摘  要： UTMI定义了USB2.0底层信号的物理约束，为实现USB2.0高速(480 Mb/s)通信提供了可靠的保障。实现了协议中串/并转换、位填充/剔除、非归零编解码等内容,并在SMIC 0.13 ?滋m CMOS工艺库下完成了收发器电路设计。仿真结果显示，该收发器设计功能正确，满足协议要求。 

关键词： USB2.0; 收发器; UTMI

       通用串行总线USB(Universal Serial Bus)以其简单易用、连接灵活、高带宽等特点已经成为计算机连接外部设备最常用的一种方式[1]。如今，越来越多专用集成电路(ASIC)和嵌入式系统都内置了USB接口。很多公司采用其他公司生产的收发器(USB2.0 transceiver)IP核，再配合其他自行设计的电路模块来进行相关产品的开发。本文在SMIC 0.13 ?滋m CMOS工艺下采用Verilog HDL描述电路，通过仿真、综合、布局布线等流程完成收发器电路设计。

       1 UTMI整体结构

       USB收发器在USB总线中的位置处于各种USB设备与USB总线的接口处。它的作用是处理USB物理层的协议和信号，其中接收部分接收USB总线上的串行数据，经过NRZI(Not Return to Zero Inverse)编码、“0”比特剔除，最后转成并行数据后交给串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)；发送部分完成相反的操作，接收SIE的并行数据，经过并/串转换、“0”比特添加、NRZI编码后发送给USB总线[2]。

       图1所示为USB2.0收发器的功能框图，主要完成的功能为：

       (1) 支持480 Mb/s高速、12 Mb/s全速两种不同的数据传输速率。

       (2) 同步字包头SYNC(Synchronization)/包尾EOP(end of Packe)产生和检测、比特填充／去填充、比特填充错误检测、非归零编码等。

       (3) 能够在高速和全速终端／信号之间切换,支持USB2.0测试模式。

       (4) 支持USB协议中唤醒、挂起检测、恢复逻辑等检测。

       从中可以看出，收发器是一块具有一定复杂度的数/模混合电路。设计时将数字电路和模拟电路分开，分成以下三部分：

       (1) 数字逻辑部分。该部分完成串/并、并/串转换，比特填充/去填充以及相应的发送与接收状态机等协议的逻辑功能，这也是本文所要阐述的电路设计内容。

       (2) 时钟产生与数据恢复电路。其功能是产生本地高速时钟,并从USB总线的串行数据流中恢复出时钟和数据，以便于后级电路进行相应的操作。

       (3) 发送与接收接口部分电路。USB总线有比较严格的电气特性要求，比如USB高速信号是±400 mV的差分信号，对地电阻为45 ?赘，还有电缆断连检测、squelch检测等，这些电气特性要求均由模拟接口电路实现[3]。

       2 模块设计

       2.1发送电路模块

　     根据UTMI规范的功能要求，USB收发器的发送部分应该包括并/串转换、比特“0”填充、非归零编码以及发送控制状态机四部分。四部分的关系如图1中发送部分(Tx)所示。

　     比特“0”填充规则为：对发送的串行数据进行“111111”序列检测，每检测到6个连续的“1”序列后，在该序列后插入一个比特“0”。NRZI编码规则为：逻辑“1”用电平的不变来表示，逻辑“0”用电平的翻转来表示。比特“0” 插入与NRZI编码配合使用，可以有效防止传输的数据中出现连续的没有电平变化的序列，避免导致接收部分PLL(Phase Locking Loop)时钟失锁的情况出现。

　     串行数据中插入填充比特，会使发送的数据多于要发送的数据。为了平衡比特插入前后的数据个数偏差，设计时在串行数据中每插入8个“0”后，使发送状态机输出TXready为低电平，让SIE等待一个时钟周期，即8 bit串行数据的时间(因为SIE的时钟为60 MHz，串行数据速率为480 MHz。8 bit串行数据的传输时间正好等于一个并行数据的传输时间)。在本文的电路设计中，比特“0”插入操作使用了两个计数器，其中一个对串行数据中连续“l”进行计数，用来检测“111111”序列；另一个对已经插入到串行数据的“0”进行计数，这两个计数器都采用移位计数器来实现。发送电路比特填充和数据平衡的实现如图2所示[4]。

       发送部分的状态转移图如图3所示。复位进入Reset态，复位结束后进入TX Wait态等待TXValid信号的到来，当收发器接收到SIE发送数据的指令时(即TXValid信号为高电平)，进入Send SYNC态,发送电路开始发送传输数据包的包头，即同步字SYNC。全速数据包的SYNC字为8 bit的“KJKJKJKK”序列，高速数据包的SYNC字为32 bit的“KJKJKJK…JKJKJKK”序列，序列中的“K”对应于USB差分信号“DP逻辑低电平，DM逻辑高电平”的总线状态，序列中的“J”对应于 “DP逻辑高电平，DM逻辑低电平”的总线状态。同步字发送完成之后，进入Data Load态且置TXready为高电平，收发器开始从SIE读取8 bit的并行数据到Hold Reg中，当Hold Reg中的数据没有被shift reg读取时，状态机将会跳转到Data Wait态；当shift reg中的数据做完并/串转换， Hold Reg中的数据会被shift reg读取，此时状态跳转到Data Load态。当收发器检测到SIE停止发送数据的指令(TXValid信号为低电平)，状态机进入Send EOP态，开始发送EOP数据且置TXready为低电平， 全速数据包的EOP为总线上2 bit的“SE0” (“SE0”对应于USB差分信号“DP和DM均为逻辑低电平”的总线状态)状态以及其后1 bit的“J”状态，高速数据包的EOP为8 bit的“01111111”数据序列，这个数据序列没有像正常发送过程的数据一样进行比特“0”插入操作，以便区别于一般的数据。当EOP发送完，状态机进入TX Wait态，否则停留在Send EOP态继续发送EOP数据。      

       2.2 接收电路模块

　     收发器的接收电路与发送电路相反，将数据从总线上的差分信号中提取出来，交给USB SIE进行后续的协议处理。这部分电路包括NRZI解码、比特“0”去除、串/并转换以及一个接收状态机。这部分的相互关系如图1中接收部分(Rx)所示。接收部分的状态转移图如图4所示。

       复位进入Reset态，复位结束后进入RX Wait态，开始同步字SYNC检测，若未检测到同步字,则在原状态循环;当检测到同步字后进入Strip SYNC态,同时使 RXactive 有效，由于高速SYNC有32 bit，所以在Strip SYNC态会维持数个时钟周期。当SYNC检测完毕并抓到第一个字节后，跳转到RX Data态。由于去比特填充造成数据速率的下降，使得状态在RX Data和RX Data Wait之间跳转，每次去掉8个填充位后，状态机跳到RX Data Wait态，同时拉低RXvalid信号。

　     当检测到错误时，进入Error态，如果此时数据线DP和DM上已经没有数据传输了，则进入Abort1态，再直接跳转到RX Wait态；如果此时数据总线DP和DM上还有数据在传输，则跳转到Abort2态，直到数据总线上的数据传输完才跳到Terminate态，再直接跳转到RX Wait态。

　     去比特“0”填充的过程就是将发送过程中插入到数据包的“0”比特从数据包中去除，也就是将数据包中“1111110”序列中的“0”去除，以恢复出正确的数据。这里同样需要进行数据平衡，通过RXValid信号来实现。接收电路去比特的实现如图5所示。

       3 仿真及验证

　      发送数据时，UTMI置drive_enable为低电平，以使驱动器处于发送状态。当TXValid为高电平时，表明并行数据线上有数据等待发送。UTMI首先发送同步字SYNC，然后读取并行数据线上的数据到Hold Reg中，完成串/并转换后依次进行位填充和NRZI编码，再把数据发送到数据总线上(即DP和DM)。完成1 B的发送后，UTMI应该置TXReady为高电平，表明 UTMI可以继续发送下一个字节。数据发送完成后，UTMI应该继续发送EOP信号, 表明1个数据包发送完毕。高速模式下的部分发送波形如图6所示。

       接收数据时，UTMI首先匹配SYNC字段。匹配完成后，系统进入接收数据状态，此时RXActive为高。UTMI对接收到的串行数据进行NRZI解码，剔除填充位(此时drop_bit为高)，送到转移寄存器和保持寄存器，满8位后输出到并行数据线（此时RXValid为高）。UTMI检测到EOP以后，拉低RXActive，表明接收完一个数据包。高速模式下的部分接收波形如图7所示。

       将此设计在SMIC 130 nm CMOS工艺下进行综合，布局布线,可满足UTMI协议中480 Mb/s的数据率要求。经仿真验证分析，该设计符合UTMI接口协议,正确实现了收发器逻辑电路的功能。     

       本文结合UTMI协议,对USB2.0收发器整个体系结构和工作原理进行了分析。完成了USB收发器逻辑电路的设计，满足协议要求。仿真结果表明，所设计的收发器功能正确，适用于USB系统开发。　　

参考文献

[1] 黄菁，刘青春. 通过 USB 接口控制数/模转换器的电路设计[J].微型机与应用, 201231(14):27-30.

[2] Intel Corporation.USB2.0 Transceiver MacrocellInterface(UTMI)specification[S].Version 1.05，March 29，2001.

[3] Compaq, Hewlett-Packard. Universal serial bus specifica-tion[S]. Revision 2.0， April 27, 2000.

[4] Huang Kai. A multiprocessor prototype and its SoC designmethodology[J]. DianziXuebao (Acta Electronica Sinica), 2009(2):305-311.