基于FPGA实现的USB串口通信

论文摘要

随着现代科学技术的进步和集成电路技术的飞速发展,计算机的性能得到很大的提升,从而对计算机与外围设备之间的接口提出了更高的技术要求。通用串行总线(Universal Serial Bus USB)具有即插即用和热插拔等特性,在传输速率和价格方面有较高的性价比,因此现今已成为电脑外围设备的一种接口标准,并且广泛地应用于各种电子数码产品当中,在通讯和工业领域也同样有着广阔的应用前景。论文首先介绍了FPGA设计流程以及开发环境ISE,仿真环境ModelSim;然后介绍了USB2.0协议,并分别对USB2.0的物理接口、拓扑结构、数据流模型、端点和管道两个概念以及数据格式等进行了分析。最后针对USB2.0接口的具体功能要求,.提出了基于FPGA的USB设备接口的总体设计方案。该方案采用自顶向下的模块化设计方法,降低了设计的复杂度,使得整个设计结构清晰。同时采用硬件描述语言Verilog HDL编程,辅以原理图输入方式,有利于在各种不同的应用环境中进行优化,也大大提高了USB接口的传输速度。设计中将系统划分成UTMI,协议层,寄存器,存储器、仲裁和功能接口五个子模块,之后在系统级描述的基础上,依次对各个功能模块进行进一步的结构和功能划分。本文重点对系统的UTMI接口、USB协议层、存储器和仲裁3个子模块进行了详细的研究,做了较多的分析工作,使用Verilog HDL硬件描述语言完成对各子模块的功能描述,并得到了相应的模块图,同时使用ModelSim做了相应的仿真工作,仿真结果基本符合设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 USB与其他接口的比较
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.2.3 USB接口芯片硬件实现方式
• 1.3 论文研究内容
• 1.4 论文结构安排
• 第2章 系统开发环境
• 2.1 FPGA简介
• 2.1.1 FPGA的发展历程
• 2.1.2 FPGA基本工作原理
• 2.1.3 FPGA设计流程
• 2.2 系统硬件开发平台
• 2.2.1 系统硬件资源
• 2.2.2 XUPV2PRO主控板模块简介
• 2.2.3 片内微处理器PowerPC简介
• 2.3 开发工具ISE简介
• 2.4 仿真环境ModelSim简介
• 第3章 USB2.0协议介绍
• 3.1 USB通信协议总揽
• 3.2 USB的物理接口
• 3.2.1 电气特性
• 3.2.2 机械特性
• 3.3 USB的系统结构
• 3.3.1 总线拓扑结构
• 3.3.2 数据流模型
• 3.4 USB的两个重要概念
• 3.4.1 端点
• 3.4.2 管道
• 3.5 USB的数据格式
• 3.5.1 域
• 3.5.2 包
• 3.5.3 事务
• 3.5.4 传输
• 3.6 USB3.0简介
• 3.6.1 发展现状
• 3.6.2 技术兼容性
• 3.6.3 接口结构
• 3.6.4 工作原理
• 3.6.5 应用前景
• 3.7 小结
• 第4章 USB设备接口的设计
• 4.1 USB设备接口的总体框架
• 4.2 UTMI模块的设计
• 4.2.1 UTMI模块总体框架
• 4.2.2 UTMI模块端口信息
• 4.3 协议层模块的设计
• 4.3.1 协议层模块的总体设计
• 4.3.2 IDMA模块
• 4.3.3 包拆卸器模块
• 4.3.4 包装配器模块
• 4.3.5 协议引擎模块
• 4.4 存储器、仲裁模块设计
• 4.5 寄存器模块的设计
• 4.5.1 USB控制/状态寄存器
• 4.5.2 端点寄存器
• 4.6 功能接口模块的设计
• 第5章 USB接口的仿真与性能分析
• 5.1 系统仿真分析
• 5.1.1 UTMI接口模块仿真
• 5.1.2 协议层模块仿真
• 5.1.3 存储器、仲裁模块仿真
• 5.1.4 功能接口模块仿真
• 5.2 下载配置
• 5.3 系统性能分析
• 第6章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历