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基于Xilinx FPGA的USB 2.0控制器开发

作　者: 高强
导　师: 冉全
学　校: 武汉工程大学
专　业: 计算机应用
关键词: USB2.0控制器 FPGA Verilog HDL
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


当前,由于USB2.0接口具有成本低、传输数据时速度快、使用方便、灵活性高、与外设连接时实现热插拔等特点,USB2.0接口受到越来越多的研究者的关注,并投入对其的研究中,使得USB接口发展速度非常快,设备的种类和数量也急剧增加。据In-Stat报告,USB电子产品每年的发货量将从2005年的13亿翻番至2010年的27.9亿。因此本文的研究具有巨大的使用价值和广泛的应用前景。本文在研究了USB协议原理的基础上,参考Cypress Semiconductor公司EZ-USB FX2的CY7C68013模块结构,设计出一款支持全速和高速的USB2.0控制器。并通过了FPGA的验证和测试。主要工作如下:首先,从多方面对USB的协议原理及逻辑结构进行了详细的研究,其主要内容包括USB系统的逻辑组成、总线电气特性、数据传输类型及事务处理等。其次,研究了FPGA的设计方法,介绍了本文设计芯片的开发流程和本论文的开发软件。然后,在研究了CY7C68013模块结构基础之上,从收发器UTMI模块、存储器和仲裁接口模块、协议层PL模块、控制和状态寄存器模块、功能接口模块和翻译协议模块对本文设计的USB2.0设备控制器进行详细的阐述。其中,在包组装器PA模块设计中,采用并行算法对数据包进行CRC校验,减少了硬件设计和电路中的延时问题,并降低了硬件成本;在协议层模块PL设计中,采用3级缓冲器对数据包进行处理,提高了数据与校验值的分离速率,也提高了数据的传输速率。最后,基于Xilinx公司的ISE软件,对每个模块进行Verilog HDL语言描述,并编写测试激励程序,结合ModelSim仿真软件对其进行功能仿真,取得良好的效果,证明了本设计的可行性。总之,以上研究成果不仅给USB制造厂商提供了一种可行性参考,而且丰富了此方面的理论方法和实现技术。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 引言  10-15
  1.1 问题的提出  10-11
    1.1.1 研究背景  10
    1.1.2 研究意义  10-11
  1.2 USB2.0 特点及趋势  11-12
  1.3 USB 功能设备芯片及国内外研究现状  12-13
  1.4 本文研究的内容和结构  13-15
第2章 USB2.0 协议原理分析  15-31
  2.1 USB 系统的组成  15-18
    2.1.1 USB 主机  15
    2.1.2 USB 设备架构  15-17
    2.1.3 USB 的连接  17-18
  2.2 USB 总线电气特性  18-19
  2.3 USB 数据传输类型  19-21
    2.3.1 控制传输  20
    2.3.2 中断传输  20
    2.3.3 批量传输  20-21
    2.3.4 同步传输  21
  2.4 USB 的事务处理  21-30
    2.4.1 字段定义  22-24
    2.4.2 信息包的格式  24-28
    2.4.3 事务处理  28-30
  2.5 小结  30-31
第3章 FPGA 的开发流程及设计工具  31-37
  3.1 FPGA 设计方法概论  31-32
  3.2 FPGA 的开发流程  32-35
  3.3 ISE 软件介绍  35-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章 USB2.0 控制器的设计  37-65
  4.1 USB2.0 控制器设计综述  37-42
    4.1.1 FX2 特性介绍  37-39
    4.1.2 USB2.0 控制器的模块划分  39-40
    4.1.3 控制器顶层引脚定义  40-42
  4.2 收发器UTMI 的设计  42-47
    4.2.1 UTMI 接口设计  42-44
    4.2.2 总线事件检测实现  44-46
    4.2.3 数据传递  46-47
  4.3 协议层PL 模块的设计  47-54
    4.3.1 包组装器PA  48-50
    4.3.2 包拆装器PD  50-51
    4.3.3 协议引擎PE  51-54
  4.4 协议翻译模块PHY 的设计  54-56
  4.5 控制和状态寄存器  56-61
    4.5.1 控制器寄存器  57-59
    4.5.2 端点寄存器  59-61
  4.6 存储器接口和仲裁器的设计  61-64
  4.7 本章小结  64-65
第5章 USB2.0 设备控制器的FPGA 仿真及验证  65-77
  5.1 仿真结果及分析  65-69
  5.2 系统的可综合描述  69-71
  5.3 本设计的综合  71-74
  5.4 USB2.0 控制器的FPGA 功能验证  74-76
    5.4.1 验证方案  74-75
    5.4.2 验证步骤  75-76
  5.5 本章小结  76-77
结束语  77-79
参考文献  79-83
攻读硕士期间已发表的论文  83

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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