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USB2.0 OTG IP核全速主机控制器研究与设计

2020-11-30阅读(90)

USB2.0 OTG IP核全速主机控制器研究与设计

论文摘要

越来越多便携式外围设备使用USB接口与PC通信,但通常USB接口不支持两个USB外围设备之间的直接通信。OTG的出现解决了这一问题,支持OTG规范的USB OTG双重角色设备既可以实现主机功能,又可以实现标准设备功能,使得支持OTG规范的外围设备能充当主机与标准设备直接通信,而不需要PC的参与,此外两个支持OTG规范的外围设备也能直接通信。本文介绍一种基于ARM芯片的USB2.0 OTG接口IP设计,主要对其中的全速主机控制器模块设计和IP核的验证进行讨论。该USB2.0 OTG IP核支持USB2.0协议、OTG补充规范、UTMI+协议、OHCI以及EHCI协议。该IP核的一侧通过UTMI+的PHY与OTG设备通信;另一侧通过存储器控制器与ARM相连,使得ARM访问IP核如同访问存储器。USB2.0 OTG IP核主要包括OTG控制器（OTGC）、高速主机控制器（EHC）、全速主机控制器（OHC）以及设备控制器（DC）。基于标准OHCI协议设计的全速主机控制器具有总线控制权,是一个MASTER,而本IP核独立于MCU作为不具有总线控制权的接口模块设计,其与MCU的数据交互均通过中断服务程序完成,是一个SLAVE。所以在全速主机控制器模块设计中,对OHCI协议规定的用于表述端点描述符和传输描述符的数据结构以及事务调度过程进行一定的改进,由存储在片外存储器的链表结构改成存储在片内缓冲区的顺序表结构,从而实现了不具有总线控制权的全速主机控制器。本人在项目中完成的工作主要有全速主机控制器的硬件设计与IP核的EDA验证。全速主机控制器包括如下模块:OHCGR、OHCUSC、OHCLPB、OHCBC、OHCSIE和OHCRH。OHCGR完成全局软、硬复位控制;OHCUSC实现USB状态跳转控制;OHCLPB完成USB主机事务调度;OHCBC控制OHCLPB和OHCSIE对片内缓冲区的访问;OHCSIE用于解析USB协议,包括解包组包;OHCRH实现设备连接、断开、复位、挂起与恢复等功能。本IP核的EDA验证采用Synopsys的VIP作为UTMI+接口侧的激励,ARM侧则是按照s3c2410的规格编写的存储器控制器、DMA控制器和中断控制器的行为级代码以模拟ARM的功能,这样做主要是为了减少ARM侧验证的复杂度。本IP核的FPGA测试分两步走,首先测试高速主机控制器、全速主机控制器和设备控制器的功能,以确保IP核能独立作为标准主机和标准设备使用,当这三个模块的功能均实现后,再将这三个模块与OTG控制器一起联调以测试IP核的OTG功能。目前全速主机控制器的功能已全部实现,在FPGA下能实现文件的正常传输。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 引言
  • 1.1 USB OTG 协议及国外研究发展状况
  • 1.2 USB 国内研究发展状况
  • 1.3 课题设计目标
  • 1.4 本人工作任务
  • 1.5 本论文的安排
  • 第二章 USB2.0 OTG 总线协议
  • 2.1 USB2.0 协议总揽
  • 2.2 USB 系统的结构
  • 2.2.1 USB 主机
  • 2.2.2 USB 设备
  • 2.3 传输类型
  • 2.3.1 控制传输
  • 2.3.2 同步传输
  • 2.3.3 中断传输
  • 2.3.4 批量传输
  • 2.4 OTG 补充规范
  • 2.5 OTG 电气规范
  • 2.6 UTMI+接口规范
  • 第三章 OHCI 协议规范
  • 3.1 USB 主机体系
  • 3.2 OHCI 数据结构
  • 3.2.1 列表结构
  • 3.2.2 端点描述符
  • 3.2.3 传输描述符
  • 3.3 主机控制器驱动程序
  • 3.3.1 主机控制器管理
  • 3.3.2 带宽分配
  • 3.3.3 列表管理
  • 3.4 主机控制器
  • 3.4.1 USB 状态控制
  • 3.4.2 帧管理
  • 3.4.3 列表处理
  • 3.5 OHCI 操作寄存器
  • 第四章 USB2.0 OTG IP 核全速主机控制器设计
  • 4.1 USB2.0 OTG IP 核系统结构
  • 4.2 模块功能简介
  • 4.3 数据传输方式
  • 4.3.1 PIO 方式
  • 4.3.2 DMA 方式
  • 4.4 全速主机控制器详细设计方案
  • 4.4.1 GR 模块设计
  • 4.4.2 USC 模块设计
  • 4.4.3 LPB 模块设计
  • 4.4.4 BC 模块设计
  • 4.4.5 SIE 模块设计
  • 4.4.6 RH 模块设计
  • 第五章 全速USB 事务调度技巧
  • 5.1 标准OHCI 协议的USB 事务调度
  • 5.1.1 OHCI 协议的USB 主机软硬件交互通道
  • 5.1.2 OHCI 协议中USB 事务调度
  • 5.2 本设计中USB 事务调度
  • 5.2.1 数据结构
  • 5.2.2 全速USB 事务调度过程
  • 5.3 避免多时钟域处理
  • 第六章 USB2.0 OTG IP 核的EDA 验证及FPGA 测试
  • 6.1 验证的意义
  • 6.2 USB2.0 OTG IP 核验证平台搭建
  • 6.2.1 USB2.0 OTG BFM
  • 6.2.2 ARM 控制
  • 6.2.3 SRAM
  • 6.3 USB2.0 OTG IP 核仿真验证
  • 6.3.1 全速主机控制器功能仿真
  • 6.3.2 IP 核的EDA 验证
  • 6.4 USB2.0 OTG IP 核的FPGA 测试
  • 6.4.1 FPGA 测试平台硬件介绍
  • 6.4.2 FPGA 测试平台软件介绍
  • 6.4.3 FPGA 测试结果
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 总结
  • 7.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文

    • 相关论文文献

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