USB2.0設備控制器IP核的AHB接口技術

介紹了USB2.0設備控制器IP核的AHB接口的設計。解決了雙時鐘域問題；實現了多事務DMA控制，減少了塊傳輸的中斷次數；緩存采用乒乓機制，并對外隱蔽了雙緩沖區。最后用Verilog完成RTL代碼，并通過充分驗證，證明接口符合AHB協議，且完成既定所有功能。

關鍵詞 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機的主流接口，可提供480 Mb/s（60 MB/s）的高速數據傳輸，具有即插即用、熱插拔、接口體積小巧、節省系統資源、傳輸可靠、提供電源、良好的兼容性、共享式通信、低成本等優點。由于USB接口的優點和流行，當今嵌入式設計要與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 處理器的廣泛應用,已經成為SoC 設計中廣泛使用的總線標準。AMBA rev20中的AHB，采用地址/數據分離格式，支持固定長/不定長猝發(burst) 交易、分裂(split) 交易特性和多個主設備的總線管理,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備、片內存儲器及接口功能單元的連接。

　　根據兩種總線的特點和廣泛支持，為了給嵌入式SoC系統提供USB接口，需要設計USB和AHB間的橋接IP核（Intellectual Property Core）。本文介紹USB 2.0設備控制器IP中的AHB接口部分設計。

1? 設計概述

1.1? 協議概述

　　設計前首先需要了解USB和AHB數據傳輸的特點。

　　USB上的數據組織為事務進行串行傳輸，最小數據單位是字節。USB傳輸始終是由主機方發起的，設備方只負責響應。USB的數據傳輸分為塊、同步、控制、中斷四種傳輸，本IP支持前三種。對于塊傳輸，默認上層協議為BULK ONLY協議[1]。

　　AHB總線采用單時鐘域同步設計。數據、地址線寬32位，采用2級流水線結構，地址、控制信號比數據信號早一個時鐘周期。可用猝發（burst）傳輸來傳數據。只需一個時鐘周期就可完成總線交權。由于是嵌入式的SoC片上總線，故強調的是面積、工作頻率和功耗等。詳細情況參見USB[13]和AMBA協議[4]。

1.2? 設計規格

　　本IP核的AHB接口，最主要的任務是控制數據在緩存和AHB總線間正確傳輸，使接口時序滿足AHB協議，并協助AHB上的MCU（默認為ARM）控制數據傳輸；同時要處理與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。

　　為了適用于大數據量的傳輸，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（默認為ARM雙Master的DMA控制器[5]）。

　　在總體設計中有如下關鍵問題，決定了IP中AHB接口設計的細節。

　　①? 雙時鐘域問題。USB時鐘是60 MHz，設計的AHB時鐘頻率是30～133 MHz。跨時鐘域的控制信號需要用同步器同步。
　　②? 數據的緩沖問題。IP中使用32位數據位寬的流過式DPRAM（雙口SRAM）作為USB和AHB間的數據緩沖。每個端點有固定的緩沖區，使各端點間透明；使用乒乓機制，每個端點兩個緩沖區，減小USB和AHB總線速率的相關性，使數據傳輸更流暢；同時DPRAM的兩個口分屬不同時鐘域，起到隔離數據的雙時鐘域問題的作用。
　　③? 是否需要AHB Master的問題。IP在USB端是從設備，在AHB端是主設備。也就是AHB上傳輸的都是由本IP發起的。本來設計中有一個AHB Master，當作DMA控制器。現在由于已經有外部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控制器來進行DMA傳輸。所以為了減小面積和功耗，去掉AHB Master。
　　④? 要實現多事務DMA才發一次中斷，減少中斷次數。由于塊傳輸通過上層BULK ONLY協議已經知道多個事務數據長度，所以前面的事務DMA可以用硬件處理，最后一次事務完成后才報中斷。
　　⑤? AHB地址劃分。每個端點在AHB上只有一個固定地址，看作一個I/O接口，隱蔽雙緩沖區和緩沖區內部的相對地址，而IP中每個內部寄存器有一個單獨的AHB地址。

2? AHB接口設計實現

2.1? 模塊劃分

　　如圖1所示，根據功能可把AHB接口分為如下6個模塊：

　　①? CTRL，產生對外部DMA控制器的DMA申請信號，并接收回應信號；負責控制多個通道的多事務長度的DMA結束中斷；改變REG模塊中的DMA配置信息[56]。
　　②? SLV，負責接收AHB上的讀寫請求，控制AHB Slave的時序。
　　③? DEC，地址譯碼模塊，根據AHB地址譯碼產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，總中斷產生模塊。綜合USB端的中斷申請，產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模塊設計

　　SLV模塊處理AHB時序，主要功能是根據AHB地址和控制信號，產生對緩存的讀寫、地址信號；支持猝發傳輸的提前結束和插入BUSY周期。SLV模塊不需要使用RETRY/SPLTT功能來干預AHB仲裁器的仲裁。這是因為IP中有用于緩存的DPRAM，并且處于USB設備端，在AHB總線看來，IP在接受AHB IN/OUT操作前都已經做好準備，不存在不能接收AHB操作的情況。

　　Slave狀態轉換如圖2所示。Slave狀態機是AHB Slave設計的關鍵。hready_in和hsel同時為高時，SLV才能采樣地址和控制信號。

圖2? Slave狀態轉換圖

　　對于寫操作，當收到NONSEQ時，先存儲地址信息，在下一周期收到hwdata后同時發對緩沖的寫信號、寫地址、寫數據。遇到BUSY周期進入HS_WRBUSY狀態，等待下次寫操作。

　　對于讀操作，當收到NONSEQ時，先采樣地址信息，判斷是否正確，再發讀信號和讀地址，這需要一個周期。一個周期后從緩沖收到讀數據，還要通過一級寄存器后才能發到AHB總線上。所以SLV處理AHB讀操作需要3個周期預讀取數據，加入HS_RDSTART1、HS_RDSTART2、HS_RDSTART3狀態，拉低hready_out，等待讀數據。因為每個端點只有1個AHB地址，如果SLV一直對同一個端點進行傳輸，則可以使用預讀取數據，保持流水，提高數據傳輸效率。遇到BUSY周期進入HS_RDBUSY狀態，有專門寄存器存儲預讀數據，等待后面讀操作中使用。

　　SLV只支持WORD（32位）傳輸，但是USB是以字節為單位的。解決的辦法是寄存器組REG中對每個端點都有一個DMA長度寄存器，ARM寫入多事務數據的長度，精確到字節， IP知道數據的字節數，而AHB上只以WORD為單位傳輸。這樣做還有個目的是簡化外部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的數據可能要ARM特殊處理。

　　SLV有檢錯機制，當讀寫地址操作端點緩沖邊界或進行非WORD傳輸時，SLV認為出錯，先后進入HS_ERR1、HS_ERR2狀態，進行2周期的AHB錯誤回應。

　　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? 其他模塊設計

　　DPRAM控制部分對每個端點有一個busy信號和hbuf信號。當busy為0時，表示端點控制權在AHB端；否則，在USB端。hbuf信號為0表示端點使用緩沖區0，否則使用緩沖區1。對于OUT端點，busy為0表示緩沖中有USB OUT數據，需要DMA傳輸；對于IN端點，busy為0表示緩沖空閑，可以接收DMA IN數據。所以CTRL模塊接收這兩組信號，以hbuf指示的busy信號為0作為端點的對外部DMA控制器的申請，同時需要打開相關DMA使能。這還需要外部DMA控制器支持多個DMA申請。

　　ARM往DMA長度寄存器寫入多事務數據的長度，當Slave傳輸了此長度的數據后，向ARM報DMA結束中斷。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，否則一般會每次事務報一次中斷。

　　其余模塊實現的功能都不復雜，都是簡單的邏輯控制。

2.4? 同步器設計[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，如果從快時鐘域到慢時鐘域，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；而目標時鐘域中通過兩級寄存器同步，使平均出錯頻率變為大約100年一次，最后再用上升沿檢測電路使其只保持一個慢周期高電平。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。這樣設計簡單，出錯概率極小。

3? IP驗證驗證

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

　　驗證使用的軟件是VCS，在驗證環境中使用synopsys的UTMI和AHB VIP（驗證IP）對USB部分和AHB接口一起驗證。使用VIP能提高驗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，塊端點和同步端點一起傳輸和AHB錯誤狀態檢查等。所有testcase都已通過，達到驗證的目標。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

結語

　　經過充分的驗證，證明AHB接口設計符合AHB協議，并完成既定功能。設計中應用同步器解決了雙時鐘域問題；用總長度寄存器，實現了多事務DMA控制，減少了塊傳輸的中斷次數；采用外部不可見的乒乓機制的緩存，減小了USB和AHB的數據相關性，提高了IP效率。

　　在DC下綜合后速度能達到150 MHz，給后端設計留下充分余地。本IP按計劃已經投入實際使用；但也有需要改進的地方，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的控制相關性以及等待時間。