USBIP核在FPGA上的调试方法与问题解决

导言：本文旨在分享关于USB IP核在FPGA调试方面的经验，特别是针对Synopsys DWC3 USB IP核的调试过程，希望能为读者提供有价值的参考。

我们已经开始了Synopsys DWC3 USB IP核的调试工作，前期完成了JTAG和UART等常规调试工具的配置。目前，USB设备端的软件开发已完成，原计划是在连接PC后能够顺利进行枚举并运行。然而，实际情况并不如预期般顺利，就连获取描述符（Get Descriptor）这一基本操作的首个传输过程都无法顺利完成。

根据软件日志显示，该传输过程中首个事务（Transaction），即SETUP包的数据接收是正确的，但在第二个事务，当我们尝试发送数据时，出现了异常情况。

工欲善其事，必先利其器。为了更好地定位问题，我们决定使用USB分析仪来辅助调试。经过漫长的等待，终于收到了一台USB分析仪，但遗憾的是，这台仪器并不适用于当前的需求（它实际上是一台带有USB接口的逻辑分析仪）。于是，通过老同事的帮助，我们成功借到了合适的USB分析仪。

利用USB分析仪捕获的数据揭示了问题所在：当FPGA作为USB设备连接到PC时，我们发送的数据多出了一个额外的字节。此外，ACK包和NACK包以及IN数据包均出现了重复现象。

尽管计算机有时能识别出重复的ACK包，并继续发送后续的IN包令牌，但由于我们发送的IN数据不正确，导致整个交互过程失败。有时，计算机甚至不会发出IN包令牌（0x69）。

通过检查UTMI物理层信号线，发现TXREADY和TXVALID信号存在异常，TXREADY信号比预期多了一个周期。

回顾USB数据包格式的相关基础知识：

为了更清晰地理解USB通信过程，这里引用了一张网络上的USB数据包格式图：

此图展示了USB传输、事务和数据包之间的层次关系，具体为Transfer > Transaction > Packet。一个标准的控制传输通常包括Setup、Data和Handshake三个阶段，其中Handshake阶段的方向需与Data阶段相反。所谓的三阶段通信正是指这一点，在USB 3.0中，这种复杂的三阶段通信被简化为两阶段。每个事务可包含多个数据包，实际情况可能比图中所示更为复杂。

例如，在我们捕获的Get Descriptor传输中，Data IN事务包含了额外的9个NACK包，而在Status阶段则有更多的PING包和NACK包等。

附加：USB PID格式