本文針對高速數據傳輸需求，根據USB2.0的協議規范，利用VHDL語言實現符合該協議的功能控制器，在視頻壓解系統中使數據在PC與外設之間高速傳輸。如圖1所示由視頻A/D采集的原始視頻數據，在Philips公司生產的TM1300專用視頻處理器中壓縮后，通過USB控制器送至PC機。PC機的整個通過USB控制器傳輸到TM1300，解壓后發送至視頻D/A。

　　1 控制器結構原理

　　USB2.0控制器結構框圖如圖2所示。控制器主要由兩個部分組成，其一為與外設的接口，另一個是內部協議層邏輯PL（Protocol Layer）。內部存儲器仲裁器實現對內部DMA和外部總線對存儲器訪問之間的仲裁。PL則實現USB的數據I/O和控制。

　　接口有三種：一種是與微控制器之間的功能接口；一種是與單口同步靜態存儲器（SSRAM）之間的接口；另外一種是與物理層之間的接口。這里符合UTMI（USB Transceiver Macrocell InteRFace）規范定義。

　　2 控制器實現

　　控制器接口的信號框圖如圖3所示。存儲器采用標準的單口SRAM，其信號接口由32位數據線SRAM_DATA、15位地址線SRAM_ADDR及讀寫信號（SRAM_WE和SRAM_RD）組成，系統所需SRAM的容量為2 15×32bit=128KB。

　　而與微控制器之間的接口信號包括32位數據線DATA、18位地址線ADDR以及DMA請求和響應信號（DMA_REQ和DMA_ACK）。由于要支持到128KB，需要17位地址線，另外還需要一根地址線來選通SSRAM和USB控制器內部的寄存器，總共需要18根地址線addr[17:0]。定義如下：

　　USB_RF_SEL <= ！addr[17]；

　　USB_MEM_SEL <=addr[17];

　　第18位地址addr[17]為高時選擇緩沖存儲器，否則選擇內部寄存器。地址addr[16:2]直接用于存儲器SSRAM的地址。

　　2.1 UTMI接口

　　UTMI接口信號包括：與發送數據相關的信號（TxValid、TxReady等），與接收數據相關的信號（RxActive、RxValid、RxError等）以及16位雙向數據線。

　　在物理層，該控制器需要一個外部的USB收發器（Transceiver），本文采用的是Philips公司的ISP1501芯片。該芯片用作USB2.0的模擬前端，從USB電纜來的差分信號進行反轉不歸零碼（NRZI）解碼和位解填充轉換成16位并行數據；反之，16位并行數據通過一個差分驅動電路經過串行化、位填充和NRZI編碼輸出到USB電纜上。ISP1501通過管腳MODE0和MODE1決定收發器的工作模式，共有4種工作模式：MODE[1:0]為“00”時，收發器處于斷開狀態；為“01”時處于全速（Full Speed）模式（此時USB帶寬為12Mb/s）；為“10”時是高速（High Speed）模式（此時USB最大帶寬是480Mb/s）；為“11”時是HS chirp模式。

　　UTMI接口通過譯碼MODE[1:0]來控制ISP1501在HS和FS之間轉變。

　　If mode_hs='1'then

　　MODE<='10'

　　Elsif mode_hs='0'then

　　MODE<='01'

　　End if;