基于TUSB6020的USB OTG接口設(shè)計(jì)

USB開(kāi)發(fā)者論壇發(fā)布了USB2.0補(bǔ)充規(guī)范USB OTG（On-The-GO），解決了兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：一是雙角色的USB外設(shè),二是供電問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了便攜設(shè)備間無(wú)主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸 [1-2]。目前，TI公司推出的高速USB2.0 OTG雙功能控制器TUSB6020，是一種小型解決方案，既能作為針對(duì)USB外設(shè)的功能控制器使用，又能作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信中的主機(jī)/外設(shè)工作。本文在此基礎(chǔ)上研究TMS320DM6437與TUSB6020的USB OTG的接口設(shè)計(jì)方案。 1 TUSB6020的特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理
1.1 TUSB6020特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu) TUSB6020采用最小5×5mm封裝，符合USBG2.0 OTG規(guī)范，具有以下關(guān)鍵特性:
 SRP和主機(jī)流通協(xié)議HNP。
 提供多種工作速率，包括 1.5Mbps低速率、12Mbps全速率和 480Mbps高速率。
 VBUS短路的保護(hù)電路。
 片上集成可切換的上拉和下拉電阻。
 片上鎖相環(huán)可降低高速時(shí)鐘噪聲。
 電源耗電量小于100mW。

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圖1為T(mén)USB6020的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。TUSB6020主要模塊有USB 2.0 PHY模塊、電源/復(fù)位/時(shí)鐘控制模塊（PRCM）、USB2.0 OTG控制模塊及VLYNQ外部主機(jī)接口模塊等。功能參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。
1.2 TUSB6020工作原理
TUSB6020工作狀態(tài)分為復(fù)位狀態(tài)、空閑狀態(tài)和正常工作狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，USB2.0 PHY掛起；正常工作狀態(tài)下，使能USB2.0 PHY，從而使能VBUS檢測(cè)電路和ID檢測(cè)電路。不妨設(shè)TUSB6020為OTG主機(jī)設(shè)備（A設(shè)備），對(duì)方USB設(shè)備作為OTG從機(jī)設(shè)備（B設(shè)備），分析對(duì)話請(qǐng)求協(xié)議SRP和主機(jī)通信協(xié)議HNP的工作過(guò)程。
B設(shè)備向A設(shè)備發(fā)起SRP會(huì)話的條件是：(1)VBUS跌落到會(huì)話有效閥值0.8V以下；(2)DM/DP維持低電平SEO狀態(tài)至少2ms。之后，B設(shè)備開(kāi)始發(fā)起SRP請(qǐng)求，如圖2所示。 
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工作步驟如下：（1）B設(shè)備將上拉電阻接入 DM/DP并持續(xù)5-10ms；（2）B設(shè)備驅(qū)動(dòng) VBUS足夠長(zhǎng)的一段時(shí)間直到 VBUS大于會(huì)話有效閥值0.8V；（3）A設(shè)備檢測(cè)到 DM/DP或 VBUS升高，開(kāi)啟 VBUS電源給 B設(shè)備供電；（4）A設(shè)備復(fù)位總線對(duì) B設(shè)備進(jìn)行枚舉配置，開(kāi)始傳輸任務(wù)。
HNP協(xié)議用來(lái)控制A、B兩設(shè)備主從角色的轉(zhuǎn)換。A設(shè)備查詢B設(shè)備的OTG性能描述符，以判斷B設(shè)備是否為OTG設(shè)備，若B設(shè)備為OTG設(shè)備，返回有效的性能描述符，A設(shè)備向B設(shè)備發(fā)送Set feature命令，然后掛起總線，等待B設(shè)備的HNP請(qǐng)求。如圖3所示。

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工作流程可以歸納為：（1）A設(shè)備掛起總線，DM/DP為高電平；（2）B設(shè)備收到Set feature命令，在總線掛起后斷開(kāi)它的DM/DP上拉電阻，將總線釋放到SEO狀態(tài)；（3）A設(shè)備檢測(cè)到SEO狀態(tài)后響應(yīng)，連接它的DM/DP上拉電阻；（4）B設(shè)備在檢測(cè)到DM/DP變高后，開(kāi)始以主機(jī)方式工作，B設(shè)備復(fù)位總線，開(kāi)始使用總線；（5）B設(shè)備使用完總線后，停止總線活動(dòng)掛起總線，DM/DP再次變?yōu)楦唠娖?；?）A設(shè)備檢測(cè)到總線空閑后，斷開(kāi)DM/DP上拉電阻；（7）B設(shè)備檢測(cè)DM/DP變低后，連接DM/DP上拉電阻；（8）A設(shè)備等待DM/DP變高后，表明B設(shè)備已準(zhǔn)備回到從機(jī)狀態(tài)，A設(shè)備從新成為主機(jī)復(fù)位總線，開(kāi)始使用總線。2 “達(dá)芬奇”處理器 TMS320DM6437與 TUSB6020的接口設(shè)計(jì)
TMS320DM6437是達(dá)芬奇技術(shù)中首批僅基于DSP的產(chǎn)品，集成有600MHz時(shí)鐘的C64x+增強(qiáng)型DSP核心、視頻處理子系統(tǒng)(VPS)以及豐富的外圍接口，支持通用USB2.0和VLYNQ高速傳輸總線，以低于以往的價(jià)位提供了更高的處理性能。
2.1 硬件設(shè)計(jì) TUSB6020與 TMS320DM6437硬件連接的電路圖如圖 4所示。

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TUSB6020的DM/DP、ID和VBUS引腳與USBmicroAB連接器相連，建立與對(duì)方 USB設(shè)備的物理連接，其中 VBUS 5V電壓由 VBUS電源開(kāi)關(guān)提供，CPEN連接至它 EN引腳用以提供電源開(kāi)關(guān)使能信號(hào)。雙電源調(diào)節(jié)器向 TUSB6020提供 3.3V和 1.5V的數(shù)字、模擬電壓[4]。
VLYNQ接口引腳詳細(xì)描述如下：（1）TUSB6020的 VLYNQ CLK接外部時(shí)鐘，VLYNQ控制寄存器中的 CLKDIR比特位設(shè)置為 1，VLYNQ接口時(shí)鐘由 DM6437系統(tǒng)時(shí)鐘提供。（2）VLYNQ SCRUN為 VLYNQ時(shí)鐘運(yùn)行請(qǐng)求引腳，低電平表示允許 VLYNQ時(shí)鐘運(yùn)行，高電平表示傳輸事務(wù)結(jié)束，VLYNQ時(shí)鐘運(yùn)行停止。（3）TMS320DM6437寫(xiě)操作時(shí)，將數(shù)據(jù)壓縮、地址編譯，經(jīng)串行編碼后由 VLYNQTXD[0:3]發(fā)出，TUSB6020將數(shù)據(jù)進(jìn)行串行解碼和解壓縮后讀取地址，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定寄存器。
（4）TMS320DM6437讀操作時(shí)，由 VLYNQ TXD[0:3]發(fā)送讀請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，TUSB6020收到請(qǐng)求后，將數(shù)據(jù)壓縮和串行編碼后由 VLYNQ TXD[0:3]發(fā)往TMS320DM6437。（5）VLYNQ接口的數(shù)據(jù)收發(fā)與VLYNQ串行時(shí)鐘同步。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 TMS320DM6437和TUSB6020底層通信的實(shí)現(xiàn)

TMS320DM6437和TUSB6020底層通信是整個(gè)USB體系軟件的根基，包括了DM6437對(duì)TUSB6020的讀、寫(xiě)、設(shè)定地址等操作,主要通過(guò) DM6437訪問(wèn) TUSB6020的控制寄存器來(lái)完成。下面是寫(xiě)TUSB6020控制寄存器的部分程序代碼。

void TUSB6020_Write_Reg(Uint32*OTG_base_addr，Uint32 offset，Uint8 size，Uint32 data)
{
Uint32 tmp_addr=0;
Uint16 tmp_data=0;
…
{…
case 16:
tmp_addr=*OTG_base_addr;

tmp_addr=tmp_addr+offset;
tmp_data=(Uint16)data;
(*(volatile Uint16*)tmp_addr)=data;
break;
…/*Todo Print Error Message*/
break;
}
}

2.2.2 TUSB6020驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
圖 5為 DSP/BIOS外設(shè)驅(qū)動(dòng)模型。TI公司的DSP／BIOS外設(shè)驅(qū)動(dòng)模型分為兩層三類，即：類驅(qū)動(dòng)層和微型驅(qū)動(dòng)層，PIP/PI0類、SIO／DIO類和 GI0類，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

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PIO模型具有良好的緩沖器分配回收機(jī)制，適合描述視頻設(shè)備，SIO模型支持更底層的通信，適合設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，GIO模型設(shè)計(jì)的目的就是針對(duì)特殊硬件的新型設(shè)備，因此，TUSB6020類驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)選用 GIO模型。
GIO模型在提供必要的同步讀／寫(xiě)API函數(shù)及其擴(kuò)展函數(shù)的同時(shí)，將代碼和使用數(shù)據(jù)緩存的大小盡量簡(jiǎn)化，應(yīng)用程序可以調(diào)用 GIO的 API函數(shù)直接與微型驅(qū)動(dòng)的 IOM交換數(shù)據(jù)。當(dāng)調(diào)用GIO_create創(chuàng)建 TUSB6020的通道實(shí)例時(shí)，GIO在通道實(shí)例中增加I／O請(qǐng)求狀態(tài)結(jié)構(gòu)、IOM數(shù)據(jù)包(TUSB6020_USB_Packets)及一個(gè) GIO數(shù)據(jù)對(duì)象。
微型驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建規(guī)定的函數(shù)，應(yīng)用程序通過(guò) GIO類驅(qū)動(dòng)調(diào)用，這些函數(shù)將放入TUSB6020_USB_fxns中的相應(yīng)位置，供應(yīng)用程序通過(guò) GIO類驅(qū)動(dòng)調(diào)用。TMS320DM6437初始化時(shí)調(diào)用已注冊(cè)到微型驅(qū)動(dòng)中的 mdBindDev綁定通道函數(shù)。mdBindDev函數(shù)實(shí)現(xiàn)下列功能：根據(jù)配置的 TUSB6020設(shè)備參數(shù)初始化 TUSB6020設(shè)備，掛入中斷服務(wù)函數(shù)，獲得緩存、DMA等資源；與其對(duì)應(yīng)的 mdUnBindDev綁定通道解除函數(shù)使 TUSB6020設(shè)備處于無(wú)效狀態(tài)，不能再使用；mdCreateChan通道創(chuàng)建函數(shù)為應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序建立通信通道，并給通道對(duì)象設(shè)置初始值，為通道申請(qǐng)緩沖區(qū)；mdDeleteChan通道刪除函數(shù)刪除已創(chuàng)建好的通道對(duì)象，釋放緩沖區(qū)資源；mdSubmitChan I/O請(qǐng)求發(fā)送函數(shù)負(fù)責(zé)管理緩沖區(qū)，處理 TUSB6020_USB_Packet包中的命令字段；mdControlChan設(shè)備控制函數(shù)用來(lái)操作 TUSB6020設(shè)備，完成 OTG角色轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。

3 小結(jié)
TUSB6020節(jié)省芯片資源，功耗低，架構(gòu)簡(jiǎn)潔，接口靈活，兼容性好。本文介紹了TUSB6020的功能特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和TUSB6020的工作原理，分析了TUSB6020與外部主機(jī)的連接方式，提出了一種TMS320DM6437與TUSB6020的USB OTG接口設(shè)計(jì)方案。該接口設(shè)計(jì)可以廣泛應(yīng)用于各種便攜式、嵌入式系統(tǒng)中，從而可靠便捷地實(shí)現(xiàn)USB OTG功能。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了TUSB6020與TMS320DM6437的USB OTG設(shè)計(jì)方案，硬件設(shè)計(jì)有效利用了VLYNQ接口，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷靈活，為USB OTG的接口設(shè)計(jì)提供了一種新的參考，有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。