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。

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。

3 系统验证环境

在完成了Verilog 代码设计后，我们进行了仿真、综合验证，前仿用Modelsim、综合用Synplify Pro、 综合后仿真用Cadence 中的NC_Verilog,主要由于NC_Verilog 在后仿中的速度要优于Modelsim，提高了效 率；图5 是用NC_Verilog 仿真设备的枚举过程；

任何USB 的数据传输都是建立在成功通过枚举的基础上的，只有正确完成了枚举，USB 主机和设备之 间的通信才正在建立起来。所以枚举是USB 通信的最关键的一步。在验证过程中模拟了PC 主机向设备发送 各种命令来完成枚举。在图5 中pid[3:0]中D、3、9、2、1、B 分别表示Setup、DATA0、IN、Ack、Out、 DATA1。当设备插上PC 时主机会持续的SE0 来复位设备，这时设备的地址默认为00，然后主机第一次发送 Setup 包来获取设备的前8 个设备描述符，当设备成功返回数据后，主机第二次发送Setup 包来给设备配 置地址，从图中faddr[7:0]可以看出我们给设备配置的地址为02，在这以后主机都是通过这个地址向设备 获取全部的18 个设备描述符和全部的配置描述符集，在取完这些描述符后主机对设备进行配置，主机就识 别出设备了。

4 结论

本文描述了自主研发的MCU+USB设备控制器的设计思路。用Verilog语言对其进行了RTL级描述。用 Modelsim进行前仿验证，并在Cadence公司的NC_Verilog上通过了综合后仿验证。为了进一步验证设计的正 确性，本项目选择了XILINX公司的Virtex xc2s2006pq208芯片及XC18V02的存储器，并把上述IP核综合到此 FPGA上加以验证。综合结果表明，协议层模块占用了1672个Slice(71%)，652个Slice Registers(13%)，2870个4 input LUTs(61%)，51个bonded IOBs（36%）。使用上华工艺，该芯片已经流片返回了，并通过demo 板连接到PC上，PC可以检测出为人体输入学设备，说明该芯片完全符合制定的设计要求。