USB 2．0主控器軟硬件協同仿真系統設計

摘要：為了能夠充分、快速驗證USB 2．0主控器的功能，設計了一個軟硬件協同仿真平臺。其中，CPU模型部分采用一種高效的SystemC模型，而不使用基于指令集的復雜CPU模型。測試用例采用抽象層次更高的C語言編寫，通過調用仿真平臺對外提供的API完成激勵生成與響應檢查。結果表明，該方式能夠有效降低對仿真資源的占用，減少仿真時間；同時使軟件人員能在IP的硬件驗證階段就能完成軟件的設計測試工作，縮短軟硬件接口整合時間，加快開發進度。
關鍵詞：軟硬協同；聯合仿真引擎；CPU模型；通用串行總線；主控器；片上系統

USB由于具有傳輸速度快、支持即插即用和熱插拔、供電方式靈活、總線結構簡單、使用和擴展靈活等優點，已經成為業界主流的工業接口標準，并在SoC設計中得到了廣泛的應用。在典型的應用案例中，USB主控器作為SoC中的一個子模塊，和其他子模塊有復雜的互聯、通信關系，同時也受系統主CPU的控制。在這樣一個復雜的系統中，如何驗證USB主控器設計的正確性以及其和SoC系統其他模塊協同工作的完整性對項目成功與否是非常關鍵的。本文設計了一種軟硬件協同仿真平臺來驗證應用在數字電視SoC中的USB2．0主控器，本平臺為SoC的驗證提供了一個高效、系統的解決方案。結果表明效果良好。

1 待驗證USB 2．0主控器系統結構
本文驗證的USB 2．0主控器完全兼容USB 1．1規范，EHCI主機控制器接口規范和OCHI主機控制器接口規范。該USB 2．0主控制器包含一個高速主控器和一個全速主控制器，其中高速主控器基于EHCI接口規范實現，用來和連接到根端口的高速(傳輸速率為480 Mb／s)模式外設進行通信。全速模式主控制器基于OHCI接口規范實現，使USB 2．0主控器可以與全速和低速(傳輸速率為12 Mb／s和1．5Mb／s)外設進行通信。系統CPU可以通過該主控器的AHB Slave接口對其進行控制。該主控器中還包含AHB Master接口單元，能夠扮演AHB Master的角色直接控制主控器與系統存儲器之間的數據交換，不需要通過外部DMA控制器的控制，方便系統集成，加快該主控器與系統內存之間的數據交換。該主控器的物理接口端提供滿足UTMI+接口規范的接口，通過與PHY相連，可以直接與外設進行通信。圖1為該主控器的系統結構框圖，圖中主控器的列表處理器模塊是系統中主要的控制器，其包含多個狀態機用來處理規范中描述符定義的內容。

2 驗證仿真系統介紹
2．1 使用傳統平臺驗證USB主控器的不足
USB主控器真實的工作環境需要有硬件和軟件協同配合，在傳統驗證平臺下，從整個驗證過程來看，硬件人員需要描述一套基于Verilog HDL的測試激勵模擬軟件環境驗證其功能，之后軟件人員還要再寫一遍基于C程序的軟件環境驗證其功能，這樣造成工作的重疊。同時傳統驗證平臺使用Verilog HDL編寫，抽象層次較低，在描述高抽象結構(如USB的描述符的數據結構)時比較復雜，而使用抽象層次更高的C語言會相對簡單。