MCU&USB设备控制器IP核的设计

　　1 引言

　　在传统的计算机系统上常采用串口(如RS232)和并口连接外围设备，但串口和并口都存在着通信速度慢，接口独占不利于扩展等无法克服的缺点，而通用串行总线(Universal Serial Bus，即USB)因具有传输速度快、支持热插拔、扩展方便、抗干扰强、成本低、数据传输质量高、节省系统资源等优点而得到了广泛的应用，当前它已成为计算机最常用的接口之一[1-3]。

　　现在USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机(MCU)和纯粹的USB接口芯片。纯粹的USB接口芯片仅处理USB通信，必须有个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。典型产品有PHILIPS公司的PDIUSBD11(I2C 接口)、PDIUSBD12(并行接口);NS公司的USBN9603/9*(并行接口)。带USB接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于USB控制的单片机;另一类是增加了USB接口的普通单片机，如Cypress 公司的EZ—USB(基于8051)，选择这类USB控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但价格比较高，不利于产品升级和改型[4-6]。

　　然而，国内产品中所用到的USB 芯片都依赖进口，主要由国外的IC 设计芯片厂商如Cypress，NEC 等一些国际著名公司提供。鉴于USB 芯片有很好的市场前景和利润空间，尽管国内企业或研究机构目前还只 是处于USB 芯片应用开发的技术水平，人们还是希望自主开发出有自主知识产权的USB 芯片[7-9].因此，近年来国内也有许多单位在探索独立设计USB 芯片。

　　本论文针对USB1.1 协议规范，本着自主开发USB 控制芯片，把MCU 和USB 设备控制器用软核的形式集成在一块芯片上，微控制器我们是用14 位指令字长度，且是单字节指令和单周期指令，其核心指令只有 39 条，容易掌握和设计，而且完全满足总体设计的要求。

　　2 MCU&USB 设备控制器工作原理及总体设计

　　整个设计的总体结构如图1 所示，差分信号线D+和D-连接主机，接收时主机发送的串行数据通过收 发器和USB 设备控制器解码和校验等处理后存储到相应的RAM 中;发送时由仲裁模块控制从RAM 或 ROM 中提取相应数据经过USB 设备控制器组合和收发器串行发送给主机。MCU 主要协助USB 控制器完 成设备和主机之间的数据传输。

　　2.1 MCU 的设计

　　MCU主要完成各种中断处理，而且协助控制器使主机检测和识别设备;设备刚插上PC时，MCU通过读取 ROM中的指令来初始化专用功能寄存器，使能全局中断GIE和USB中断USBint，使控制器能及时响应各种USB 中断;全局中断允许位GIE置位时，允许所有中断;清零时，禁止所有中断。当一个中断被响应时，GIE 位被清零以禁止其它中断，并装载中断服务程序，将中断返回地址压入堆栈。引起装载中断服务程序的中断标志位在重新允许GIE之前通过软件清零，以避免重复响应中断。在中断服务程序中，通过检测中断标志位可以判断中断源，各中断标志位的置位不受GIE的影响;在设备与主机通信过程中，MCU处理setup包、 in包、out包、ack、nak、stall包等的中断处理，我们规定了USB中断、定时器中断、外部中断、GPIO中断的中断入口地址分别为04H、08H、0CH、10H;MCU同时还对各功能寄存器进行相应的操作，比如写端点0的输入输出包允许的最大值，数据的触发位DSQ(即Data Toggle机制)等。