OTG USB2.0 IP核设备控制器研究与实现

论文摘要

OTG协议是USB2.0的补充协议,可应用于嵌入式设备,使之兼备USB主机和设备双重功能。增强其便携性,拓宽应用范围。实现OTG功能关键之一在于实现OTG接口控制芯片,配合驱动程序构成OTG上层应用开发的基础。设计OTG接口控制芯片,依照设计流程,首先从相关协议入手,进行了系统级设计。主要是对系统软硬件进行划分,规划硬件功能,制定接口信号和相关时序。再根据规格利用硬件描述语言编写代码描述电路。通过验证保证了描述电路功能符合协议要求。最后使用综合工具将其转化为实际电路并利用FPGA平台进行了测试。设计电路时不仅要考虑面积与功耗等影响,更重要必须保证设计完全正确。进行电路设计时参考了很多指导性原理和经验,从源头增强设计鲁棒性。其次对设计进行充分验证也是保障的必要手段之一。针对OTG控制器,设计并使用了一专用验证平台,使验证环境更逼近真实,能提高验证效率和覆盖率,得到更加可靠的结果。使用硬件描述语言描述电路,尤其是状态机时,利用可循规律,设计实现了一软件,该软件能自动生成状态机RTL代码,提高了设计效率。OTG接口控制芯片内包含主机控制器和设备控制器,设备控制器电路实现USB协议设备功能。由外部处理器运行驱动程序调度,完成数据传输,并与主机交互。基于Linux的设备控制器驱动程序总称为USB Gadget驱动,分之为三层结构。底层USB设备控制器驱动封装特定硬件控制器细节,中间层提供标准接口与上层驱动通信,上层驱动则完成特定USB设备功能如大规模存储等。基于这种驱动架构的特点,对设备控制器底层驱动程序的原理和构架进行了研究和探讨。分析OTG接口控制芯片大规模存储功能测试结果,OTG接口控制器实现了预期USB设备控制器功能。为进一步应用OTG功能开发奠定基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 OTG技术简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文课题背景
• 1.4 论文内容安排
• 第二章 OTG控制器系统设计
• 2.1 OTG控制器设计目标
• 2.2 OTG控制器系统基本原理
• 2.2.1 USB2.0协议
• 2.2.2 UTMI协议与UTMI+协议
• 2.2.3 OTG补充协议
• 2.2.4 EHCI与OHCI协议
• 2.2.5 Bulk-Only协议
• 2.2.6 USB系统模型
• 2.3 OTG控制器系统架构
• 2.3.1 USB系统软硬件划分
• 2.3.2 OTG控制器总体方案
• 2.3.3 OTG控制器硬件框架
• 2.3.4 OTG控制器中设备控制器功能与接口定义
• 2.4 设计流程
• 第三章 OTG设备控制器逻辑电路设计
• 3.1 硬件逻辑设计原理
• 3.1.1 可综合的代码
• 3.1.2 模块划分规则
• 3.1.3 复位
• 3.1.4 状态机与数据通道
• 3.1.5 亚稳态
• 3.2 设备控制器内部模块划分
• 3.3 设备控制器模块详细设计
• 3.3.1 复位挂起恢复功能实现
• 3.3.2 数据接收通道设计
• 3.3.3 数据发送通道设计
• 3.3.4 控制单元设计
• 3.3.5 实现寄存器
• 3.3.6 端点缓存区设计
• 3.3.7 端点管理单元设计
• 3.4 辅助设计工具的设计与实现
• 第四章 OTG设备控制器的验证和仿真
• 4.1 验证基本原理
• 4.1.1 验证定义
• 4.1.2 验证手段
• 4.1.3 验证结果
• 4.2 设备控制器验证平台构架
• 4.2.1 设备控制器验证环境
• 4.2.2 设备控制器验证平台结构
• 4.2.3 设备控制器验证平台的层次
• 4.3 设备控制器验证方法
• 4.3.1 模拟UTM基本接口时序
• 4.3.2 总线接口与中断信号
• 4.3.3 测试平台自检测
• 4.3.4 复位挂起恢复过程仿真
• 第五章 OTG设备控制器驱动程序设计
• 5.1 基于Linux的驱动程序原理
• 5.1.1 驱动程序基本思想
• 5.1.2 驱动设计编译基本环境
• 5.1.3 驱动程序调试方法
• 5.2 字符型驱动程序设计
• 5.2.1 字符驱动的架构
• 5.2.2 输入输出与中断
• 5.3 基于设备驱动模型的驱动程序
• 5.3.1 Linux设备驱动模型基本原理
• 5.3.2 OTG设备控制器的Gadget驱动程序设计
• 5.4 设备控制器驱动基本流程
• 第六章 OTG设备控制器测试结果
• 6.1 基于VIP的OTG系统级验证结果及分析
• 6.1.1 OTG设备控制器系统级验证环境
• 6.1.2 OTG设备控制器设备功能验证结果及分析
• 6.2 基于FPGA平台的业务测试结果及分析
• 6.2.1 FPGA测试平台的构成
• 6.2.2 FPGA测试及结果分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文