地。本IP按计划已经投入实际使用；但也有需要改进的地方，DPRAM比较耗面积，占了IP总面积的70%。如果使用SPRAM（单口SRAM），缓存面积至少会减小一半。所以改用SPRAM，会降低成本和功耗，只是增加了USB和AHB的控制相关性以及等待时间。

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