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USB总线信号分析系统的设计与实现

2020-12-06阅读(995)

USB总线信号分析系统的设计与实现

论文摘要

随着个人电脑的普及,USB已经成为各种电脑的标准接口。由于USB协议自身的复杂性,开发USB接口的设备对开发者来说是一个极大的挑战。开发人员必须具有一定的测试测量工具,对开发中的每一个环节进行定性定量的分析,才能找到问题的根源。一般来说,除了常规的工具,开发USB接口还需要USB协议分析工具,以帮助分析开发过程中遇到的与协议有关的错误和问题。为了从根本上解决USB接口开发过程中遇到的各种各样的问题,本文给出了一种全新的USB协议分析方案:监测USB总线上的状态和信号,分析每个USB接口发出的数据包,将分析结果以直观的形式显示出来,最终使用户快速定位问题,解决问题。本文的主要研究内容如下:1.CPLD逻辑设计。主要解决USB数据流处理问题,包括USB总线状态的转换、总线速度的识别、DPLL(数字锁相环)、数据的可靠读取(抗干扰)、位消除、串并转换、写入信号的产生、定时器等。2.硬件电路的需求分析和实现。由于USB 1.1规范支持低速(1.5Mbps)和全速(12Mbps),因此硬件电路必须能支持这两种速度,且能自动识别。3.分析软件的需求分析和算法实现。由于USB协议的复杂性,对USB数据包进行分析是一件非常复杂的工作。除了USB标准请求之外,USB实现者论坛还制订了三十多个类规范,尤其是,这些类规范会不断更新,并增加新的类规范。这些类请求可以根据需要逐步添加,但在需求分析时必须充分考虑其复杂性。4.模拟调试。对各个组成部分分别进行调试,然后对整个系统的功能、性能进行检验。由于USB协议的复杂性,调试过程也将非常复杂繁琐,测试数据的选择和生成将是这部分的难点。本课题的创新点在于:1.根据USB1.1规范,结合使用需求,给出切实可行的USB成帧算法。2.在高速突发环境中,通过使用双端口存储器,可以选择价格低廉的慢速单片机。3.分析软件的模块化设计,可以支持不断推出的新的类规范。

论文目录

  • 表目录
  • 图目录
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景和意义
  • 1.2 研究内容与论文结构
  • 第二章 USB 通信简介
  • 2.1 USB 基本概念
  • 2.2 USB 体系的逻辑结构
  • 2.3 USB 设备架构
  • 2.4 USB 物理接口
  • 2.5 USB 总线速度及其识别
  • 2.6 USB 总线状态
  • 2.7 USB 总线事件及其识别
  • 2.7.1 设备插入
  • 2.7.2 设备拔出
  • 2.7.3 设备复位
  • 2.7.4 设备挂起
  • 2.7.5 设备恢复
  • 2.7.6 数据包开始（SOP）
  • 2.7.7 数据包结束（EOP）
  • 2.8 USB 数据编码
  • 2.9 USB 数据包分类及其编码
  • 2.9.1 概述
  • 2.9.2 令牌包
  • 2.9.3 数据包
  • 2.9.4 握手包
  • 2.10 USB 通信实例
  • 第三章 USB 总线信号分析系统的组成
  • 3.1 系统结构模型和硬件组成
  • 3.2 用户USB 总线信号获取
  • 3.2.1 USB 总线信号简介
  • 3.2.2 与用户USB 总线的连接
  • 3.2.3 USB 收发器
  • 3.2.4 USB 总线信号与DP，DM 和RCV 的对应关系
  • 3.3 小结
  • 第四章 CPLD 编码
  • 4.1 开发工具简介
  • 4.1.1 集成开发环境（ISE）
  • 4.1.2 模型仿真软件ModelSim XE
  • 4.1.3 烧写工具
  • 4.2 CPLD 器件选择
  • 4.3 CPLD 功能
  • 4.4 相位跟踪电路（DPLL）
  • 4.5 有限状态机（FSM）
  • 4.5.1 用户USB 总线状态
  • 4.5.2 用户USB 总线事件
  • 4.5.3 用户USB 总线的速率识别
  • 4.6 MCU 数据包装配
  • 4.6.1 MCU 数据包的格式
  • 4.6.2 输出STX
  • 4.6.3 输出ETX
  • 4.6.4 字节插入
  • 4.7 数据输出
  • 4.8 仿真
  • 4.9 小结
  • 第五章 MCU 固件
  • 5.1 开发工具
  • 5.1.1 MPLAB 简介
  • 5.1.2 编译器PICC-18 PRO
  • 5.1.3 单片机开发工具ICD2
  • 5.2 MCU 功能
  • 5.2.1 中断服务程序ISR
  • 5.2.2 USB 标准请求及设备响应
  • 5.2.3 USB 缓冲存储器
  • 5.2.4 MCU 从FIFO 中读取数据
  • 5.3 MCU 固件的调试
  • 5.4 VID 和PID 问题
  • 5.5 小结
  • 第六章 分析软件的实现
  • 6.1 开发环境
  • 6.2 驱动程序
  • 6.3 应用程序对UPA11 硬件的访问
  • 6.4 应用程序快速读取UPA11 的数据
  • 6.5 分离USB 数据包
  • 6.6 USB 数据包错误检测
  • 6.7 过滤
  • 6.8 USB 数据包分析
  • 6.9 小结
  • 结束语
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果

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