USB2.0设备控制器的设计

论文摘要

随着通用串行总线USB (Universal Serial Bus)规范发布以来,以其支持热插拔、携带方便、可以连接多个设备、传输速度快等诸多优点成为计算机的标准外围设备接口。USB设备作为一个完整的硬件设备,是由硬件和固件两部分来组成的。其中固件中包括了有关系统配置和CPU的一些设置模块。通常USB设备在硬件上要由USB的芯片来实现。USB芯片的作用主要有：管理和实现USB物理层差模信号；提供给连接的端口；USB协议层的实现；电源管理；以寄存器的形式提供各种端点；提供各种配置和存储寄存器。本论文主要以研究Cypress公司CY7C68013A芯片的应用为切入点,首先分析了USB2.0的相关协议,概括了USB2.0总线实现数据传输的基本原理。其次,阐述了CY7C68013A芯片的内部结构和支持的运行模式。再次,介绍了以FPGA为外部逻辑控制器使CY7C68013A芯片应用在Slave FIFO模式下的外围电路设计。在此部分介绍了FPGA的一般设计流程,利用Verilog HDL硬件描述语言完成了外部逻辑控制器的设计和实现。最后,本文介绍了CY7C68013A芯片应用中所涉及的软件部分。其中包括固件程序设计、设备驱动程序、固件加载驱动程序和应用程序的介绍。经过调试实现了开发板与上位机的USB2.0通信。其优点是FPGA作为控制器与USB模块分离开,实际工作过程中FPGA不需要参与USB协议层的命令处理。FPGA只需要处理实际传输的数据,从而提高了FPGA处理其他工作的性能。此方案可以广泛应用于以USB作为通信接口并且以FPGA作为处理器的嵌入式设备中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 USB技术发展状况
• 1.3 课题的主要研究内容和工作
• 1.4 论文的主要安排
• 第二章 USB协议介绍
• 2.1 USB总体介绍
• 2.2 USB体系结构
• 2.2.1 USB主机
• 2.2.2 USB功能设备
• 2.2.3 USB HUB
• 2.3 USB数据流模型
• 2.3.1 端点（EndPoint）
• 2.3.2 管道（Pipe）
• 2.4 USB的编码方式
• 2.5 字段
• 2.5.1 同步字段（SYNC）
• 2.5.2 包标识字段（PID）
• 2.5.3 地址字段（ADDR）
• 2.5.4 端点字段（ENDP）
• 2.5.5 帧数字段（Frame Number Field）
• 2.5.6 数据字段（Data Field）
• 2.5.7 循环冗余码检测字段（Cyclic Reduancy Checks,简称CRC）
• 2.6 信息包的格式
• 2.6.1 令牌包
• 2.6.2 数据包
• 2.6.3 握手包
• 2.7 四种传输类型
• 2.7.1 控制传输
• 2.7.2 中断传输
• 2.7.3 批量传输
• 2.7.4 同步传输
• 2.8 本章小结
• 第三章 CY7C68013A芯片介绍
• 3.1 CY7C68013A芯片简介
• 3.2 CY7C68013A特点
• 3.3 引脚说明
• 3.4 存储器说明
• 3.5 中断说明
• 3.6 重枚举说明
• 3.7 端点说明
• 3.7.1 端点的两种模式
• 3.8 Slave FIFO模式简介
• 3.9 GPIF模式简介
• 3.10 本章小结
• 第四章 FPGA硬件部分设计
• 4.1 FPGA开发板的硬件简介
• 4.2 Xilinx XC3S400主芯片
• 4.3 电源部分
• 4.4 时钟源
• 4.5 复位电路
• 4.6 JTAG下载与调试接口
• 4.7 SRAM（Static RAM）芯片
• 4.8 USB2.0接口
• 4.9 在FIFO方式下的硬件设计部分
• 4.9.1 可编程逻辑器件的基本开发流程
• 4.9.2 Slave FIFO模式硬件连接
• 4.9.3 Slave FIFO的异步读设计
• 4.9.4 Slave FIFO的异步写设计
• 4.10 本章小节
• 第五章 软件部分设计
• 5.1 CY7C68013A固件程序设计
• 5.1.1 CY7C68013A固件程序框架介绍
• 5.1.2 钩子函数介绍
• 5.1.3 USB的中断
• 5.2 USB驱动程序
• 5.2.1 USB设备驱动程序
• 5.2.2 USB固件加载驱动程序
• 5.3 应用程序
• 5.4 本章小节
• 第六章 仿真与测试
• 6.1 测试内容
• 6.2 测试环境
• 6.3 SRAM读写测试
• 6.4 批量传输循环测试
• 6.5 本章总结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢