基于USB 2.0协议的多功能IP核的研究与开发

摘要

自从USB协议发布以来，USB技术作为一种低成本的短距离互连总线得到了广泛的应用。但是，迄今为止，对具有我国自主知识产权的USB IP核的研究还很少，尤其是对多功能USB IP核的研究几乎还是空白。所以，对可定制的多功能USB IP核的研究具有重要意义。 本文设计了一个基于USB 2.0协议、可进行参数定制、可重用的多功能USB IP核。该IP核主要包含Wishbone控制器、DMA控制器、FIFO控制器、UTMI和ULPI接口、SIE串行协议引擎、主机控制器、设备控制器以及OTG控制器等模块，使用UTMI和ULPI接口模块与USB收发器相连，外部MCU或SoC通过Wishbone总线接口对IP核内部进行控制和数据通信。可以在编译前通过定制参数来实现主机控制器、设备控制器、集线器和OTG控制器的一种或者几种设备功能，还可以对其内部的数据带宽、寄存器大小、端点数等进行灵活定制。该IP核使用Verilog HDL编写代码，采用自顶向下的设计方法，在设计的过程中为了得到最优化的综合结果，充分考虑了代码的可综合性和跨时钟域的问题，并把时序逻辑电路和组合逻辑电路分开设计。各单元模块全部经过Mentor公司的Modelsim的功能仿真和Synopsys的Design Compiler的综合和时序分析，同时进行了主从控制器之间的数据通信测试。 功能仿真及主从控制器之间的数据通信测试表明，该IP核的功能是符合USB 2.0协议规范要求的。使用TSMC 0.18um工艺库对该IP核进行综合后，得到的Slack值为0.47，表明该IP满足时序的要求，能够满足实际应用的需要。

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第一章绪论

1.1引言

1.2 USB系统简介

1.2.1 USB发展历史及未来

1.2.2 USB特性

1.2.3 USB和IEEE 1394特性的比较

1.3.ASIC、SoC及IP复用技术概述

1.3.1 ASIC和SoC简介

1.3.2 IP复用现状概述

1.4课题研究目的和意义

第二章USB协议和片上互连总线

2.1 USB系统拓扑结构及其组成

2.1.1主机(Host)

2.1.2设备(Device)

2.1-3集线器(Hub)

2.1.4 USB OTG

2.2 USB协议分析

2.2.1设备端点

2.2.2管道

2.2.3帧和微型帧

2.2.4字节/位的顺序

2.2.5 SYNC场

2.2.6 USB传输类型及其事务处理

2.2.7循环冗余校验

2.2.8数据触发同步和重试

2.2.9错误检测和恢复

2.3 USB物理接口

2.3.1 UTMI接口

2.3.2 ULPI接口

2.4 IP可重用技术

2.4.1IP可重用技术

2.5片上互连策略

第三章多功能USB IP核系统架构设计

3.1多功能IP核功能描述

3.2多功能IP核系统框图

3.3多功能IP核的模块划分

3.3.1 UTMI和ULPI接口模块

3.3.2 SIE协议引擎模块

3.3.3协议控制器模块

3.3.4寄存器和FIFO模块

3.3.5内部DMA模块

3.3.6 Wishbone主/从控制器模块

第四章多功能USB IP核各功能模块的设计实现

4.1多功能和可定制的实现

4.2 UTMI功能模块的实现

4.2.1 UTMI主要接口信号

4.3 ULPI转换模块的实现

4.3.1 ULPI主要接口信号

4.4 SIE协议引擎功能模块的实现

4.4.1 CRC子模块的实现

4.5协议控制器功能模块的实现

4.5.1主机控制器功能模块

4.5.2设备控制器功能模块

4.5.3集线器控制器功能模块

4.5.4 OTG控制器功能模块

4.6寄存器和FIFO模块

4.6.1寄存器模块

4.6.2 FIFO模块

4.7内部DMA模块

4.8 Wishbone主/从控制器模块

4.8.1 Wishbone规范规定的主要信号

4.8.2 Wishbone控制器功能模块的参数化定制

第五章系统综合和仿真验证

5.1仿真验证环境介绍

5.2仿真结果

5.3综合过程及综合结果

5.3.1综合结果

结论和展望

参考文献

致谢

在学校期间发表的学术论文与研究成果

附件