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USB总线信号分析系统的设计与实现

作　者: 赵小丽
导　师: 赵秋霞
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 计算机技术
关键词: USB 协议分析 CPLD MCU 总线信号数据包
分类号: TN911.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-17
  1.1 研究背景和意义  13-15
  1.2 研究内容与论文结构  15-17
第二章 USB 通信简介  17-29
  2.1 USB 基本概念  17-18
  2.2 USB 体系的逻辑结构  18
  2.3 USB 设备架构  18-19
  2.4 USB 物理接口  19-20
  2.5 USB 总线速度及其识别  20
  2.6 USB 总线状态  20-21
  2.7 USB 总线事件及其识别  21-23
    2.7.1 设备插入  21-22
    2.7.2 设备拔出  22
    2.7.3 设备复位  22
    2.7.4 设备挂起  22
    2.7.5 设备恢复  22-23
    2.7.6 数据包开始(SOP)  23
    2.7.7 数据包结束(EOP)  23
  2.8 USB 数据编码  23-24
  2.9 USB 数据包分类及其编码  24-28
    2.9.1 概述  24-26
    2.9.2 令牌包  26-27
    2.9.3 数据包  27
    2.9.4 握手包  27-28
  2.10 USB 通信实例  28-29
第三章 USB 总线信号分析系统的组成  29-35
  3.1 系统结构模型和硬件组成  29-30
  3.2 用户USB 总线信号获取  30-34
    3.2.1 USB 总线信号简介  30-32
    3.2.2 与用户USB 总线的连接  32-33
    3.2.3 USB 收发器  33
    3.2.4 USB 总线信号与DP，DM 和RCV 的对应关系  33-34
  3.3 小结  34-35
第四章 CPLD 编码  35-43
  4.1 开发工具简介  36-37
    4.1.1 集成开发环境（ISE）  36
    4.1.2 模型仿真软件ModelSim XE  36
    4.1.3 烧写工具  36-37
  4.2 CPLD 器件选择  37
  4.3 CPLD 功能  37-38
  4.4 相位跟踪电路（DPLL）  38-39
  4.5 有限状态机（FSM）  39-40
    4.5.1 用户USB 总线状态  39
    4.5.2 用户USB 总线事件  39-40
    4.5.3 用户USB 总线的速率识别  40
  4.6 MCU 数据包装配  40-41
    4.6.1 MCU 数据包的格式  40
    4.6.2 输出STX  40-41
    4.6.3 输出ETX  41
    4.6.4 字节插入  41
  4.7 数据输出  41
  4.8 仿真  41-42
  4.9 小结  42-43
第五章 MCU 固件  43-52
  5.1 开发工具  43-45
    5.1.1 MPLAB 简介  43-44
    5.1.2 编译器PICC-18 PRO  44
    5.1.3 单片机开发工具ICD2  44-45
  5.2 MCU 功能  45-51
    5.2.1 中断服务程序ISR  45-47
    5.2.2 USB 标准请求及设备响应  47-49
    5.2.3 USB 缓冲存储器  49-50
    5.2.4 MCU 从FIFO 中读取数据  50-51
  5.3 MCU 固件的调试  51
  5.4 VID 和PID 问题  51
  5.5 小结  51-52
第六章分析软件的实现  52-59
  6.1 开发环境  52
  6.2 驱动程序  52-53
  6.3 应用程序对UPA11 硬件的访问  53-54
  6.4 应用程序快速读取UPA11 的数据  54-55
  6.5 分离USB 数据包  55
  6.6 USB 数据包错误检测  55-56
  6.7 过滤  56-57
  6.8 USB 数据包分析  57-58
  6.9 小结  58-59
结束语  59-61
致谢  61-62
参考文献  62-64
作者在学期间取得的学术成果  64

USB总线信号分析系统的设计与实现

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