USB OTG的IP Core设计与FPGA验证

3 USB OTG IP核的特性讨论
3．1 连接状态的检测
当上电复位后进入空闲状态，开始USB会话。首先需要等待一段时间(最多50 ms)，OTG控制器会检测输入ID线的电平，以确定自己是A设备还是B设备，高电平表示B设备，低电平表示A设备。对于A设备，IP核会等待电源线Vbus上的电平上升到符合USB会话的4．4 V最低电平要求，具体的操作就是通过UTMI+接口的DrvVbus信号控制PHY对Vbus电源线充电，以提供USB总线工作用的电源；对于B设备，则根据是否正在作SRP请求而实现SRP协议或者进入数据传输。当Vbus电源线上的电平满足要求时，A设备等待B设备连入USB总线。作为主机的A设备的DpPulldown和Dm―Pulldown在开始会话后始终保持高电平状态，如果B设备没有连上，则2条USB数据线DP和DM呈现SE0状态；而当B设备连上USB总线时，DP和DM会呈现J态或者K态。根据这一特点，A设备就可以判断出是否有B设备连入USB总线。
3．2 SRP协议的实现
当设备进入SRP协议实现时，B设备等待SRP操作的初始条件，即通过UTMI+接口的DischrgVbus信号加速SRP条件的满足。当初始条件都满足后，B设备通过UTMI+接口的信号XcvrSelect、TermSelect、DpPulldown和DmPulldown实现对PHY的控制，使之向DP线上发出驱动脉冲。持续5～10 ms后，B设备又通过UTMI+接口的信号ChrgVbus控制PHY向Vbus上发出驱动脉冲，该驱动脉冲需要持续足够长的时间以使Vbus电源线被充电到2．1 V。驱动完成后，回到空闲状态，进而等待A设备对SRP作出响应。如果A设备识别到了B设备的SRP，则会开始USB会话，否则本次SRP失败。
3．3 HNP协议的实现
不妨假设A设备当前处于主机状态，而B设备处于从设备状态。此时，B设备需要通过HNP取得USB主机地位，过程如下：A设备通过发出挂起命令使得USB总线准备进入挂起状态。B设备首先由数据传输状态准备进入挂起状态。这时，B设备需要检查是否有HNP请求，如果有则开始等待A设备连接，否则正常地进入挂起状态。B设备在等待A设备配置时，A设备尚未完全进入挂起状态，当它进入挂起状态的同时会检查是否有B设备的断开中断。如果有，则说明B设备正在进行HNP操作，并且已经进入了等待A设备配置状态，接着A设备进入设备工作状态，从而使自己变为从设备。B设备检测到A设备的连接后，对USB总线进行复位，同时开始对A设备进行复位操作。B设备进入主机模式工作，而A设备则进入从设备模式工作。在B设备作为主机完成了对USB总线的使用后，再一次通过HNP将USB主机地位还给A设备，操作过程类似。

4 系统功能仿真
本设计采用硬件描述语言Verilog HDL完成RTL(寄存器传输级)的描述。寄存器传输级是指在数字系统设计时，可以将数字系统简单地看作是寄存器和寄存器之间的组合逻辑(cornbinational logic)。本设计使用Mentor公司的设计仿真软件ModelSimSE进行功能仿真。应用Verilog HDL语言搭建测试平台，通过仿真工具，设计者对各设计层次的设计模块进行仿真，以确定这些设计模块的功能和逻辑关系是否满足设计要求。

在设计的验证阶段，将包含该设计的2个USB OTG IP核直连，并让这2个IP核工作在不同的工作状态，即一个工作在A设备模式，另一个工作在B设备模式。这样，A设备就可以作为B设备的激励源，通过A设备发出一系列测试信号，比如向B设备发出复位信号以及SRP和HNP协议请求，发送SOF标志信号和配置信息等。然后观察B设备是否对这些命令或者信号做出正确的响应。通过这样的程序来验证该IP核是否具有双功能和对USB协议的支持情况。仿真的部分结果如图2所示。

5 FPGA验证
FPGA是一种可编程逻辑器件，可进行多次编程操作，使器件根据不同的需求实现不同的功能。随着微电子技术的发展，FPGA的性能不断提高，很多设计已经完全可以由FPGA来完成。目前，在ASIC设计中一个重要的验证手段就是通过FPGA进行硬件仿真，以保证设计的可靠性。FPGA芯片是整个验证系统的核心，它包含了USB OTG IP核和相关的控制模块。因为用Verilog语言来实现控制模块的功能，所以将它和USB OTG IP核一起综合然后下载到FPGA中进行测试。
FPGA选用AItera公司的Cyclone系列芯片，具体型号是EPlCl2Q240C8；物理层模拟部分选用Philips公司的产品ISPl301；存储器SRAM选用ISSI公司的IS63LVl024―12J。复位电路用来产生上电复位信号，也可以在系统正常工作时，通过按键开关产生复位信号。此复位信号提供给USB IP核作为系统复位。系统的布局布线采用的是Altera公司的QHartusII 6．0。
验证过程分成2个部分来分别验证主机模式和设备模式。当USB 0TG IP核工作在主机模式时，直接用U盘与IP核进行连接，通过编写的底层驱动可以识别出U盘。在完成对U盘的驱动后，成功地进行了数据传输，最后正确地断开连接。当IP核工作在设备模式时，IP核作为USB从设备接入电脑主机的USB接口。通过安装新的驱动，电脑主机可以识别出该USB设备，完成对该设备的驱动后，同样可以正确地进行数据传输，并安全地移除该设备。验证的结果表明，该USB 0TG IP核的主机和从设备功能均能正常工作，达到了预期的设计要求。

结 语
FPGA验证的结果表明，USB OTG IP核在功能和时序上符合USB2．0标准和OTGl．Oa补充规范的协议要求，具备了主机功能和设备功能，达到了设计的预期目标。另外，完成的USB OTG IP核支持UTMI+接口，可以广泛应用于包含USB功能的SoC开发。