2.3 USB 设备控制器的设计

USB 设备控制器是设计的重点部分，是本论文介绍的重点，总体的模块划分如图2 所示；

2.3.1 收发器的设计

USB 收发器作为USB 接口的模拟前端主要把主机发送过来的模拟信号转换成数字信号VP、VM 传到数字锁相环或把协议引擎发送过来的VP0、VM0 数字信号转换成模拟信号，并完成串并和并串的转换；

收发器的模型如图3所示，Dplus为正相USB差分数据线，Dminu为负相USB差分数据线，两者都是双向的。 OEn为USB发送使能，为低时作为发送功能，单相输出口被置为高阻，为高时作为接收功能，单相输入口被置为高阻。

2.3.2 Dpll（数字锁相环）模块

数字锁相环实现时钟恢复、分频及同步时钟；该模块用外部的6M时钟CLK进行分频，产生1.5M的USB系统时钟，以及把收发器产生的差分信号和并行信号进行锁相，避免产生亚稳态。

2.3.3 SIE（串行接口引擎）模块

SIE是USB控制器的主要模块；实现协议层的功能、信息包的解析和组合、同步信号识别、位填充和位 剥离、NRZI(非归零反转)的编码和解码、同步字段和包结束码的检测和生成、CRC5、CRC16校验等功能；图 4是设备接收主机发送数据时的状态机。

从图4可以看出设备在没有数据传输时处于空闲态，低速设备空闲时D+、D-处于J态，当有K态到来时 进入状态转换；以KJKJKK为同步位，同步字段里的最后的2位是同步字段结束的记号，并且标志了包标识 符（PID，Packet Identifier）的开始。然后根据不同的PID分别进入地址态或数据态， 紧跟在地址态后面的 是端点态，因为地址和端点分别是有7位和4位构成共11位，所以只要5位CRC校验就可以了，CRC校验完后就要结束此次的包传输，USB协议中以2个SE0态和一个J态来表示包的结束。在数据态判断是否为SE0态， SE0态表示8个字节的数据都发送完毕，因为非SE0态即J、K态都表示工作态，所以在数据态中如果总线上没有SE0到来就一直接收数据。

2.3.4 ENDPCTL（端点控制）模块

设计中用到两个端点，端点0和端点1。端点0是半双工传输，主要是在设备的枚举过程中用于控制传输， 端点1是在枚举完成后的中断传输中用设备和主机之间的数据传输。由于中断传输主要是通过端点1输入， 但也有少许输出（如键盘的LED灯输出），我们为了节省资源，所以由端点0完成少许的输出。

2.3.5 BUFCTL（缓冲器控制）模块

缓冲器控制模块是USB和SRAM及ROM的连接桥梁，在主机要求输入数据的IN token状态时，控制器 从SRAM或ROM中取出数据送给主机或主机输出数据的OUT token状态时，控制器把接收到的数据存放在 SRAM中，它主要根据串行接口引擎SIE的接收或发送准备信号来控制读写信号，保证数据能正确传输。 USB与MCU共享通用寄存器区，usbREQUST为来自USB的请求访问存储器信号，usbADDR为USB访问存储器的地址信号，usbADDR[11:8]不等于零时属于USB访问程序存储器的地址空间。当USB与MCU同时访问数据存储器（SRAM）时，MCU具有优先权。