AXI USB 2.0设备IP Core指导手册（第一章）

IP Facts
一、介绍
AXI USB2.0设备核为用户设计提供一个USB接口。该接口适用于以USB为中心的高性能设计、桥接和遗留端口更换操作。

二、特性
1、基于AXI4规范的AXI接口。
2、可突变长度1到256拍与INCR类型传输。
3、可选的DMA模式，增加数据传输期间的吞吐量。
4、可选特性支持主接口上的非对齐传输。
5、支持高速和全速USB 2.0规范。
6、支持高速、高带宽的同步事务。
7、最多支持八个端点，包括一个控制端点0。端点1到7可以是大容量、中断或同步的。端点可单独配置。
8、每个端点有两个乒乓缓冲区(端点0除外)。
9、可选USB错误检测，更新错误计数，并产生错误中断。
10、支持ULPI (Universal Transceiver Macrocell Interface (UTMI) + Low Pin Interface)到外部USB PHY。
11、访问ULPI PHY寄存器和参数化ULPI PHY复位。
12、在低功耗模式可进行恢复和复位检测。
13、用远程唤醒信号从低功耗模式恢复主机。

Chapter 1
一、综述
USB2.0协议在一个单一的、半双工的串行总线上多路复用许多设备。该总线的运行速度为480 Mb/s(高速)或12 Mb/s(全速)，被设计为即插即用。主机总是控制总线，并向每个设备发送令牌，指定所需的操作。每个设备在USB 2.0总线上都有一个地址，并有一个或多个端点，这些端点是数据的源或接收器。所有设备都有系统控制端点(端点0)。

二、功能描述
AXI USB 2.0设备有八个端点:一个控制端点(端点0)和七个用户端点。与7个用户端点相比，端点0有不同的需求。端点0只处理控制事务，这些事务以一个8字节的setup package开始，然后跟随0个或多个data package。Setup package总是存储在双端口随机访问存储器(DRAM)中地址偏移为0x80的专用位置。当接收到setup package时，设置中断状态寄存器(ISR)的SETUPPkt位。Data package长度不超过64字节。这些data packages存储在单个双向数据缓冲区中，该缓冲区由端点0配置内存设置，位于DPRAM中的地址偏移0x0处。当data package成功发送或接收时，分别设置ISR中断状态寄存器的FIFOBufFree和FIFOBufRdy位。

AXI USB 2.0设备的七个用户端点可以配置为批量、中断或同步传输。此外，可以将端点配置为INPUT(针对主机)或OUTPUT(来自主机)。每个端点都有两个相同大小的乒乓缓冲区用于端点数据。用户端点数据缓冲区是单向的，由各自端点的端点配置和状态寄存器配置。对于批量传输，缓冲区的大小可以配置为0-512字节；对于中断传输，缓冲区的大小可以配置为64字节；对于同步传输，缓冲区的大小可以配置为1024字节。

带有AXI和ULPI接口的AXI USB2.0设备核如图1-1所示。

当主机试图向设备的一个端点发送数据时，它发送一个令牌，该令牌由OUT PID、设备地址和端点编号以及数据组成。当且仅当接收到令牌和数据时没有任何USB错误(如Bit Stuff、PID和CRC errors)，设备使用handshake packets报告数据事务的状态。Handshake packets指示成功接收数据、流控制和停止条件。

接收数据时，主机发送一个由IN PID和设备地址和端点号组成的令牌，然后等待设备的数据。如果接收到令牌而没有任何USB错误，设备将响应请求的数据到主机。然后设备等待握手报文（handshake packet）。

1、寄存器和控制逻辑
AXI USB2.0设备核心包括32位寄存器，为IP core提供控制和状态信息。这些寄存器可以从AXI Slave接口访问。有关寄存器的更多信息，请参见第二章中的寄存器描述。

2、USB 2.0串行接口引擎(SIE)
USB 2.0串行接口引擎(SIE)处理字节级别的USB流量的串行和反串行，以及USB数据在IP core端点之间的复用和解复用。SIE还处理USB2.0状态转换，例如挂起、恢复、USB复位和远程唤醒信号(从挂起模式唤醒主机)。

SIE接口到PHY使用ULPI接口，需要12个引脚。从USB到FPGA的数据从PHY接收，进行错误检查，并加载到DPRAM的适当区域。来自FPGA的要通过USB发送的数据从DPRAM加载，协议封装，然后在协议允许的情况下，一次1字节地呈现给PHY。ULPI接口的详细信息超出了本文档的范围。

如果任何数据包有USB错误，SIE将忽略并丢弃它。SIE在错误计数寄存器(ECR)中增加相应的USB错误计数，并在中断状态寄存器(ISR)中设置相应的USB错误位。
当前USB事务的状态由SIE向中断状态寄存器(ISR)发出信号。可以通过IER启用某些条件来生成中断。

SIE的控制由以下四个方面组成:
（1）DPRAM较低的64个字节包含每个端点的控制和状态位置。
（2）控制和状态寄存器提供整体的启动和停止、状态指示、使用状态寄存器位启用中断、USB上的地址控制、当前帧开始定时信息和端点缓冲区就绪指示。
（3）SIE模块的逻辑编码符合usb2.0规范第8章的要求。
（4）USB物理总线通过ULPI PHY接口连接到SIE。SIE本地实现ULPI协议。

3、Dual Port Block RAM (DPRAM)
DPRAM是SIE和AXI接口之间的数据存储区域。DRAM的端口A被SIE使用，端口B被处理器/DMA控制器使用。两个端口都是32位宽。AXI USB2.0设备使用两组4块RAM，分别为64 × 8位(DPRAM1)和2 K × 8位(DPRAM2)，具有双异步时钟端口。来自USB2.0设备的数据由SIE通过端口A路由到DPRAM。正在使用的固件或硬件通过AXI从接口通过端口B访问数据。输入到AXI USB 2.0设备的数据通过AXI从接口加载到端口B，进入DPRAM的适当位置。当主机向设备请求数据时，SIE从端口A访问这些数据。

DRAM 被SIE视为DPRAM1和DPRAM2。DPRAM2在端点1到7上有7个FIFOs。DPRAM1具有端点0 FIFO和控制寄存器区域，该区域定义内存是如何排列的，并报告每个FIFO缓冲区的状态(就绪、未就绪或计数)。每个FIFO都是双缓冲的，以帮助支持USB 2.0可能的高吞吐量。一个缓冲区可以用于当前的USB事务，而另一个缓冲区可用于用户应用程序的处理。SIE将存储区域视为FIFO。固件或硬件可以通过AXI从接口作为普通RAM访问存储。

4、AXI Slave 接口
IP Core中的AXI Slave接口执行以下操作:
（1）响应AXI事务以读写32位控制寄存器、状态寄存器和DPRAM。
（2）支持DRAM的字节、半字和字传输，但只支持寄存器的字传输。

5、AXI Master接口
IP Core中的AXI Master接口执行以下操作:
（1）在DMA模式下作为AXI主机执行读和写事务。
（2）在DMA模式下，中断是基于DMA Done和DMA Error条件生成的。

6、直接存储器访问(DMA)控制器
如果“Enable DMA Support”参数设置为1，则DMA控制器包含在AXI USB 2.0设备核心中。DMA控制器在DPRAM2和AXI接口上的外部存储设备或外设之间提供简单的DMA服务。DMA控制器在给定长度的情况下将数据从源地址传输到目的地址，而不需要处理器干预。

它提供可编程寄存器(两个方向读和写到DPRAM2)、源地址、目的地址和传输长度。源地址计数器和目的地址计数器只能递增。它还支持AXI突发传输。DMA控制器只在DPRAM2K和外部存储器之间进行数据传输。

在DMA传输中，DPRAM2地址应该始终是字对齐的地址。一个用户可配置的参数“Enable unaligned transactions”被用来配置支持未对齐外部内存地址。当参数“Enable unaligned transactions”被设置为1时，DMA控制器负责数据重新对齐，DMA源寄存器或目标寄存器可以是未对齐的地址，这取决于DMA控制寄存器中的方向位。当“Enable unaligned transactions”被设置为0时，DMA控制器只支持对齐的地址。

7、ULPI PHY
USB PHY可以是任何符合ULPI的PHY。PHY的主要功能是管理USB 2.0的位级串行化和反串行化。要做到这一点，它必须检测和恢复USB时钟。时钟运行在480MHz的速度对于FPGA的实际实现来说太快了。因为480MHz对于USB SIE时钟来说也太快了，所以在字节串行的基础上，PHY接口到SIE，并产生一个60 MHz的时钟在USB 2.0设备的SIE端运行。

三、应用
AXI USB 2.0设备核支持中断、批量和同步传输。核可用于以下应用:
1、USB键盘或鼠标设备
2、大容量存储设备
3、麦克风和扬声器设备

四、不支持的功能
1、主机的功能
2、USB OTG

LogiCORE IP Product Guide：https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axi_usb2_device/v5_0/pg137-axi-usb2-device.pdf

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