流量计量SOC芯片中USB引擎的设计

论文摘要

USB接口由于具有高速、连接简单、无须外接电源及良好的兼容性等特点,目前已经成为多种外围设备与计算机连接的首选接口。流量计量SOC芯片采用USB接口与计算机连接,实现计算机对芯片测量数据的读取及对芯片进行设置调整。本文主要研究的是该SOC芯片中USB接口的核心单元——USB引擎的设计。在分析芯片系统要求的基础上,设计了符合USB1.1协议规范的串行接口引擎和包含三个端点的端点控制逻辑单元,可实现基于控制和批量传输方式的USB通信。此外,在设计中还增加了一个由用户选择使用的片内枚举单元,以硬件方式实现对USB枚举的响应处理,从而可以简化MCU固件代码并提高枚举速度。USB引擎的设计按照ASIC设计流程。在整体分析的基础上进行功能模块划分,采用硬件描述语言Verilog HDL开展RTL级电路设计,经仿真后,选用Cyclone EP1C12Q240C8进行了FPGA验证,结果表明电路的物理实现功能正确,符合设计要求。考虑可测性设计(DFT)要求,采用Chartered0.35μm工艺的标准单元库对RTL代码进行了DFT综合,完成门级电路映射优化并添加了内部全扫描结构。电路的门级网表在Primetime中进行了静态时序分析,并由形式验证工具Formality验证,确定门级电路与通过FPGA物理验证的RTL级设计功能一致。最后采用自动布局布线工具Astro对电路进行了版图设计,并提取标准延时文件进行后仿真和静态时序分析,结果表明USB引擎的物理版图无时序违反,可实现USB串行接口引擎功能,完成对USB1.1协议的解释,实现基于控制和批量传输方式的USB通信。设计过程中考虑了可测性设计要求,在电路中添加全扫描结构,便于芯片生产缺陷的测试,为USB引擎成为可重用的IP核打下基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 流量计量SOC芯片简介
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 系统结构
• 1.2 USB接口技术简介
• 1.3 选题说明
• 1.4 本章小结
• 第二章 US81.1 通信协议
• 2.1 USB通信流管理
• 2.2 USB信息包
• 2.3 USB事务处理
• 2.4 USB控制传输
• 2.5 USB设备枚举及标准设备请求
• 2.6 USB错误控制机制
• 2.7 本章小结
• 第三章 USB引擎的设计与FPGA验证
• 3.1 整体分析
• 3.1.1 功能、接口分析及模块划分
• 3.1.2 时钟规划
• 3.2 电路RTL级设计
• 3.2.1 接收单元
• 3.2.2 发送单元
• 3.2.3 端点缓冲区
• 3.2.4 端点控制中心
• 3.2.5 片内自枚举单元
• 3.3 设计整合及整体仿真
• 3.4 USB引擎的FPGA验证
• 3.4.1 验证方案
• 3.4.2 验证步骤及结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 USB引擎的DFT综合及后端设计
• 4.1 USB引擎的DFT综合
• 4.1.1 DFT内部扫描测试简介
• 4.1.2 USB引擎的DFT综合优化
• 4.1.3 DFT综合结果分析
• 4.1.4 形式验证
• 4.2 布局布线及后仿真
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 全文总结
• 5.2 后续工作
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢