基于USB設(shè)備控制器的端點(diǎn)緩沖區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

這里首先簡(jiǎn)要介紹USB中端點(diǎn)的概念，并給出一款異步FIFO的設(shè)計(jì)方案。然后根據(jù)USB四種傳輸類型的特點(diǎn)，提出基于該FIFO結(jié)構(gòu)的不同類型的端點(diǎn)緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)方案。特別是對(duì)于控制端點(diǎn)提出了一種新型的雙向異步FIFO結(jié)構(gòu)，在保證控制傳輸?shù)那疤嵯拢瑴p小了將近1／2的電路面積。最后給出在Synopsys平臺(tái)下電路的VLSL實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

USB 2.0規(guī)范將USB接口的傳輸速度提高了40倍。傳輸速度的提升使得USB設(shè)備控制器的設(shè)計(jì)指標(biāo)也隨之提高，雖然協(xié)議中對(duì)于緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)要求并沒有本質(zhì)上的改變，但是由于總線帶寬與傳輸速度的提高，各個(gè)芯片供應(yīng)商均推出了自己的緩沖區(qū)設(shè)計(jì)方案。為了提高USB接口的數(shù)據(jù)存取速度，通常使用異步FIFO來(lái)設(shè)計(jì)端點(diǎn)緩沖區(qū)。

1  USB協(xié)議中的端點(diǎn)及實(shí)施方案

1.1 USB設(shè)備的端點(diǎn)

USB主機(jī)和設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是以信息包的格式來(lái)傳輸?shù)?，可分為令牌包、?shù)據(jù)包、握手包和特殊包。在數(shù)據(jù)包中包括了主機(jī)和設(shè)備通信的數(shù)據(jù)分組。圖1是一個(gè)典型的USB數(shù)據(jù)包的格式。



PID域是為了增加USB通信的健壯性而設(shè)定的數(shù)據(jù)分組的辨識(shí)符；CRC16域是對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行CRC校驗(yàn)的結(jié)果。DATA域是實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。USB設(shè)備控制器會(huì)將接收到的主機(jī)數(shù)據(jù)包放入指定的端點(diǎn)緩沖區(qū)；或者從指定的端點(diǎn)取出待發(fā)送的數(shù)據(jù)組裝成USB信息包發(fā)送到主機(jī)。

由此可見，所謂端點(diǎn)實(shí)際上是主機(jī)與設(shè)備之間通信的來(lái)源或目的，所有的傳輸都要傳送到設(shè)備的端點(diǎn)，或是由設(shè)備的端點(diǎn)發(fā)出。一系列相互獨(dú)立的端點(diǎn)在一起就構(gòu)成了USB邏輯設(shè)備。從物理層的角度來(lái)看，端點(diǎn)是一塊存儲(chǔ)器區(qū)域，用以緩沖實(shí)際接收到或待發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

USB協(xié)議中定義了四種傳輸類型，分別是控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。所有USB設(shè)備控制器都應(yīng)該支持控制傳輸，其他三種傳輸方式根據(jù)不同的應(yīng)用背影而用于不同類型的設(shè)備。按照傳輸類型可將端點(diǎn)分為控制端點(diǎn)、批量端點(diǎn)、中斷端點(diǎn)和同步端點(diǎn)。其中控制端點(diǎn)較為特殊，只有它可以雙向的傳輸數(shù)據(jù)，而其他端點(diǎn)只能傳輸單方向的數(shù)據(jù)。

1.2 使用異步FIFO設(shè)計(jì)USB端點(diǎn)

由于USB設(shè)備控制器的緩沖區(qū)空間是對(duì)應(yīng)各個(gè)不同的端點(diǎn)。每個(gè)端點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的傳輸方式、傳輸方向也不同。通常控制端點(diǎn)會(huì)連接控制器的MCU單元，而其他類型的端點(diǎn)一般連接設(shè)備端的接口?？梢奤SB的端點(diǎn)緩沖區(qū)實(shí)際上是在串行接口引擎時(shí)鐘和設(shè)備時(shí)鐘或MCU時(shí)鐘的兩個(gè)時(shí)鐘域之間傳輸數(shù)據(jù)。而使用異步FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)顯然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖2是本文所采用的異步FIFO的結(jié)構(gòu)框圖。該異步FIFO由一塊雙端口SRAM、寫地址／滿邏輯和讀地址／空邏輯、以及為了消除亞穩(wěn)態(tài)的兩級(jí)同步電路組成。左端口在寫時(shí)鐘下進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入操作；右端口在讀時(shí)鐘下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出操作。



對(duì)于異步FIFO的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生準(zhǔn)確的空滿標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)中的核心任務(wù)，它與FIFO是否能穩(wěn)定工作息息相關(guān)。寫滿不溢出，讀空不多讀是異步FIFO空滿標(biāo)志判斷的基本原則。傳統(tǒng)的判斷方法是另外設(shè)置一個(gè)狀態(tài)位，作為最高位，其余位作為地址位，當(dāng)讀寫指針的地址位和狀態(tài)位全部吻合時(shí)，F(xiàn)IFO處于空狀態(tài)；當(dāng)讀寫指針的地址位相同而狀態(tài)位相反，F(xiàn)IFO處于滿狀態(tài)。這種異步FIFO由于是通過(guò)直接比較二進(jìn)制讀寫指針來(lái)判斷滿和空的，在跨時(shí)鐘傳遞時(shí)會(huì)有毛刺產(chǎn)生。下面將介紹一種通過(guò)直接比較格雷碼指針的方法生成FIFO的空滿信號(hào)，從而消除了毛刺，提高了電路的穩(wěn)定性。

比如要設(shè)計(jì)一個(gè)深度為8的異步FIFO，需要使用3 b的格雷碼計(jì)數(shù)器對(duì)讀寫指針計(jì)數(shù)，與二進(jìn)制類似，還是需要使用一個(gè)狀態(tài)位來(lái)判斷滿和空狀態(tài)。此時(shí)FIFO的格雷碼指針跳變情況如表1所示。



觀察表1可知，當(dāng)讀指針為4’b0011時(shí)(二進(jìn)制為4’b0010)，此時(shí)比他多一個(gè)周期所對(duì)應(yīng)的格雷碼為4’b1111(二進(jìn)制為4’b1010)。兩者的高二位恰好相反，但低位完全相同。對(duì)比表1左右兩列可知當(dāng)讀寫指針相差一個(gè)周期即FIFO滿時(shí)對(duì)應(yīng)的格雷碼指針的最高兩位相反，而低位則完全相同；當(dāng)兩者完全相等時(shí)對(duì)應(yīng)為FIFO的空狀態(tài)。圖3給出的是在設(shè)計(jì)的FIFO的深度為8時(shí)，在Modelsim中的仿真波形。由圖3可知，當(dāng)FIFO從空到滿時(shí)，對(duì)應(yīng)的格雷碼寫指針為4’b1100，而同步后的讀指針為4’b0000；當(dāng)從滿被讀空時(shí)，讀指針為4’b1100；由此可見仿真的FIFO的空滿信號(hào)與設(shè)計(jì)一致。

2 基于FIFO結(jié)構(gòu)的優(yōu)化端點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

2.1 基于新型FIFO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制端點(diǎn)

上文已經(jīng)論述過(guò)控制端點(diǎn)是一個(gè)雙向傳輸?shù)亩它c(diǎn)，但是在同一時(shí)刻只能是單向的數(shù)據(jù)傳輸。該端點(diǎn)主要是用于USB設(shè)備的枚舉過(guò)程，主機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，設(shè)備負(fù)責(zé)回應(yīng)一個(gè)信息包。對(duì)于該端點(diǎn)的設(shè)計(jì)現(xiàn)有的方案都是采用雙FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向傳輸?shù)摹Ｒ粋€(gè)FIFO用以接收主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包；另外一個(gè)FIFO用以向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。在傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)總有一個(gè)FIFO處于空閑狀態(tài)，這樣會(huì)造成存儲(chǔ)器資源的浪費(fèi)。為此，本文提出一種新型的異步FIFO結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用一塊雙端口SRAM來(lái)實(shí)現(xiàn)控制端點(diǎn)的單工雙向傳輸，而傳統(tǒng)的雙FIFO結(jié)構(gòu)需要兩塊SRAM用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。由于SRAM占據(jù)了FIFO的大部分面積，在實(shí)現(xiàn)控制傳輸?shù)墓δ芟律儆昧艘粔KSRAM，可以預(yù)見最終的電路實(shí)現(xiàn)面積會(huì)減小將近1／2。

圖4是本文所設(shè)計(jì)的新型異步FIFO結(jié)構(gòu)，該FIFO的實(shí)現(xiàn)是基于一塊雙端SRAM。在上文所提到的異步FIFO結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一套讀寫指針邏輯和滿空判斷標(biāo)志。這個(gè)電路可以看作是原來(lái)電路模塊的復(fù)制，即兩者設(shè)計(jì)完全一致。這兩個(gè)新增的指針模塊用以產(chǎn)生訪問(wèn)SRAM的地址和用以產(chǎn)生滿和空的格雷碼指針。這樣在同一方向?qū)τ赟RAM的訪問(wèn)就會(huì)有兩個(gè)地址，其中一個(gè)是讀地址，另一個(gè)是寫地址。這樣需要設(shè)計(jì)一個(gè)選擇器，用以選擇當(dāng)前訪問(wèn)SRAM的是讀地址或?qū)懙刂?。這個(gè)選擇器的選擇端可以根據(jù)不同方向的讀寫使能信號(hào)來(lái)切換。這是由于在同一時(shí)刻不可能出現(xiàn)一個(gè)方向的讀／寫使能均有效的現(xiàn)象。

對(duì)于圖4的數(shù)據(jù)路徑可簡(jiǎn)介如下，方向0在其寫使能信號(hào)的控制下，往FIFO內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，寫滿之后方向1控制其讀使能將方向0寫入的數(shù)據(jù)讀出來(lái)。然后方向1控制其寫使能將數(shù)據(jù)寫入雙端口SRAM，方向0負(fù)責(zé)把SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出。

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對(duì)于USB的控制端點(diǎn)，其接收的最大數(shù)據(jù)包為64 b。故本文設(shè)計(jì)的雙向FIFO使用的sram亦為64 b。使用memory complier生成。圖5是設(shè)計(jì)的雙向FIFO在Modelsim下的仿真波形圖。該波形顯示了方向0寫數(shù)據(jù)，方向1讀數(shù)據(jù)和方向1寫數(shù)據(jù)，方向0讀數(shù)據(jù)的過(guò)程。



2.2  其他端點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于USB設(shè)備控制器的其他端點(diǎn)，由于其與控制端點(diǎn)有所不同?？刂贫它c(diǎn)是一個(gè)雙向端點(diǎn)，而非控制端點(diǎn)單向的傳輸。故對(duì)于非控制端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)的容量設(shè)定，應(yīng)使USB的帶寬利用率盡量達(dá)到最高。由于USB規(guī)范中規(guī)定緩沖區(qū)必須有足夠的空間，可以為全(高)速設(shè)備容納一個(gè)時(shí)間片所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的兩倍的容量。這樣USB在處理一個(gè)數(shù)據(jù)分組的同時(shí)，可以接收下一個(gè)數(shù)據(jù)分組。以此種重疊技術(shù)可以提高總線利用率。如果批量端點(diǎn)的緩沖區(qū)的深度設(shè)計(jì)為1 024 B。就可以得到最大的帶寬利用率。

圖6是其他端點(diǎn)所采用的雙緩沖FIFO方案示意圖。在狀態(tài)1，req0控制訪問(wèn)FIFO0，reql控制訪問(wèn)FIFO1；在狀態(tài)2，req0切換到訪問(wèn)FIFO1，req1切換到訪問(wèn)FIFO0?；陔p緩沖FIFO的設(shè)計(jì)方案可使其他端點(diǎn)的帶寬利用率達(dá)到最高，滿足高速傳輸?shù)男枨蟆?br />


3 電路的ASIC實(shí)現(xiàn)結(jié)果

對(duì)上述設(shè)計(jì)方案采用Verilog硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。仿真工具為Modelsim SE 6.2b，前仿真通過(guò)后，對(duì)設(shè)計(jì)好的電路使用Design Complier進(jìn)行綜合。綜合所使用的工藝庫(kù)是SMIC 0.18 μm工藝庫(kù)。

對(duì)于控制端點(diǎn)，考慮到其主要處在SIE時(shí)鐘和MCU時(shí)鐘之間，對(duì)其所加的時(shí)鐘約束分別為60 MHz和30 MHz；此外還對(duì)傳統(tǒng)的雙緩沖FIFO結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合，兩者所加約束完全一致。將兩者的電路的綜合結(jié)果對(duì)比如表2所示。



對(duì)比表2可知在保證控制端點(diǎn)功能的前提下，本文所采用的新型FIFO結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)雙FIFO結(jié)構(gòu)在電路的實(shí)現(xiàn)面積方面減小了45.3％。

對(duì)于其他端點(diǎn)所采用的雙緩沖FIFO方案保證了傳輸速度，但卻是以犧牲面積為代價(jià)換來(lái)的。表3給出了批量(Bulk)傳輸端點(diǎn)(兩個(gè)深度為512 B的FIFO)的實(shí)現(xiàn)面積報(bào)告。



4 結(jié)  語(yǔ)

USB設(shè)備控制器端點(diǎn)緩沖區(qū)的性能，直接關(guān)系到總線的帶寬利用率。這里分析了USB的四種傳輸類型并根據(jù)其特點(diǎn)靈活的設(shè)計(jì)了不同的方案，并給出了最終電路的ASIC實(shí)現(xiàn)結(jié)果。特別是針對(duì)控制端點(diǎn)所提出的一種新方案具有一定的通用性，該方案可以應(yīng)用在其他類似場(chǎng)合的設(shè)計(jì)中。