全速USB2.0设备控制器IP核的设计

摘要

通用串行总线(UniversalSerialBus)简称USB，是一种具有即插即用、高扩展性、高速稳定等优点的总线接口技术。从1996年USB-IF(USB实现者论坛)公布了USB1.0协议以来，USB技术得到迅速发展，在2000年升级到USB2.0，又于2008年11月升级到了USB3.0协议。如今USB已被广泛地应用于PC外设和便携式系统中，因此对USBIP核的研究开发提出了迫切的要求。本文就是针对这一形势，对USBIP核进行研究与设计。
　　USB设备控制器中的功能控制器可以有两种不同的实现方案:一是采用硬件来实现，二是采用微控制器来实现。采用硬件实现的好处是集成度高，速度快，缺点是结构复杂，不便于升级换代。采用微处理器实现的好处是具有较好的通用性，可以根据客户的不同需求开发不同的设备，以便于升级和移植。本文设计的设备控制器是一款采用MCU6502来实现控制器功能的通用USB设备控制器。
　　基于微控制器的实现方案，本文设计了一款全速USB2.0设备控制器。首先详细分析了USB的体系结构与通信协议，研究了USB设备控制器物理模块的整体架构。然后采用Top-Down的技术对整个USB设备控制器进行了模块划分，其主要模块包括:收发器、数字物理层、协议层、端点寄存器、数据缓冲区和功能接口。再次用VerilogHDL对每个模块进行编写，并针对各个子模块编写相应的激励测试文件，采用Modelsim仿真软件进行了仿真验证。最后采用Xinlix公司的ISE13.1对所设计的USB设备控制器IP核进行了逻辑综合，验证了IP核的可行性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 USB技术简介

1．1．1 USB技术的产生及发展

1．1．2 USB的特点

1．2 本研究课题的背景及意义

1．3 本文结构安排

第二章 USB协议介绍

2．1 USB结构体系简介

2．1．1 USB总线拓扑结构

2．1．2 USB基本结构概述

2．2 USB数据流模型

2．2．1 USB通信流

2．2．2 USB传输的两个重要概念

2．3 USB传输

2．3．1 USB包的域

2．3．2 包类型

2．3．3 传输类型与传输管理

2．3．4 错误的检测与恢复

2．4 USB设备

2．4．1 USB设备状态

2．4．2 枚举过程

2．4．3 设备请求

2．5 本章小结

第三章 USB2．0设备端控制器

3．1 模拟物理层

3．2 USB2．0设备端控制器的结构划分功能介绍

3．3 串行引擎接口(Serial Interface Engine)

3．3．1 数字物理层之接收模块设计

3．3．2 数字物理层之发送模块设计

3．4 协议层(Protocol Layer)

3．4．1 UTMI接口模块设计

3．4．2 解包PD

3．4．3 组包PA

3．4．4 协议引擎

3．5 Function Interface层的设计

3．5．1 寄存器分类

3．5．2 端点模式寄存器

3．6 本章小结

第四章 IP核的仿真与综合

4．1 USB设备控制器的仿真验证

4．1．1 子模块的仿真结果及其分析

4．1．2 整体系统的仿真

4．2 综合结果及分析

4．2．1 综合的原理

4．2．2 综合的结果

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 工作展望

致谢

参考文献

研究成果

附录A USB设备控制器的部分代码

附录B 部分综合电路图