基于FPGA的极速USB3.0 HUB设计方案

发布时间:2014-09-9 阅读量:1285 来源: 我爱方案网 作者:

【导读】USB总线是目前最为成功,应用最为广泛的外设接口。随着科技的进步与发展,USB接口规范也需要相应地进行不断地更新和升级。USB3.0在USB2.0的基础上增加了新的电源管理功能,采用全双工数据通信,提供更快的传输速度,最高理论速度达到了5Gbit/s,并且向下兼容USB2.0和USB1.1设备。

USB体系主要包括三个部分:主机,设备和物理连接。主机通常是PC或者主机控制器;设备是指常用的U盘、带USB的摄像头、相机等设备;物理连接就是通 常用的传输线,在USB3.0系统中,采用了对偶单纯形四线制差分信号线,因此可以支持双向并发数据流传输,这也是USB3.0相比于USB2.0设备速 度提升的关键因素。

HUB是USB系统中的重要组成部分,且能够应用在大多数操作系统,它是建立主机与USB设备之间的桥梁。作为一类特殊的USB设备,可以同时将一个接口转换为多个接口,为用户提供了效率和便捷。

1  USB3.0 HUB的简介

1.1  USB3.0 HUB的基本组成

根据最新USB3.0的协议规定,USB3.0 HUB主要由Super Speed HUB,Vbus Control Logic,USB2.0 HUB以及上下行端口组成。由于USB3.0是向下兼容的,所以它有完整的USB2.0 HUB设计,而Super Speed HUB部分就是USB3.0 HUB区别于USB2.0 HUB的主要部分。USB3.0 HUB基本结构如图1所示。

USB3.0 HUB的基本结构 
图1 USB3.0 HUB的基本结构

1.2  USB3.0集线器的功能

USB3.0 HUB是USB系统中的重要部分,它的基本功能如下:

1)  基本连接功能。

2)  电源管理功能。USB3.0能够提供900mA的电源,这样就可以给那些连接USB3.0的设备更快更好地完成充电。由于新的接口提供了额外的两条线,900mA的电力支持能够驱动无线适配器,这样在900mA的高电力支持下可以摆脱靠线缆连接的必要性。在大量数据传输的同时,空闲的设备可以自动进 入低功耗状态,给正在传输的设备提供更好更快的性能支持。

3)  设备连接和断开检测。

4)  总线的错误检测和恢复。

5)  HUB3.0的自动挂起和恢复功能。

6)  向下兼容,下行端口同时支持高/低/全速设备。

 
2  Super Speed HUB的设计

USB3.0 HUB是一种便携的低成本的USB3.0扩展接口,它的下行端口面向USB设备,上行端口面向PC主机或者嵌入式主机控制器,速度由上行端口的主机来决 定,同时它在下行端口给设备提供连接和断开的检测,根据USB3.0最新协议规范,要实现上节所述各项功能设计。Super Speed HUB的整体构架如图2所示,包括SIE、控制、处理转换、中继、路由、AES加解密等部分。
USB3.0 HUB的整体构架
图2 USB3.0 HUB的整体构架
 
2.1  SIE(Serial Interface Engine)模块

Super Speed HUB中的SIE模块处理USB规范中物理层和协议层的协议解析,它主要实现包的识别与产生、比特填充和提取、时钟与数据分离、NRZI编码和解码、 PID(包标识符)的产生和检测、CRC校验码的识别和产生、地址检测等。

SIE模块设计中,分为SIE_PL和SIE_FUC两个部分。SIE_PL模块负责数据包的解析与组织,PID(包标识符)产生与检测、CRC校验识别与产生、地址检测等。SIE_FUC模块主要实现SIE模块与MCU的接口逻辑功能。另外,为了使本系统设计更加稳定,SIE模块中采用跨时钟域的设计,一个是本地的48MHz的全局时钟,另外一个是USB主机从接收到的数据流中采样接收的12MHz数据时钟(即将48MHz本地全局时钟4分频得到)。SIE模块设计框图如图3所示。

SIE模块设计框图
图3 SIE模块设计框图

2.2  HUB控制器模块

HUB控制器主要完成HUB的管理及控制,实现与主机的交互。主机端通过类请求与HUB控制器模块通信,取得HUB端口的描述符,并且完成USB HUB及其下行端口的管理和控制。主机通过向端点0发送类请求和标准请求来实现HUB的枚举过程。

 
2.3  AES模块

AES 是一种基于置换和代替的算法,它实现加解密功能。在USB3.0 Super Speed模式下,根据用户的需求,当数据从上行端口向下行端口传输时,对数据进行加密,以防止信息窃取。同样,在数据由下行端口向上行端口传输时实现其 解密过程。AES算法加解密过程如图4所示。
AES算法加解密过程
图4 AES算法加解密过程

在加解密的过程中,由于USB3.0 HUB的传输速度可达到3200Mbit/s,但AES的加解密IP在250MHz的吞吐率下最高速率只能达到2400Mbit/s,因此在加解密的过程中需要2个AES来实现其功能。图5是USB3.0 AES加密原理图。

从图中可以看到上行端口会向EM_A发送奇数128bit数据,向EM_B发送偶数128bit数据,同时,Mem_buf模块也会轮 询地从EM_A模块和EM_B模块接受数据。而在以前的USB2.0的模式下,数据位宽只有8bit,全速的带宽为480Mbit/s,所以只需要1个 AES就可以。
AES算法加密原理图
图5 AES算法加密原理图

2.4  ROUTING模块

ROUTING模块即路由逻辑模块,它的作用是根据连接到下行端口设备的速 度来决定将下行端口连接到中继模块还是连接到TT模块。由于在USB3.0HUB的上行端口中的速度是高速的,而下行端口则不确定为高速、全速或者低速, 所以当下行端口设备的速度为高速时,ROUTING模块连接到中继模块,如果下行端口设备的速度为全速或者低速时就连接到TT模块。

2.5  Repeater中继模块

集 线器中继模块在HUB的数据转发中起到建立和拆除上行端口和下行端口之间的连接,并且处理集线器的挂起和唤醒的作用。中继器把上行端口的数据发送到下行端 口,把下行端口的数据发送到上行端口,并且要用本地时钟来从端口上发送和接受数据。它以数据包为单位控制端口的建立和连接以及HUB的唤醒和挂起。如图6 所示为Repeater的连接状态机。
Repeater的连接状态机
图6 Repeater的连接状态机

2.6  PHY模块

PHY模型就是通常所说的USB物理收发器模型,它的作用是实现数据的串并转换。因为在上行端口是并行数据,而在面向设备和电缆中的下行端口是串行数据。

2.7  TT处理转换器


TT 模块的作用是完成传输事务转发和速度的匹配。当上行端口在高速环境下运行而下行端口在全速或者低速下运行时,TT处理转换器就是将高速事务转换成低速事 务。由于要满足速度的匹配,因此TT处理器必须采用缓存的方式来存储,在缓存的上行端口是一个高速处理器,用来处理高速数据的收发;缓存的下行端口是全速 和低速处理器,用来处理全/低速数据的接受和发送。

 
3  FPGA仿真与验证

为了更好地完成仿真和验证,采用ModelsimSE和Navos公司的 Debussy软件。首先搭建仿真环境,包括编译测试文件、仿真调用文件、引导文件、宏定义文件以及激励文件。首先将C语言的驱动程序在Linux环境下转换为二进制的kvout激励文件,把二进制的kvout文件存储在外挂的Flash中然后再存储到内置的RAM中,使其成为发出指令的源头;同时 USBDevice的行为级模型也会装载部分命令以达到仿真的目的。如图7所示为USB3.0HUB高速数据批量传输仿真结果。
USB3.0HUB高速数据批量传输仿真
图7 USB3.0HUB高速数据批量传输仿真
 
图中数据包的总大小为4096byte,rst_n为系统复位信号,clk30为主机端12M时钟,pci_clk为本地时钟,cpu_datao是从主机发送出的数据,utm0_data,utm1_data,utm2_data,utm3_data分别为经过USB3.0HUB扩展后的4路高速信 号,Utm_rxready,utm_rxvalid,utm_rxactive分别为端口的控制信号。

为了加强整个设计的可靠性,必须进行FPGA验证,FPGA验证选择的是Altera的StratixIIS180开发板,采用QuartusII将RTL级的 verilog代码进行变异并且综合成网表,然后通过USB-blaster下载线下载到FPGA测试版中,另外激励文件是在Linux环境下编译产生 的,并且通过EJTAG下载到测试版中。把激励文件下载到FPGA板子中后,把HUB的上行端口连接到USB的主机,此时如果主机检查出有USB HUB连接,会产生1个复位信号;在HUB复位后,USB主机向USB Device发送令牌包,并且对HUB进行枚举,主机识别出该HUB;当主机对USB3.0 HUB成功枚举后按照USB协议进行数据传输。

在传输速率上,可以通过USB3.0 HUB传输1个比较大的文件,并且用ATTO DISK BENCHMARK软件来测试其读写速度,通过ATTO可以显示出读取数据可以提高到1088Mbit/s,写入速度可以达到840Mbit /s(USB2.0 HUB的读写速度分别为240Mbit/s和184Mbit/s);很显然这个读写速度比USB2.0的提高了5~6倍。当然由于软件和硬件的各种原因, 这个实际的传输速度离其理论最大值5G bit/s有一定的差距,但已基本实现其高速传输的功能。

从verilog的功能仿真、时序仿真和FPGA验证表明,USB3.0 HUB基本实现了高速数据的传输,达到了预期效果。

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