# Implementacja kontrolera hosta USB 1.0 w SpinalHDL dla SoC RISC-V
Rozwój syntetyzowalnego system-on-chip na bazie RISC-V wymaga integracji nowoczesnych interfejsów peryferyjnych. Kontroler hosta USB 1.0 umożliwia podłączanie urządzeń HID wejściowych: klawiatur, myszy, gamepadów. Realizacja w SpinalHDL zapewnia sprzętową obsługę protokołu bez programowych kompromisów PS/2 czy analogowych dżojstików.
Warstwa fizyczna USB korzysta z pary różnicowej D+ i D-, linii VBUS i GND. Półdupleksowy tryb transmisji odróżnia USB od UART: dane są przesyłane bit po bicie w jednym kierunku, z obowiązkowym podziałem ról host i device.
Warstwa fizyczna USB 1.0
Charakterystyki elektryczne określają poziomy sygnałów: stan idle na D+ i D- ustala prędkość. Low-speed (1.5 Mbit/s) — D- wysoki, full-speed (12 Mbit/s) — D+ wysoki. Kodowanie NRZI: przejście sygnału koduje '1', brak — '0'. Synchronizacja przez bit stuffing: po sześciu identycznych bitach wstawiany jest odwrócony bit.
Sygnały służbowe:
- SE0 (Single Ended Zero): oba D+/D- niskie — do resetu magistrali.
- Stany J/K: poziomy różnicowe dla idle i prędkości.
- Chirp: wymiana K/J do określenia prędkości huba.
Transmisja zaczyna się od SYNC (8 bitów '0'), po którym następuje PID (Packet ID).
Protokół USB: pakiety i transakcje
PID określa typ pakietu:
- Tokeny: SETUP (żądania kontrolne), IN (odczyt), OUT (zapis), SOF (start of frame).
- Dane: DATA0/1 (toggle bits dla integralności).
- Handshake: ACK (potwierdzenie), NAK (odmowa), STALL (błąd).
Transakcje:
- Control Transfer: SETUP + DATA (opcjonalnie) + IN/OUT + ACK.
- Interrupt Transfer: IN/OUT + DATA + ACK — dla raportów HID.
- Bulk Transfer: duże bloki, z retry.
- Isochronous: bez handshake, dla strumieni.
Sumy kontrolne: CRC5 dla tokenów, CRC16 dla danych. Formuły:
// CRC5 dla adresu/końca
crc5_next = crc5_reg ^ data_in;
// Polinom: x^5 + x^2 + 1 (0b001101)Deskryptory i inicjalizacja urządzenia
Deskryptory opisują urządzenie:
- Device Descriptor: bLength=18, bDescriptorType=1, idVendor, idProduct.
- Configuration Descriptor: bConfigurationValue, maxPower.
- Interface/Endpoint: bInterfaceClass (HID=3), bEndpointAddress, bmAttributes (interrupt).
- HID Descriptor: bcdHID, bCountryCode, Report Descriptor.
Inicjalizacja:
- Bus Reset (SE0 >10 μs).
- GET_DESCRIPTOR (Device).
- SET_ADDRESS.
- GET_DESCRIPTOR (Configuration).
- SET_CONFIGURATION.
Dla HID dodatkowo GET_DESCRIPTOR (Report). Przykładowy raport klawiatury: bajt modyfikatorów + reserved + 6 kodów klawiszy.
Sprzętowa realizacja w SpinalHDL
Kontroler jest zbudowany jako hierarchia automatów skończonych:
- USBMain: główny FSM, zarządza sekwencją.
- USBSendSE0: generowanie SE0 dla resetu.
- USBSendShortToken: krótkie tokeny (SOF).
- USBSendLongToken: pełne tokeny (addr+endp).
- USBSendData: kodowanie NRZI + bit stuffing.
- USBReceiver: dekodowanie NRZI, sprawdzenie CRC.
Interfejsy:
import spinal.core._
case class USB_IO() extends Bundle {
val dpp = in Bool()
val dpn = in Bool()
val txen = out Bool()
val txdp = out Bool()
val txdn = out Bool()
}Apb3USB10Ctrl integruje w SoC przez APB3. Taktyka: 48 MHz dla full-speed.
Integracja w KarnixSoC i sterownik
Podłączenie: USB Type A na płycie „Karno”, wyprowadzenie sygnałów z FPGA. Konfiguracja SpinalHDL dodaje moduł do topu.
Sterownik w C dla RISC-V:
- usb10_bus_reset(): SE0 20 μs.
- usb10_in_request(): token IN + DATA1 + ACK.
- usb10_setup_request(): SETUP + DATA + IN.
Inicjalizacja: usb10_init() wykrywa urządzenie, odczytuje deskryptory, ustawia adres.
Testowanie z urządzeniami HID
Aplikacja karnix_usb10_test:
- Gamepad: osie analogowe, przyciski w endpoint interrupt 1.
- Mouse: delty X/Y, przyciski w 4-bajtowych raportach.
- Keyboard: boot protocol, 8-bajtowe raporty (modyfikatory + klawisze).
Integracja w TetRISC-V: zastąpienie PS/2 wejściem USB.
Co ważne:
- USB 1.0 full-speed (12 Mbit/s) realizowane FSM bez MACRO-IP.
- SpinalHDL generuje RTL do syntezy na FPGA.
- HID boot protocol upraszcza sterownik dla klawiatury/myszy.
- NRZI + bit stuffing wymagają precyzyjnego timingu (48 MHz clk).
- Weryfikacja CRC5/16 zapobiega błędom pakietów.
— Editorial Team
Brak komentarzy.