USB设备接口芯片的FPGA实现

论文摘要

USB技术的出现几乎统一了所有外围设备的接口市场,现今的各种外设包括从低速到高速的设备都会提供其USB接口的版本,而2008年年末USB3.0协议的推出更是掀起了USB外设市场的又一个春天。本文针对USB2.0协议,给出了硬件电路与MCU固件相结合的设计理念。首先从USB设备功能的角度分析了USB2.0协议的总线结构、电气物理特性、设备枚举过程和四种USB传输方式并简单介绍了UTMI协议的作用及其意义。随后在此基础上根据USB设备接口的特性提出了四大模块的划分,将系统划分为MCU及其接口模块、USB设备和协议控制器模块、端点存储单元模块、UTMI及其接口模块。并在Synopsys IP的支持下设计和优化了MCU模块与USB设备和协议控制器模块,用VerilogHDL语言重点完成了端点存储管理单元模块和MCU接口模块的RTL级设计,此外采用了CYPRESS的CY7C68000作为整个USB设备端的高速物理收发芯片,并在此基础上绘制了UTMI接口的PCB板,从而完成了USB2.0设备接口端整个硬件电路的设计与实现。然后分析了USB设备接口端固件的工作原理与整体结构,依据固件程序的设计流程依次分析和实现了USB中断处理程序,USB标准请求处理和描述符的返回实现,并结合具体的HID类设备-键盘的固件程序重点介绍了HID类USB设备报告描述符的实现以及输入输出报告的返回细节。最后利用USB主机和UTMI总线功能模型搭建了对USB设备和协议控制器的测试平台并完成了Setup、IN、OUT三种传输方式以及异常和错误情况的仿真测试。并最终在Altera的CycloneII FPGA上完成了USB设备接口芯片的实现。最后的结果表明该设计能够在预定的时钟频率下工作,完成了USB设备接口芯片的功能,对USB设备接口的SoC集成有着指导和借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 USB 技术
• 1.2.1 USB 技术产生的背景
• 1.2.2 USB 技术的国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 论文的主要内容
• 1.4 论文的结构安排
• 第2章 USB2.0 协议基础及UTMI 简介
• 2.1 USB 拓扑结构
• 2.2 USB 电气特性
• 2.3 USB 插入检测机制
• 2.4 USB 的描述符及其之间关系
• 2.5 USB 设备的枚举过程
• 2.6 USB 的包结构及传输过程
• 2.7 USB 的四种传输类型
• 2.8 UTMI
• 2.9 本章小结
• 第3章 USB 2.0 设备接口芯片的硬件设计
• 3.1 MCU 模块
• 3.2 USB 设备控制器模块
• 3.2.1 PHY 接口引擎（PIE）
• 3.2.2 协议引擎（PE）
• 3.3 端点存储单元模块
• 3.3.1 端点存储管理
• 3.3.2 端点Memory
• 3.4 MCU 接口模块
• 3.4.1 USB 设备寄存器读写接口
• 3.4.2 USB 中断接口
• 3.5 PHY 模块
• 3.6 本章小结
• 第4章 USB 2.0 设备接口芯片的软件设计
• 4.1 USB 固件程序的流程
• 4.2 MCU 和USB 设备接口芯片的初始化
• 4.3 USB 中断处理程序
• 4.4 USB 标准请求处理
• 4.4.1 获取描述符请求
• 4.4.2 设置地址请求
• 4.4.3 设置配置请求
• 4.5 描述符的实现
• 4.5.1 设备描述符的实现
• 4.5.2 配置描述符集合的实现
• 4.5.3 字符串描述符的实现
• 4.5.4 设备限定描述符和其它速率描述符的实现
• 4.5.5 报告描述符的实现
• 4.6 输入和输出报告的实现
• 4.7 本章小结
• 第5章 USB 设备接口芯片的验证及其FPGA 实现
• 5.1 基于总线功能模型的验证
• 5.1.1 Setup 事务的测试
• 5.1.2 IN 事务的测试
• 5.1.3 OUT 事务的测试
• 5.1.4 异常和错误情况的测试
• 5.2 USB 设备接口芯片的FPGA 综合
• 5.2.1 FPGA 设计流程
• 5.2.2 FPGA 综合
• 5.3 USB 设备接口芯片的FPGA 验证与实现
• 5.3.1 FPGA 单元的定制
• 5.3.2 MCU 模块的FPGA 验证
• 5.3.3 USB 设备接口芯片的FPGA 实现
• 5.4 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