基于USB2.0的FPGA配置接口及实验开发评估板设计与实现

论文摘要

信号与信息处理是信息科学中近几年来发展最为迅速的学科之一,随着片上系统（SOC,System On Chip）时代的到来,FPGA正处于革命性数字信号处理的前沿。基于FPGA的设计可以在系统可再编程及在系统调试,具有吞吐量高,能够更好地防止授权复制、元器件和开发成本进一步降低、开发时间也大大缩短等优点。然而,FPGA器件是基于SRAM结构的编程工艺,掉电后编程信息立即丢失,每次加电时,配置数据都必须重新下载,并且器件支持多种配置方式,所以研究FPGA器件的配置方案在FPGA系统设计中具有极其重要的价值,这也给用于可编程逻辑器件编程的配置接口电路和实验开发设备提出了更高的要求。本论文基于IEEE1149.1标准和USB2.0技术,完成了FPGA配置接口电路及实验开发板的设计与实现。作者在充分理解IEEE1149.1标准和USB技术原理的基础上,针对Altera公司专用的USB数据配置电缆USB-Blaster,对其内部工作原理及工作时序进行测试与详细分析,完成了基于USB配置接口的FPGA芯片开发实验电路的完整软硬件设计及功能时序仿真。作者最后进行了软硬件调试,完成测试与验证,实现了对Altera系列PLD的配置功能及实验开发板的功能。本文讨论的USB下载接口电路被验证能在Altera的QuartusII开发环境下直接使用,无须在主机端另行设计通信软件,其兼容性较现有设计有所提高。由于PLD（Programmable Logic Device）厂商对其知识产权严格保密,使得基于USB接口的配置电路应用受到很大限制,同时也加大了自行对其进行开发设计的难度。与传统的基于PC并口的下载接口电路相比,本设计的基于USB下载接口电路及FPGA实验开发板具有更高的编程下载速率、支持热插拔、体积小、便于携带、降低对PC硬件伤害,且具备其它下载接口电路不具备的SignalTapII嵌入式逻辑分析仪和调试NiosII嵌入式软核处理器等明显优势。从成本来看,本设计的USB配置接口电路及FPGA实验开发板与其同类产品相比有较强的竞争力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 边界扫描测试技术的基本思想
• 1.1.2 边界扫描技术的特点和优势
• 1.2 边界扫描测试技术的应用及国内外发展现状分析
• 1.3 本课题的意义
• 1.4 工作内容、难点及论文结构安排
• 第二章 USB 总线协议与边界扫描测试技术
• 2.1 USB 总线技术的应用及发展
• 2.1.1 USB 的通信模式
• 2.1.2 USB 的数据传输及其类型
• 2.1.3 USB 设备列举
• 2.2 边界扫描测试技术
• 2.2.1 边界扫描测试系统原理图
• 2.2.2 测试存取通道
• 2.2.3 TAP 控制器
• 2.2.4 寄存器
• 2.2.5 操作方式
• 2.3 本章小结
• 第三章 配置接口电路和开发板的设计方案分析
• 3.1 现有的USB 配置接口电路设计方案分析
• 3.2 对可编程逻辑器件配置编程过程的体系结构
• 3.2.1 数据信号在编程配置过程中的通信方式
• 3.2.2 对可编程逻辑器件配置编程过程的体系结构
• 3.3 本设计系统结构及各模块划分
• 3.3.1 配置接口电路与FPGA 实验开发板系统结构
• 3.3.2 USB 模块功能模型
• 3.3.3 JTAG 模块功能模型
• 3.3.4 配置工具对目标器件配置过程及内部通信机制研究方案
• 3.4 本章小结
• 第四章 对FPGA 编程配置过程时序分析
• 4.1 对FPGA 编程与配置的概念
• 4.2 Altera 器件编程模式介绍
• 4.2.1 被动串行（PS）方式
• 4.2.2 主动串行（AS）方式
• 4.2.3 JTAG 方式
• 4.3 CycloneII 器件的JTAG 指令
• 4.4 EP2C5 简介
• 4.5 EP2C5 配置过程
• 4.5.1 识别USB 下载接口电路
• 4.5.2 测试BST 电路
• 4.5.3 下载编程数据
• 4.5.4 内建自测试
• 4.5.5 校验器件的IDCODE 和返回
• 4.5.6 EP2C5 配置过程总结
• 4.6 本章小结
• 第五章 接口及开发板各模块设计与仿真
• 5.1 JTAG 模块设计实现
• 5.1.1 JTAG 模块使用的CPLD 简介
• 5.1.2 CPLD 同其他模块接口的连接
• 5.1.3 JTAG 配置接口模块的硬件描述语言实现
• 5.2 USB 模块设计实现
• 5.2.1 FT245BM 介绍
• 5.2.2 USB 模块电路原理图设计
• 5.3 本章小结
• 第六章 测试与验证
• 6.1 测试方案
• 6.2 测试环境
• 6.3 硬件测试
• 6.3.1 测试USB 控制芯片
• 6.3.2 在QuartusII 中识别USB 配置接口电路
• 6.4 下载验证
• 6.4.1 下载验证的方案
• 6.4.2 使用设计的USB 配置接口电路配置目标器件
• 6.5 兼容性和稳定性测试
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及在校期间研究成果