U盘SoC的设计与实现

DATA阶段：数据阶段是可选的，并且数据阶段的传送方向可以是IN或OUT。以IN为例来介绍，当Pid_in、token_valid_i、ep0_sel有效时，udc_as_o被拉高，表示开始数据传送，转入ctrl_in_stage_empty，接着转入ctrl_in_stage状态，CPU将device_bufok_i拉高，表示开始接收数据，等待数据传完后，send_hdsk_pkt_o信号变高，表示数据接收正确，并将toggle机制翻转，要求打包模块发送一个ACK的握手包。
STATUS阶段：STATUS阶段也分为STATUS IN和STATUS OUT两种情况。在STATUS OUT阶段，接受到HOST发送过来的空数据包后，状态机会将send_hdsk_pkt_o信号拉高，发送ACK包给HOST。其状态机同SETUP状态机类似。
中断、批量、同步传输的IN实现：在硬件设计上，中断、批量和同步3种传输方式的处理都是一样的，只是在系统配置时，各传输方式对应的端点不同。下面以3种传输方式的IN传输来介绍。图5为3种传输方式的IN传输的状态机。

从上图可看出，在收到IN令牌后，状态机将tide_as_o拉高，表示开始传送数据，转入In_transfer_empty状态，再转入In_transfer状态，cpu若能传送数据，则把device_buf_ok_i信号置高，开始接收数据，等待数据传送完毕时，状态机会将send_data_pkt_o拉高，将此信号送至打包模块，从而将所需要的数据发送给HOST。
2．1．5 打包模块
本模块接收从SIE传来的控制信号，根据USB协议，产生所需要的包传送给发送模块。
2．1．6 tx模块
tx模块是总线发送模块。它将打包模块发送过来的包信息，进行并串转换，位填充，NRZI编码后，将数据发送给主机。此模块同rx模块类似，不再赘述。
2．2 8051CPU
此设计中的CPU为一个验证过的IP核。它包含：1个8位中央处理器、1个片内振荡器及时钟电路、4 KB ROM程序存储器、128B RAM数据存储器、可寻址64 KB外部数据存储器和64 KB外部程序存储器的控制电路、32条可编程的I／O线(4个8位并行I／O接口)、2个16位的定时，计数器、1个可编程全双工串行接口、5个中断源、2个优先级嵌套中断结构。将USB的通信请求接入到CPU的一个外部中断接口上，当USB的通信请求到来时，系统会产生一个中断，转入中断服务程序。
此外，还需要设计一个CPU的固件firmware，实现USBCORE的上电初始化过程(向UDC_Control中的控制寄存器和状态寄存器写入初始数据)、USB CORE中断处理并完成USB传输事务、使设备摆脱异常状态等功能。
2．3 UDC_Control
UDC_Control模块位于CPU和USB CORE之间，它完成CPU对USB通信的控制和数据的读写操作。UDC_CTRL模块中设有22个特殊功能寄存器，来完成USB通信。
USB_INT1和USB_INT2为中断寄存器，其各个位分别表示USB通信的9种中断请求(剩下的位为保留位)，但USBCORE一次只能向CPU提供一个中断信号，这两个USB_INT寄存器供软件在进入中断后查询是USB的何种中断。EP0_CTRL、EP0_INFIFO_DATA、EPO_INFIFO_CNT、EP0_OUTFIFO_ DATA、EP0_OUTFIFO_CNT这5个寄存器都是与Endpoint0相关的，Endpoint0是由一个输入端点和一个输出端点组成，用来实现控制传输。所有支持USB标准请求和Class定义的请求都通过这个端点来处理。其中EP0_CTRL用来对Endpoint0的传输进行控制，当CPU要向USB主机传送数据时，就会将数据写入EP0_INFIFO_DATA，EP0_INFIFO_CNT是CPU向EP0_INFIFO_DATA中写入数据的字节数。EP0_OUT，Endpoint1，Endpoint2，Endpoint3，Endpoint4的寄存器情况类似，在此不再多做介绍。UDC_STATUS和DEVICE_CTRL是接口状态和控制寄存器，对CPU和USB CORE的通信进行监控。
2．4 NandFlash
针对NandFlash读写的特点，特别是其可随机读，但无法随机写的问题，需要通过设置缓冲区来解决。在与USB Host进行数据交换的过程中，最小的单位是扇区：512字节。由于NandFlash在写之前必须先擦除，而一擦又必须擦一个Block，因此在擦除某Block之前必须保存同一个Block中有关扇区的数据。因此，如果每收到一个扇区的内容就进行一次擦、保存、写的操作，系统任务将十分繁重，无法及时响应USB Host端的请求。因此，在系统中设置32K的缓冲区，每完一次数据传输后，记下本次要写的开始扇区和总扇区数，将本次要写的数据涉及的扇区以外的数据从NandFlash中读出来，存放在缓冲区中对应位置，然后擦除一个Block，再将缓冲区中内容一次全部重新写入NandFlash。