QE USB控制器由1个Transmitter模块，1个Receiver模块，和2个协议State Machine组成。协议State Machine控制Receiver模块和Transmitter模块，其中1个State Machine实现Device端的状态图，而另一个则实现Host端的状态图。该QE USB控制器可实现1个USB Device，1个USB Host，在用于测试目的（Loopback诊断）还可以同时实现这两者。
在用作USB Device模式式，它具有下列特性：
- 具有4个独立的endpoint分别支持control，bulk，interrupt，和isochronous类型数据传输
- CRC16产生和校验
- CRC5校验
- 带位填充的NRZI编解码
- 12-或1.5-Mbps速率
- 可1帧多buffer的灵活数据buffer管理
- 发送出错可自动重传
在用作Host模式时，具有下列特性
- 支持control，bulk，interrupt，和isochronous模式数据传输
- CRC16 生成与检测
- 带位填充的NRZI编解码
- 支持12-或1.5-Mbps速率
- 可1帧多buffer的灵活数据buffer管理
- 自动发送SOF令牌
- 支持用于调试的本地loopback模式（仅支持12-Mbps）
在用作Host模式时，具有下列局限：
QE USB硬件没有实现下列功能，软件必须负责实现它们：
- 调度在1帧内或者各帧之间的各次传输
- 发生错误后的重传和错误恢复
此外，当使用packet-level接口时，软件必须负责准备令牌（token）。因为QE USB控制器没有集成有Root hub，当需要多个设备连接到此QE USB Host时，需要外加一个hub。另外还要注意的是，该QE USB控制器编程模型既不遵从OHCI （Open Host Controller Interface）规范，也不遵从UHCI （Universal Host Controller Interface）规范，因此软件不同于它们。
USB Device模式
在用作Device模式，它Transmitter模块，Receiver模块，和1个Control单元组成。Transimitter模块由4个独立的FIFO，每一个16-byte深，每一个FIFO独立地支持一种endpoint。Receiver则仅有1个FIFO，如图。
复位后，可从缺省地址（0x00）寻址该USB设备，在枚举过程中，Host端会分配一个唯一的地址给1个USB Device，因此USB device软件需负责将分配给它的地址写入其地址寄存器USADR。USB Device支持4个独立的Endpints，每一个Endpoint可通过其寄存器（USEP0-USEP3）可独立配置为control，interrupt，bulk，或者是isochronous类型。但要注意的是，Endpoint0必须配置为control传输类型，因为USB系统软件会将Endpoint0用作1个control pipe。
初始化完毕使能该USB Device后，USB Device控制器便会周期性地查询有效的Token包，根据Token包的不同，做不同的处理。对于无效的Token包（即PID或CRC校验失败，或是Token包长度不是3-byte），USB Device控制器会忽略它们。下图描述了对于不同的Token包，USB Device控制器的不同行为：
USB Host模式
在作用Host时，USB控制器支持有限的Host功能，下面会介绍它支持的功能，它的限制，以及它的编程模型。用作Host模式时，USB控制器由Transmitter，Receiver，1个Host控制单元，以及1个Function控制单元（用于测试目的）组成。Transmitter包含有4个独立的FIFO，每一个16-byte深，每一个Endpoint专用1个FIFO，Endpoint 0专用于Host事务，而Endpoint 1-3则用于测试时的Function事务。Receiver包含有1个FIFO，如图。
物理层
物理层是到USB线缆的物理接口，物理层的责任是传输'0'和'1'。
USB线缆由4根线构成，信号传输通过其中的两根（一对差分线）D+和D-来实现，当传输'0'时，D+是低，D-是高；反之要传输'1'时，D+为高，而D-则为低。其余两根线分别是Vbus（+5V）和GND（-5V），用于向设备供电。数据在USB总线传输按小端LSB方式。
除此之外，USB总线上还有下列几个特殊的信号：
- 复位信号： 主机控制器能够复位设备，这通过信号SE0（Single Ended zero）来实现，即将D+和D-同时拉低超过2.5usec。当总线上的设备在它的上游端口接收到这个SE0信号时，将把它当作复位信号处理。
- 暂停信号： 主机控制器能够让设备进入暂停模式，此时设备将不再响应USB数据传输。当USB总线上的设备检测到总线有超过3msec的空闲状态，将会开始切换到暂停状态，实际上，当总线上超过10msec没有活动时，设备就会切换到暂停状态。
- 恢复信号： 处于暂停状态的设备，当检测到总线上有一个K信号（对于全速设备是差分0，而对于低速设备是差分1），将恢复正常的工作状态。当主机控制器希望唤醒设备时，它需要发送恢复信号至少20msec以上。
- EOP信号： EOP信号是先发送持续2比特的SE0信号，接着发送持续1比特的J信号（对于全速设备是差分1，而对于低速设备是差分0）。
数据的编解码使用NRZI。在NRZI编码里，如果要传输'1'，就保持信号电平不变（如果差分线对表示逻辑'1'，它会保持在电平上知道下一个时钟周期）；另一方面，如果要传输'0'，则需要让差分线电平翻转。这种数据编码的一个影响是，当传输一个全是‘1’的字符串时，会导致信号线电平一直保持不变，为防止这种信号电平连续不变的状态出现，需要在NRZI编码规则中引入比特填充，当遇到6个连续的‘1’时，插入一个‘0’；而在接收端解码时，则将此插入的‘0’去掉。
数据在USB总线上是以一个串行比特流来传输的。无论是主机控制器还是设备端的物理层上，都有一个串行接口引擎SIE，它就负责USB数据传输的串行化和解串行化；同时也负责数据的编解码：进来的数据流按NRZI解码，去除填充的‘0’；而数据出到线路前进行”0‘插入，按NRZI编码；SIE还负责往对外传输的数据流生成CRC，对进来的数据流校验CRC；此外SIE还负责检查总线上的PID，SOP，EOP，RESET以及RESUME信号。
主机控制器是USB系统中最智能部分，具有独特的作用： 发起所有事物，控制访问，并且是协议处理的引擎。下面列举主机控制器的主要功用：
- 帧产生，HC负责将USB总线时间分为间隔为1msec的单元，称之为帧。HC周期性地每隔1msec发送一个SOF包，接着可进行OUT或者IN数据传输。SOF里包含当前帧的编号，这个编号由HC维护。
- 数据处理，HC负责处理OUT或者IN的数据请求
- 协议引擎，HC负责USB协议层的处理
- 错误处理，HC负责处理如超时，CRC错的错误信息
- 远程唤醒
