USB2.0设备控制器IP核的设计与FPGA验证

摘要

随着计算机及其外围设备的发展，传统的并行接口和串行接口在灵活性和接口扩展等方面存在的缺陷愈来愈不可回避，并逐渐成为计算机通信的瓶颈。在这种情况下，通用串行总线(USB)诞生了。USB由于具有传输速率高、价格便宜、使用方便、灵活性高、支持热插拔、接口标准化和易于扩展等优点，目前已经成为计算机外设接口的主流技术，在计算机外围设备和消费类电子领域正获得越来越多的应用。 本文基于USB2.0协议规范，设计了一款支持高速和全速传输的USB2.0设备控制器IP核。介绍了这款设备控制器IP核的设计和FPGA验证工作，详细研究并分析了USB2.0规范，根据规范提出了一种USB2.0设备控制器整体构架方案，描述了各个功能子模块硬件电路的功能及实现。从可重用的角度出发，对设备控制器模块进行优化设计，增加多个灵活的配置选项，根据不同的应用对硬件进行配置，使其在满足要求的情况下去除冗余电路，以减少占用面积和功耗，从而使其灵活地应用于各种USB系统。本文还研究了IP核的验证方法，并对所设计的USB2.0设备控制器建立了功能完备的ModelSim仿真验证环境，搭建了FPGA硬件验证平台，设计了具有AHB接口的设备控制器和带有8051的设备控制器，并分别在FPGA平台上进行了功能验证。本文所设计的USB2.0设备控制器IP核可配置性高，使用者可以自由配置所需端点的个数以及每个端点类型等，可以集成于多种USB系统中，适于各类USB设备的开发。本课题所取得的成果为USB2.0设备类的研究和开发积累了经验，并为后来实验室某项目测试芯片的USB数据采集提供了参考方案，也为未来USB3.0接口IP核的开发和应用奠定了基础。

目录

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声明

第1章绪论

1.1计算机总线技术及USB产生背景

1.2 USB特点及趋势

1.3 USB功能设备芯片及国内外研究现状

1.4课题研究意义及本文工作

1.5本文结构

第2章USB2.0协议分析

2.1 USB系统的组成

2.1.1 USB主机

2.1.2 USB设备架构

2.2 USB的事务处理

2.2.1字段的格式

2.2.2信息包的格式

2.2.3事务处理

2.3 USB的数据传输

2.3.1控制传输

2.3.2块传输

2.3.3中断传输

2.3.4同步传输

2.4 USB设备枚举过程

2.5本章小结

第3章USB2.0设备控制器IP核硬件设计

3.1 USB设备控制器整体框图设计

3.2功能子模块设计

3.3.1端点控制器模块

3.3.2拆包/组包模块

3.3.3 UTM同步模块

3.3.4 CPU接口模块

3.3.5 RAM控制器

3.3带有8051的USB2.0设备控制器的验证

3.3.1 M8051EW主要特性

3.3.2 8051与USB2.0IP核的连接

3.4 USB2.0设备控制器IP核的功能特点

3.5本章小结

第4章USB2.0设备控制器IP核的验证

4.1 IP验证方法概述

4.1.1仿真环境的建立

4.1.2 FPGA验证流程介绍

4.1.3 FPGA开发板资源

4.1.4 FPGA硬件验证环境

4.2结果及分析

4.3 USB2.0设备控制器IP核的应用

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢