USB接口电路的设计与实现——接收端的设计

摘要

通用串行总线(USB)是应用在PC领域中的新型接口技术,自从Windons98操作系统全面对USB接口支持后,USB逐渐进入实用阶段.利用USB可以实现较传统方式更有效、更经济、更多扩展的PC外设与PC相连.通用串行总线(USB)作为一种新兴的计算机外设总线标准,从标准的出现到大规模的应用,仅用了短短几年的时间,这一切都得益于它易用、真正的热插拔、高性能和系统造价低廉等忧点.它可以同时支持低速(1.5Mb/s)和全速(12Mb/s)以及高速(480Mb/s)的数据传输,还可以同时支持多达127个外设.连接方式也十分灵活,既可以串行连接,也可以用集线器(HUB)把多个设备连接在一起,再同PC机的USB接口相连.正由于USB的这些特点,使其获得了广泛的应用.该文着重分析了USB总线的工作原理、通讯协议、总线体系结构、数据传输模式、USB数据流模型.提出设计了USB接口电路的整体构架,设计了USB的主要控制逻辑和与MCU的互连的接口(此接口与飞利普的USB接口芯片PDIUSBDl 2兼容),也设计了一个数字锁相环(DPLL)来同步数据和分离时钟,并对同步模式的识别、并行/串行转换、位填充/解除填充、CRC校验/产生、PID校验/产生、地址识别和握手评估/产生做了具体的分析.该课题具体是用Verilog语言设计了USB设备端的控制器(主要为接收部分),并用FPGA对其进行验证.采用自顶向下的设计方法,在充分了解系统的基础上,划分功能模块进行行为描述、RTL功能仿真、逻辑综合.在此基础上进一步做时序仿真和静态时序分析,产生BYTE文件,下载到FPGA进行实物验证.运用硬件描述语言一Verilog-HDL来完成代码设计,并使用Active-HDL和Synplify软件完成仿真和综合.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1概述

1.2 USB的用途

1.3 USB的布局

1.4通信模型

1.5常用的数据通讯方式及其现状

1.5.1无线通讯

1.5.2无线电传输

1.5.3微波传输

1.5.4电话系统

1.5.5其它通信方式

第二章USB通讯原理

2.1 USB的总线拓扑结构

2.2 USB物理层特性

2.2.1 USB的接口特性

2.2.2 USB的驱动特性

2.2.3数据的编码与解码

2.2.4位填充技术

2.3 USB通讯流模型

2.4 USB数据传输方式

第三章USB通讯协议

3.1包的组成

3.2包的类型

3.2.1令牌包

3.2.2数据包

3.2.3握手包

3.2.4特殊类型

3.3 CRC校验

3.3.1令牌的CRC校验

3.3.2数据的CRC校验

3.4数据传输中的事务处理

3.4.1块传输的事务处理

3.4.2控制传输的事务处理

3.4.3中断传输的事务处理

3.4.4等时传输的事务处理

3.5数据切片的同步和重试机制

3.6错误检测和恢复

第四章硬件的实现和分析

4.3设计工具

4.4 USBController IP与主机的通信

4.4.1主机如何探测设备的传输速度

4.4.2 USB信号

4.4.3 USB收发器

4.5 Verilog的实现(接收部分)

4.5.1 USB主控制逻辑

4.5.2特殊标志包的处理

4.5.3输入数据阶段

4.5.4输出数据阶段

第五章MCU接口

5.1初始化指令

5.2数据流指令

5.3普通指令

5.4缓冲管理

5.5缓存FIFO

5.5.1空满标志的产生

5.5.2 FIFO的稳定性

第六章项目验证和评估

6.1计算机仿真

6.2 FPGA验证

第七章总结与展望

致谢

参考文献