SpinalHDL 上的 USB 1.0 控制器：实现

在 SpinalHDL 中为 RISC-V SoC 实现 USB 1.0 主机控制器

基于 RISC-V 开发可综合片上系统需要集成现代外围接口。USB 1.0 主机控制器支持连接 HID 输入设备：键盘、鼠标、游戏手柄。用 SpinalHDL 实现它，能在硬件层面处理协议，避免 PS/2 或模拟摇杆的软件妥协。

USB 物理层采用差分对 D+ 和 D-，以及 VBUS 和 GND 线。半双工传输模式将 USB 与 UART 区分开来：数据一次仅一个方向逐位发送，并严格分离主机与设备角色。

USB 1.0 物理层

电气特性定义信号电平：D+ 和 D- 的空闲状态决定速度。低速（1.5 Mbps）—— D- 高电平，全速（12 Mbps）—— D+ 高电平。NRZI 编码：信号跳变表示 '1'，无跳变表示 '0'。同步通过位填充实现：连续六个相同位后插入反转位。

控制信号：

• SE0 (Single Ended Zero)：D+/D- 均低——用于总线复位。
• J/K 状态：用于空闲和速度的差分电平。
• Chirp：K/J 交换以检测集线器速度。

传输以 SYNC（8 位 '0'）开始，后跟 PID（Packet ID）。

USB 协议：数据包和事务

PID 定义数据包类型：

• 令牌：SETUP（控制请求）、IN（读）、OUT（写）、SOF（帧开始）。
• 数据：DATA0/1（用于完整性的切换位）。
• 握手：ACK（确认）、NAK（拒绝）、STALL（错误）。

事务：

• 控制传输：SETUP + DATA（可选）+ IN/OUT + ACK。
• 中断传输：IN/OUT + DATA + ACK——用于 HID 报告。
• 批量传输：大块数据，支持重试。
• 等时传输：无握手，用于流数据。

校验和：令牌使用 CRC5，数据使用 CRC16。公式：

// CRC5 for address/kontsa
crc5_next = crc5_reg ^ data_in;
// Polinom: x^5 + x^2 + 1 (0b001101)

描述符和设备初始化

描述符描述设备：

• 设备描述符：bLength=18, bDescriptorType=1, idVendor, idProduct。
• 配置描述符：bConfigurationValue, maxPower。
• 接口/端点：bInterfaceClass（HID=3）, bEndpointAddress, bmAttributes（中断）。
• HID 描述符：bcdHID, bCountryCode, Report Descriptor。

初始化：

• 总线复位（SE0 >10 μs）。
• GET_DESCRIPTOR（设备）。
• SET_ADDRESS。
• GET_DESCRIPTOR（配置）。
• SET_CONFIGURATION。

对于 HID，额外 GET_DESCRIPTOR（报告）。键盘报告示例：修饰符字节 + 保留 + 6 个键码。

在 SpinalHDL 中的硬件实现

控制器构建为有限状态机层次结构：

• USBMain：主 FSM，管理序列。
• USBSendSE0：生成 SE0 用于复位。
• USBSendShortToken：短令牌（SOF）。
• USBSendLongToken：完整令牌（地址+端点）。
• USBSendData：NRZI 编码 + 位填充。
• USBReceiver：NRZI 解码，CRC 检查。

接口：

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 通过 APB3 集成到 SoC 中。时钟：全速 48 MHz。

集成到 KarnixSoC 和驱动程序

连接：Karna 板上的 USB Type A，信号从 FPGA 路由。SpinalHDL 配置将模块添加到顶层。

RISC-V 的 C 驱动：

• usb10_bus_reset()：SE0 持续 20 μs。
• usb10_in_request()：IN 令牌 + DATA1 + ACK。
• usb10_setup_request()：SETUP + DATA + IN。

初始化：usb10_init() 检测设备、读取描述符、设置地址。

使用 HID 设备测试

应用程序 karnix_usb10_test：

• 游戏手柄：模拟轴、按钮在中断端点 1。
• 鼠标：X/Y 增量、按钮在 4 字节报告中。
• 键盘：引导协议，8 字节报告（修饰符 + 键）。

集成到 TetRISC-V：用 USB 输入替换 PS/2。

关键点：

• 无 MACRO-IP，用 FSM 实现 USB 1.0 全速（12 Mbps）。
• SpinalHDL 生成 FPGA 综合 RTL。
• HID 引导协议简化键盘/鼠标驱动。
• NRZI + 位填充需要精确时序（48 MHz 时钟）。
• CRC5/16 验证防止数据包错误。

— Editorial Team