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基于FPGA的USB2.0控制器設(shè)計(jì)
摘要：介紹了一種用VHDL設(shè)計(jì)USB2.0功能控制器的方法，詳術(shù)了其原理和設(shè)計(jì)思想，并在FPGA上予以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：USB VHDL FPGA
在視頻存儲和圖像寬帶領(lǐng)域中，經(jīng)常遇到實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?000年4月，由Intel、Microsoft、NEC、Compaq、Lucent、Phillips等公司共同制訂的USB2.0（Universal Serial Bus）傳輸協(xié)議，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前使用IEEE1394接口進(jìn)行視頻傳輸?shù)?00Mbps，達(dá)到了480Mbps；而且具有即插即用的PnP（Plug And Play）、可進(jìn)行菊花鏈?zhǔn)降募壜?lián)（通過USB HUB進(jìn)行外圍擴(kuò)展）、可串連多達(dá)127個USB設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用該協(xié)議可支持實(shí)時(shí)語音、音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸。
本文針對高速數(shù)據(jù)傳輸需求，根據(jù)USB2.0的協(xié)議規(guī)范，利用VHDL語言實(shí)現(xiàn)符合該協(xié)議的功能控制器，在視頻壓解系統(tǒng)中使數(shù)據(jù)在PC與外設(shè)之間高速傳輸。如圖1所示由視頻A/D采集的原始視頻數(shù)據(jù)，在Philips公司生產(chǎn)的TM1300專用視頻處理器中壓縮后，通過USB控制器送至PC機(jī)。PC機(jī)的整個通過USB控制器傳輸?shù)絋M1300，解壓后發(fā)送至視頻D/A。
1 控制器結(jié)構(gòu)原理
USB2.0控制器結(jié)構(gòu)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(shè)的接口，另一個是內(nèi)部協(xié)議層邏輯PL（Protocol Layer）。內(nèi)部存儲器仲裁器實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部DMA和外部總線對存儲器訪問之間的仲裁。PL則實(shí)現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)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(tài)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(guī)范定義。
2 控制器實(shí)現(xiàn)
控制器接口的信號框圖如圖3所示。存儲器采用標(biāo)準(zhǔn)的單口SRAM，其信號接口由32位數(shù)據(jù)線SRAM_DATA、15位地址線SRAM_ADDR及讀寫信號（SRAM_WE和SRAM_RD）組成，系統(tǒng)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(shù)據(jù)線DATA、18位地址線ADDR以及DMA請求和響應(yīng)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(nèi)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(shí)選擇緩沖存儲器，否則選擇內(nèi)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(fā)送數(shù)據(jù)相關(guān)的信號（TxValid、TxReady等），與接收數(shù)據(jù)相關(guān)的信號（RxActive、RxValid、RxError等）以及16位雙向數(shù)據(jù)線。
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