鄧佳偉，張梅娟，王 琪，楊楚瑋，應(yīng)凌楷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十八研究所CPU 研究室，江蘇 無(wú)錫 214062)

0 引言

傳統(tǒng)USB2.0 協(xié)議最大帶寬480 Mb/s，USB2.0 已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，USB3.0 作為新一代高速接口，不但兼容USB2.0 協(xié)議，而且在低速、全速、高速的三種傳輸模式基礎(chǔ)上增加了一種超高速模式。USB3.0 工作單元擁有兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，一對(duì)通道用于傳輸速率可高達(dá)5 Gb/s 的超高速數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還有一對(duì)通道用于支持USB2.0 的數(shù)據(jù)通信。

PowerPC 架構(gòu)是一種精簡(jiǎn)指令集(RISC)架構(gòu)，其原始的設(shè)計(jì)源自IBM 的POWER RISC 架構(gòu)。PowerPC 架構(gòu)處理器有著廣泛的應(yīng)用，主要集中在服務(wù)器CPU 和嵌入式CPU 市場(chǎng)。PowerPC 在嵌入式處理器上表現(xiàn)非常優(yōu)異，不僅具備高性能，低功耗以及較低散熱量等特點(diǎn)，而且資源豐富，能夠滿(mǎn)足各類(lèi)需求。

芯片驗(yàn)證主要為了驗(yàn)證研制芯片的功能性，驗(yàn)證其各功能設(shè)計(jì)正確。驗(yàn)證的方法有很多，主要有基于事件的驗(yàn)證、基于周期的模擬驗(yàn)證、基于事務(wù)的驗(yàn)證、軟硬件協(xié)同驗(yàn)證、驗(yàn)證仿真器驗(yàn)證和形式驗(yàn)證等。基于軟硬件系統(tǒng)驗(yàn)證[1-2]是將軟硬件同時(shí)集成并加以驗(yàn)證，驗(yàn)證人員直接在芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中參與，在硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)上運(yùn)行軟件。協(xié)同驗(yàn)證中驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)采用真實(shí)的輸入激勵(lì)來(lái)模擬，減少了驗(yàn)證平臺(tái)和芯片差異性[3]，但由于驗(yàn)證平臺(tái)一般的模擬速度不夠快等問(wèn)題，系統(tǒng)驗(yàn)證提供不了足夠高的性能，特別在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上運(yùn)行各種應(yīng)用。

本方案主要使用的是軟硬件協(xié)同驗(yàn)證，通過(guò)Xilinx的VCU118 的驗(yàn)證硬件平臺(tái)，Linux4.1.8 操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，協(xié)同配合高效能地完成了方案設(shè)計(jì)，證實(shí)了方案的可行性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本方案中驗(yàn)證平臺(tái)FPGA 包含一個(gè)PowperPC 處理器IP 邏輯，一個(gè)USB3.0 IP 邏輯。各邏輯單元的功能如下。

PowerPC 處理器IP 邏輯單元：基于PowerPC 指令集的一款處理器內(nèi)核。其主頻支持最高達(dá)1.2 GHz。

USB 控制器IP 邏輯單元：USB 控制器邏輯內(nèi)部包含USB3.0 和USB2.0 兩部分。其中USB3.0 控制器邏輯支持最高可達(dá)5 Gb/s 的傳輸速率，USB2.0 控制器邏輯支持最高到480 Mb/s 的傳輸速率。IP 核內(nèi)包括了AHB(Advanced High Performance Bus)總線接口、USB 控制器、發(fā)送接收緩存和USB3.0 和USB2.0 的物理層PHY(Port Physical Layer)。

圖1 為整體IP 邏輯方案設(shè)計(jì)圖。

圖1 整體IP 邏輯方案設(shè)計(jì)圖

1.1 邏輯單元接口設(shè)計(jì)

本方案的接口主要有處理器和USB 控制器之間的接口、USB 控制器和物理層PHY 的接口。

(1)USB3.0 控制器和PowerPC 接口

PowerPC 處理器IP 邏輯和USB 控制器邏輯通過(guò)AXI(Advanced Extensible Interface)/AHB 總線協(xié)議連接。

PowerPC 處理器IP 邏輯通過(guò)AXI 總線連接到AXIAHB 轉(zhuǎn)換橋，橋和USB3.0 控制器的AHB 接口連接。AHB總線通過(guò)Master 和Slave 兩路數(shù)據(jù)通道連接到USB3.0的控制器上，Master 總線用作DMA 通道，提供給CPU 和USB 設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，Slave 總線用作讀寫(xiě)USB 控制和狀態(tài)寄存器和通過(guò)SRAM 進(jìn)行調(diào)試[4]。

(2)USB 控制器邏輯和PHY 的標(biāo)準(zhǔn)接口

USB3.0 控制器邏輯和物理層PHY 通過(guò)PIPE3(Physical Interface for PCI Expressc)。USB2.0 控制器邏輯通過(guò)UTMI+(USB2.0 Transceiver Macrocell Interface)/ULPI (UTMI+Low Pin Interface)標(biāo)準(zhǔn)接口連接。

1.2 USB IP 設(shè)計(jì)

USB3.0 設(shè)備控制器IP 設(shè)計(jì)如圖2 所示，主要分為六部分：USB 通信功能單元、時(shí)鐘單元、復(fù)位單元、同步單元、應(yīng)用接口單元和PHY 單元。各單元功能如表1 所示。USB 設(shè)備控制器時(shí)鐘單元模塊負(fù)責(zé)內(nèi)部時(shí)鐘、復(fù)位單位負(fù)責(zé)復(fù)位的管理。應(yīng)用接口單元負(fù)責(zé)控制器功能模塊和系統(tǒng)之間的通信。USB 通信功能單元主要負(fù)責(zé)完成USB 的高速和超高速協(xié)議分析[5]。同步單元的作用是應(yīng)用接口單元與USB 通信功能模塊的工作時(shí)鐘在不同的時(shí)鐘域，通過(guò)同步單元進(jìn)行時(shí)鐘同步，PHY 單元負(fù)責(zé)和硬件通信。

圖2 USB3.0 設(shè)備控制器IP 核設(shè)計(jì)

表1 USB IP 內(nèi)部單元

同步單元中包含了多路數(shù)據(jù)選擇器，其根據(jù)USB 工作的速度模式來(lái)決定數(shù)據(jù)流走向[6-8]。

數(shù)據(jù)可以分流到USB2.0 或者USB3.0 的數(shù)據(jù)鏈路上。USB3.0協(xié)議向下兼容USB2.0協(xié)議。因此USB3.0 設(shè)備控制器應(yīng)實(shí)現(xiàn)高速和超高速兩部分。USB3.0 實(shí)現(xiàn)了超高速部分的協(xié)議層和鏈路層[9]。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的PIPE3 接口與第三方物理層相連完成超高速功能。USB2.0 實(shí)現(xiàn)了全速及以下的傳輸層協(xié)議。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的UTMI 或者ULPI 連接到內(nèi)置PHY 上。最后通過(guò)PHY 直接和對(duì)端設(shè)備連接[10-11]。

2 軟件架構(gòu)

Linux 下USB 驅(qū)動(dòng)分為HOST(主機(jī))端和DEVICE(設(shè)備)端，圖3 為USB 的Linux 驅(qū)動(dòng)框架。

圖3 Linux USB 程序框架圖

2.1 主機(jī)端驅(qū)動(dòng)

Linux 的USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)分為兩部分：主機(jī)端驅(qū)動(dòng)和設(shè)備端驅(qū)動(dòng)。

主機(jī)端驅(qū)動(dòng)包括USB devcie driver 驅(qū)動(dòng)、USB Core驅(qū)動(dòng)、USB HCD 驅(qū)動(dòng)。

(1)USB device driver 驅(qū)動(dòng)：管理USB 設(shè)備和主機(jī)通信。

(2)USB Core 驅(qū)動(dòng)：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，提供一個(gè)USB device driver 驅(qū)動(dòng)訪問(wèn)和控制USB 硬件的接口，不用考慮系統(tǒng)當(dāng)前使用哪種處理器架構(gòu)。USB Core 將應(yīng)用的請(qǐng)求反饋到相關(guān)的HCD 驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用不能直接訪問(wèn)HCD。

(3)USB HCD 驅(qū)動(dòng)：主機(jī)控制器之上運(yùn)行的是HCD，是對(duì)主機(jī)控制器硬件的一個(gè)抽象，USB HCD 有多種USB 接口協(xié)議規(guī)范。

①UHCI：Intel 提供，通用主機(jī)控制接口，支持協(xié)議USB1.0/1.1；

②OHCI：微軟提供，開(kāi)放主機(jī)控制接口，支持協(xié)議USB1.0/1.1；

③EHCI：增強(qiáng)主機(jī)控制接口，支持協(xié)議USB2.0；

④XHCI：支持協(xié)議USB3.0，同時(shí)兼容USB2.0 以下版本。

2.2 設(shè)備端驅(qū)動(dòng)

設(shè)備端驅(qū)動(dòng)包括：Gadget Function API 驅(qū)動(dòng)、Gadget Funtion 驅(qū) 動(dòng)、UDC 驅(qū) 動(dòng)。

(1)Gadget Function API：USB 從設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用USB Core 的API。

(2)Gadget Function 驅(qū)動(dòng)：Function 驅(qū)動(dòng)調(diào)用通用的Gadget Function API。

(3)USB 設(shè)備端 UDC 驅(qū)動(dòng)：作為其他USB 主機(jī)控制器外設(shè)的USB 硬件設(shè)備上底層硬件控制器的驅(qū)動(dòng)。

3 具體驗(yàn)證方案實(shí)現(xiàn)

3.1 驗(yàn)證整體方案

本方案使用的驗(yàn)證平臺(tái)為Xilinx 的VCU118 開(kāi)發(fā)板卡。驗(yàn)證整體方案如圖4 所示。VCU118 板卡上拓展了JTAG 子板、自研USB/DDR 子板。VCU118 開(kāi)發(fā)板上擁有多個(gè)接口，JTAG 接口用來(lái)從上位機(jī)下載FPGA 邏輯文件文件固化到FPGA 上。UART 接口用來(lái)和上位機(jī)電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，顯示系統(tǒng)輸出打印。SD 接口用來(lái)對(duì)接SD卡，UBOOT 程序和Linux 內(nèi)核程序固化放在SD 卡中。USB 接口用來(lái)拓展USB 子板，該子板上有U 盤(pán)插槽用來(lái)插入U(xiǎn) 盤(pán)。DDR 接口用來(lái)對(duì)接擴(kuò)展DDR 內(nèi)存，系統(tǒng)上電后從SD 卡中讀取Linux 系統(tǒng)到DDR 上運(yùn)行。

圖4 驗(yàn)證整體方案圖

3.2 驗(yàn)證過(guò)程

具體的驗(yàn)證過(guò)程如下：

(1)Xilinx 開(kāi)發(fā)工具系統(tǒng)綜合生成SOC 的邏輯文件；

(2)通過(guò)Xilinx 下載器將邏輯文件通過(guò)JTAG 下載到FPGA 驗(yàn)證平臺(tái)；

(3)熱復(fù)位驗(yàn)證平臺(tái)；

(4)驗(yàn)證平臺(tái)熱復(fù)位后，SD 接口將存在SD 卡中Linux的BOOT 程序和Linux 內(nèi)核程序下載到DDR 存儲(chǔ)上；

(5)程序從DDR 開(kāi)始運(yùn)行；

(6)等待Linux 系統(tǒng)完全啟動(dòng)；

(7)上位機(jī)通過(guò)UART 接口和連接驗(yàn)證平臺(tái)，上位機(jī)通過(guò)控制臺(tái)操作Linux 系統(tǒng)的交互界面；

(8)控制臺(tái)通過(guò)測(cè)試工具，測(cè)試USB2.0 和USB3.0 的大型存儲(chǔ)設(shè)備；

(9)查看能否啟動(dòng)USB 設(shè)備，能否正常讀寫(xiě)設(shè)備。

3.3 Linux 驅(qū)動(dòng)適配

本方案的Linux 內(nèi)核版本為4.1.5，主要修改的是HCD驅(qū)動(dòng)程序，由于驗(yàn)證的是USB3.0 及其以下版本，因此用的是XHCI 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)修改XHCI 對(duì)接的HOST 控制器代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)適配PowerPC 處理器主控制器[12]。

xhci_plat_init 函數(shù)完成了xhci 驅(qū)動(dòng)的初始化，在其調(diào)用的xhci_init_driver 函數(shù)中xhci_plat_hc_driver 的參數(shù)是需要修改的主要結(jié)構(gòu)體。在該結(jié)構(gòu)體下，主要完成的是對(duì)USB 主控制器的抽象。程序主要工作就是適配主控制器到該結(jié)構(gòu)體中[13-15]。

4 驗(yàn)證平臺(tái)具體設(shè)計(jì)與驗(yàn)證結(jié)果

4.1 驗(yàn)證平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)使用Xlinux 公司的VCU 118 開(kāi)發(fā)套件平臺(tái)和自研設(shè)計(jì)的USB3.0 拓展子卡驗(yàn)證USB3.0 的IP 設(shè)計(jì)。

圖5 為整個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和拓展子卡的連接方式，圖中位置1 為JTAG 的位置；位置2 為自研USB 插槽；位置3的背面是SD 卡外部存儲(chǔ)插槽；位置4 為UART 接口位置；位置5 為下載器調(diào)試接口；位置6 的背板上有DDR顆粒。

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

當(dāng)設(shè)計(jì)調(diào)試完成后，將PowerPC 架構(gòu)下的USB3.0的IP 邏輯文件燒錄到驗(yàn)證平臺(tái)卡中。將VCU118 平臺(tái)通過(guò)撥碼切換到SD 卡啟動(dòng)方式。Linux 相關(guān)程序下載到DDR 中。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過(guò)上位機(jī)控制臺(tái)和UART串口訪問(wèn)平臺(tái)，USB2.0 和USB3.03.0 的U 盤(pán)插入U(xiǎn)SB子卡，在控制臺(tái)輸入各種命令查看USB 在位情況。通過(guò)格式化U 盤(pán)，寫(xiě)入文件來(lái)驗(yàn)證USB3.0 傳輸單元設(shè)計(jì)成功。

4.2 驗(yàn)證結(jié)果分析

USB2.0 U 盤(pán)插入顯示：圖6 中框內(nèi)就是USB2.0的U 盤(pán)。

圖6 USB2.0 枚舉

USB3.0U 盤(pán)插入顯示：圖7 中框內(nèi)就是USB3.0 的U 盤(pán)。

圖7 USB3.0 枚舉

當(dāng)U 盤(pán)插入到插槽后，內(nèi)核打印如圖8 所示。

圖8 USB 設(shè)備枚舉內(nèi)核打印

通過(guò)Linux 系統(tǒng)給U 盤(pán)制作文件系統(tǒng)，如圖9 所示。

圖9 USB 設(shè)備操作

通過(guò)測(cè)試可以看到，U 盤(pán)插入到插槽后，可以在內(nèi)核的輸出打印上看到U 盤(pán)的相關(guān)信息，說(shuō)明U 盤(pán)已經(jīng)被系統(tǒng)識(shí)別。U 盤(pán)可以正常地格式化，在U 盤(pán)格式化過(guò)程中，會(huì)在內(nèi)核中操作USB 主控制器，可以成功地在驗(yàn)證平臺(tái)上運(yùn)行和格式化U 盤(pán)，說(shuō)明在PowerPC 架構(gòu)下的USB3.0 已經(jīng)可以正常工作。

5 結(jié)論

隨著USB3.0 設(shè)備的廣泛應(yīng)用，大量的高傳輸、大容量傳輸場(chǎng)景涌現(xiàn)，為了適應(yīng)更高傳輸速率的USB 設(shè)備，各類(lèi)處理器的USB 控制器也將升級(jí)到USB3.0 標(biāo)準(zhǔn)。

本方案集合PowerPC 處理器和USB3.0 的IP 核，通過(guò)Xilinx 的VCU118 開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證了PowerPC 架構(gòu)下USB3.0 的可行性，有效彌補(bǔ)了原USB2.0 控制器速率低、容量小、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，驗(yàn)證方式采用了先進(jìn)的軟硬件協(xié)作驗(yàn)證方式，為下一步芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了有效技術(shù)支撐。