基于FPGA的USB3.0 HUB设计方案

基于FPGA的USB3.0 HUB设计方案

HUB是USB系统中的重要组成部分，且能够应用在大多数操作系统，它是建立主机与USB设备之间的桥梁。作为一类特殊的USB设备，可以同时将一个接口转换为多个接口，为用户提供了效率和便捷。

1. USB3.0 HUB的简介

1.1 USB3.0 HUB的基本组成

图1 USB3.0 HUB的基本结构

1.2 USB3.0集线器的功能

USB3.0 HUB是USB系统中的重要部分，它的基本功能如下：

1）基本连接功能。

2）电源管理功能。USB3.0能够提供900mA的电源，这样就可以给那些连接USB3.0的设备更快更好地完成充电。由于新的接口提供了额外的两条线，900mA的电力支持能够驱动无线适配器，这样在900mA的高电力支持下可以摆脱靠线缆连接的必要性。在大量数据传输的同时，空闲的设备可以自动进入低功耗状态，给正在传输的设备提供更好更快的性能支持。

3）设备连接和断开检测。

4）总线的错误检测和恢复。

5）HUB3.0的自动挂起和恢复功能。

6）向下兼容，下行端口同时支持高/低/全速设备。

2. Super Speed HUB的设计

USB3.0 HUB是一种便携的低成本的USB3.0扩展接口，它的下行端口面向USB设备，上行端口面向PC主机或者嵌入式主机控制器，速度由上行端口的主机来决定，同时它在下行端口给设备提供连接和断开的检测，根据USB3.0最新协议规范，要实现上节所述各项功能设计。Super Speed HUB的整体构架如图2所示，包括SIE、控制、处理转换、中继、路由、AES加解密等部分。

图2 USB3.0 HUB的整体构架

2.1 SIE（Serial Interface Engine）模块

图3 SIE模块设计框图

2.2 HUB控制器模块

HUB控制器主要完成HUB的管理及控制，实现与主机的交互。主机端通过类请求与HUB控制器模块通信，取得HUB端口的描述符，并且完成USB HUB及其下行端口的管理和控制。主机通过向端点0发送类请求和标准请求来实现HUB的枚举过程。

2.3 AES模块

AES是一种基于置换和代替的算法，它实现加解密功能。在USB3.0 Super Speed模式下，根据用户的需求，当数据从上行端口向下行端口传输时，对数据进行加密，以防止信息窃取。同样，在数据由下行端口向上行端口传输时实现其解密过程。AES算法加解密过程如图4所示。

图4 AES算法加解密过程

在加解密的过程中，由于USB3.0 HUB的传输速度可达到3200Mbit/s，但是AES的加解密IP在250MHz的吞吐率下最高速率只能达到2400Mbit/s，因此在加解密的过程中需要2个AES来实现其功能。图5是USB3.0 AES加密原理图，从图中可以看到上行端口会向EM_A发送奇数128bit数据，向EM_B发送偶数128bit数据，同时，Mem_buf模块也会轮询地从EM_A模块和EM_B模块接受数据。而在以前的USB2.0的模式下，数据位宽只有8bit，全速的带宽为480Mbit/s，所以只需要1个AES就可以。

图5 AES算法加密原理图

2.5 Repeater中继模块

集线器中继模块在HUB的数据转发中起到建立和拆除上行端口和下行端口之间的连接，并且处理集线器的挂起和唤醒的作用。中继器把上行端口的数据发送到下行端口，把下行端口的数据发送到上行端口，并且要用本地时钟来从端口上发送和接受数据。它以数据包为单位控制端口的建立和连接以及HUB的唤醒和挂起。如图6所示为Repeater的连接状态机。

图6 Repeater的连接状态机

2.6 PHY模块

2.7 TT处理转换器

TT模块的作用是完成传输事务转发和速度的匹配。当上行端口在高速环境下运行而下行端口在全速或者低速下运行时，TT处理转换器就是将高速事务转换成低速事务。由于要满足速度的匹配，因此TT处理器必须采用缓存的方式来存储，在缓存的上行端口是一个高速处理器，用来处理高速数据的收发；缓存的下行端口是全速和低速处理器，用来处理全/低速数据的接受和发送。

图7 USB3.0HUB高速数据批量传输仿真（截图）

在传输速率上，可以通过USB3.0 HUB传输1个比较大的文件，并且用ATTO DISK BENCHMARK软件来测试其读写速度，通过ATTO可以显示出读取数据可以提高到1088Mbit/s，写入速度可以达到840Mbit/s（USB2.0 HUB的读写速度分别为240Mbit/s和184Mbit/s）；很显然这个读写速度比USB2.0的提高了5~6倍。当然由于软件和硬件的各种原因，这个实际的传输速度离其理论最大值5G bit/s有一定的差距，但已基本实现其高速传输的功能。

从verilog的功能仿真、时序仿真和FPGA验证表明，USB3.0 HUB基本实现了高速数据的传输，达到了预期的效果。

4. 总结

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