基于ULPI协议的USB接口的FPGA实现

大连诲事大学 硕士学位论文 基于U L P I 协议的U S B 接口的F P G A 实现 吕志超 指导教师沈智鹏教授 企业副导师凤朝晖高级工程师 申请学位级别工程硕士 专业名称控制工程 学位授予单位大连海事大学 2 0 1 3 年1 1 月 分类号 UDC 密 级 单位代码 ! Q 1 5 l 基于U L P I 协议的U S B 接口的F P G A 实现 吕志超 指导教师沈智鹏职称教授 企业副导师风朝晖职称高级工程师 学位授予单位大连海事大学 申请学位级别工程硕士 学科( 专业)控制工程 论文完成日期2 0 1 3 年1 0 月1 6 日答辩日期2 0 1 3 年1 1 月9 日 、 答辩委员会主席 一 呼卜 !y F P G AI m p l e m e n t a t i o no fU S Bi n t e r f a c e B a s e do nU P L I p r o t o c o l At h e s i sS u b m i t t e dt o D a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y I np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g b y L VZ h i c h a o ( C o n t r o lE n g i n e e r i n g ) T h e s i sS u p e r v i s o r ：P r o f e s s o rS h e nZ h i p e n g A s s i s t a n tS u p e r v i s o r ：S e n i o rE n g i n e e rF e n gC h a o h u i O c t o b e r2 01 3 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺基王! L 旦I 坯这的! 墨垦接旦数E 坠实现= = 。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：墨! 查塑： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密函( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名：吕披 导师签名： 日期：乙) 年1 月歹E t 中文摘要 摘要 近年来，因为体感输入技术掀起了人机交互技术第三次革命，并有巨大的市场 价值，所以对体感输入技术进行研究的人越来越多。体感输入技术的核心是模式 识别技术，涉及了大量图像算法，我们采用的方案是F P G A 和A R M 相配合，利用F P G A 并行处理的速度优势和A R M 对图像处理的特殊算法优化的优势，来实现体感输入 的动作手势模式识别。 在体感输入设备产品化的过程中，F P G A 和A R M ，上位机之间需要交互大量数据， 这就需要一个标准的数据总线接口。U S B 总线技术以其在实时性，通信速率，可靠 性等方面的优势，使其目前在商业上的应用已经十分广泛。经过综合考虑，在我 们的项目中，F P G A 与外界通信时也采用U S B 协议。 本文就是针对U S B 协议中的U L P I 协议，提出了相应的硬件电路与F P G A 实现 的解决方案。论文首先简单介绍了U S B 总线发展历程，总线的拓扑结构和电气物 理特性。然后重点分析了U L P I 协议的规范，U L P I 接口的信号说明和工作方式，并 说明了采用U L P I 的P H Y 芯片的依据，同时介绍了相关硬件平台。最后重点论述了 F P G A 如何实现U L P I 协议，及各个功能模块的分析，并从设备枚举开始，详细说明 了各模块的具体工作流程，并对设备进行了实际通信测试。 本文所设计系统现在已经应用于实际工程中，实际测试结果表明，该实现方 案使得数据通讯传输稳定，效率高。由于是纯逻辑设计，后期也可用于产品化， 能够满足项目中的实际需求，对U S B 设备的接口F P G A 实现与S o c 集成有着指导和 借鉴意义。 关键词：通用串行总线( U S B ) ；U L P I 协议；现场可编程门阵列( F P 卧) 英文摘要 A B S T R A C T I nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s et h eb o d yf e e l i n gi n p u ts t a r t e dt h et h i r dr e v o l u t i o ni nh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt e c h n o l o g y , a n dh a sg r e a tm a r k e tv a l u e ，S Ot h eb o d yf e e l i n gi n p u t t e c h n o l o g y r e s e a r c hm o r ea n dm o r e p e o p l e ，c o m p a n i e sa l s o f o l l o wu p q u i c k l y S o m a t o s e n s o r yi n p u tt e c h n o l o g yi st h ec o r eo f p a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y ，i n v o l v i n ga l a r g ea m o u n to fi m a g ea l g o r i t h m ，W eu s et h es o l u t i o ni st om a t c ht h eF P G Aa n dA R M ， u s i n gF P G Ap a r a l l e lp r o c e s s i n gs p e e da n dt h eA R M o f t h ea d v a n t a g eo f t h es p e c i a li m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，t oi m p l e m e n tt h es o m a t o s e n s o r yi n p u ts i g n a lp a t t e r nr e c o g n i t i o n I nt h es o m a t o s e n s o r yi n p u td e v i c ei nt h ep r o c e s so ft h et r a n s i t i o n ，b e t w e e nt h e A R Ma n dF P G A ，F P G Aa n dt h en e e df o ri n t e r a c t i o nb e t w e e nu p p e rm a c h i n eal a r g e a m o u n to fd a t a , S Oi tn e e das t a n d a r dd a t ab u si n t e r f a c e ，t of a c i l i t a t et h et r a n s p o r t b e t w e e nt h et w o ，i m p r o v et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , a n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e U S Bb u st e c h n o l o g yw i t hi t si nr e a lt i m e ，c o m m u n i c a t i o ns p e e d ，r e l i a b i l i t ya n do t h e r a d v a n t a g e s ，t h ec u r r e n th a sb e e nw i d e l yu s e di nb u s i n e s sa n dm a t u r e S oi nt h eF P G A c o m m u n i c a t i o nw i t ht h eo u t s i d ew o r l da l s ou s et h eU S B p r o t o c 0 1 T h i sp a p e ri sa i m e da tt h eU L P Ia g r e e m e n ti nU S Bp r o t o c o l ，g i v e st h eh a r d w a r e c i r c u i ta n dt h eF P G Ai m p l e m e n t a t i o ns o l u t i o n F i r s to fa l l ，i n t r o d u c et h ef u n c t i o no f U S Bd e v i c e s ，b u st o p o l o g ys t r u c t u r ea n de l e c t r i c a lp h y s i c a lp r o p e r t i e s T h e na n a l y s e s t h eU L P Ip r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n ，U L P Ii n t e r f a c es i g n a la n dw o r k i n gm o d e ，a n d i n t r o d u c e st h eU L P IP H Y c h i p ，a tt h es a m et i m es i m p l yi l l u s t r a t e st h er e l a t e dh a r d w a r e p l a t f o r m F i n a l l yd i s c u s s e sh o wt h eF P G Ai m p l e m e n t a t i o nU L P Ia g r e e m e n t ，a n dt h e a n a l y s i so fe a c hf u n c t i o nm o d u l e A n df r o mt h eb e g i n n i n go ft h ed e v i c ee n u m e r a t i o n ， e a c hm o d u l ei sd e s c r i b e di nd e t a i lt h es p e c i f i cw o r k p r o c e s s N o wt h i ss y s t e mh a sb e e na p p l i e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h es c h e m em a k e st h ed a t ac o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o ns t a b i l i t y , h i g he f f i c i e n c y L a t e b e c a u s ei ti sp u r el o g i cd e s i g n ，C a na l s ob eu s e df o rt h ep r o d u c t i o n ，t om e e tt h ea c t u a l d e m a n di nt h ep r o j e c t I n t e r f a c eo fU S Bd e v i c eF P G Ai m p l e m e n t a t i o nw i t hS o c i n t e g r a t i o nh a sg u i d a n c ea n dr e f e r e n c es i g n i f i c a n c e K e yW o r d s ：U n i v e r s a lS e r i a lB u s ；U L P Ip r o t o c o l ；F i e l d - P r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 选题背景1 1 2 研究意义3 1 3 主要研究内容和主要工作3 1 4 论文的内容和结构安排3 第2 章U S B 总线介绍5 2 1U S B 总线概述5 2 2U S B 总线的拓扑结构和电气规范5 2 2 1 总线拓扑结构5 2 2 2U S B 电气规范7 2 3U S B 四种传输方式9 2 3 1 控制传输9 2 3 2 批量传输1 0 2 3 3 同步传输1 2 2 3 4 中断传输一1 2 2 4U S B 通信协议1 3 2 4 1U S B 数据包的组成单元域13 2 4 2U S B 数据包的格式1 4 2 4 3U S B 高速传输中的帧和微帧1 5 2 5U L P I 协议规范1 6 2 5 1U L P I 协议概述16 2 5 2U L P I 协议信号列表及功能说明1 7 2 5 3U L P I 协议中发送和接收数据命令解析18 2 5 4U L P I 传输过程中的防错机制2 0 2 6T U S B l 2 1 0 介绍2 0 2 6 1T U S B l 2 1 0 相关参数和选择依据2 0 2 6 2T U S B l 2 1 0 的寄存器说明和配置方式2 1 2 7 本章小结2 4 第3 章硬件开发平台2 6 3 1F P G A 技术相关介绍2 6 3 2F P G A 芯片的选择2 7 3 3 硬件描述语言2 8 目录 3 4F P G A 开发流程2 9 3 5 硬件电路设计一2 9 3 6 开发测试环境3 1 3 7 本章小结3 2 第4 章U L P I 协议的F P G A 实现3 3 4 1 模块概述一3 3 4 1 1 总体功能框图一3 3 4 1 2 模块调用功能树一3 4 4 2 模块详述一3 5 4 2 1U L P I 接口核心模块( U L P II F ) 3 5 4 2 2U L P I 协议解析模块( U L P IP L ) 一3 6 4 2 3C R C 校验模块S BC R C 5 ，U S BC R C l 6 ) 3 6 4 2 4 批量传输处理模块( E P 2B U L KO B U F , E P 6B U L KI B U F ) 3 9 4 3U S B 工作流程设计分析一4 0 4 4U S B 实际传输测试4 9 4 5 本章小结一5 2 第5 章总结与展望一5 3 5 1 全文总结5 3 5 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢5 8 基于U L P I 协议的U S B 接口的F P 6 A 实现 第1 章绪论 1 1 选题背景 2 0 1 0 年6 月，微软在全球推出了基于体感输入技术的K i n e c t 设备，掀起了人 机交互技术第三次革命。体感输入技术是一种能够通过实时拍摄人体姿势动作的 变化，并通过模式识别技术判断人体动作含义，进行机器控制，从而实现人机交 互的输入技术。因为体感输入技术掀起了人机交互技术第三次革命，并有巨大的 市场价值，近年来，对体感输入技术进行研究的人越来越多，相关企业也迅速跟 进。体感输入技术的核心是模式识别技术，涉及了大量图像算法，一般采用的方 案是F P G A 和A R M 相配合，利用F P G A 并行处理的速度优势和A R M 对图像处理的特 殊算法优化的优势，来实现体感输入的动作手势模式识别。 图1 1 微软发布的基于体感输入技术的K i n e c t 设备 F i g 1 1T h eK J n e c td e v i c e W h i c hi sM i c r o s o f tp u b l i s h e d 图1 2 通过模式识别技术判断人体动作，掀起了人机交互革命 F i g 1 2M o d e lD i s t i n g u i s hb r i n gt h er e v o l u t i o no f h u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ed i a l o go p e r a t i o n 第1 章绪论 在体感输入设备产品化的过程中，A R M 和F P G A 之间，F P G A 和上位机之间需要 交互大量的数据，这样就需要一个标准的数据总线接口，以方便两者之间的传输， 提高传输效率，并且方便后期维护。 图1 3 在图像传输的过程中，需要一个标准的数据总线接口 F i g 1 3I tn e e dad a t ab u si n t e r f a c ei nt h et r a n s m i s s i o no f t h ei m a g e U S B 总线技术以其在实时性，通信速率，可靠性等方面的优势，使其目前在商 业上的应用已经十分广泛且成熟。因此在本项目的解决方案中也决定采用U S B 协 议。 皇 j _：兰n 一 ：嘞叫 基于U L P I 协议的U S B 接口的F P G A 实现 1 2 研究意义 传统的U S B 协议接口是U T M I ( U S B2 0T r a n s c e i v e rM a c r o c e llI n t e r f a c e ) 接 口，此接口是针对U S B2 O 的信号特点进行定义的。目的是能够减少开发商的工作 量，将产品的设计周期缩短，减少开发风险。 但是该接口的管脚数比较多，寄存器设置复杂，且P H Y 芯片价格昂贵，因此不 适合工程化直接使用。这时，U L P I 接口协议应时而生，U L P I 是U T M I + L o wP i n I n t e r f a c e 的简称，从名称可以看出，它是U T M I 的一个简化版本，具有管脚数低， 寄存器设置简单，成本低廉等优点。 因此，本论文依据项目需求，设计了用F P G A 实现U L P I 协议，最终设计成一 个U S B 接口，用来与外部其他设备相连接，进行图像数据的传输。 1 3 主要研究内容和主要工作 本论文设计是用F P G A 实现U L P I 协议，完成U S B2 0 规范的接口芯片的功能。 主要有以下几个方面的工作： ( 1 ) 完成U S B 设备接口物理芯片的硬件系统的搭建，包括前端P H Y 芯片的原 理图和P C B 板的设计，焊接调试等。 ( 2 ) 深入了解U S B2 0 总线技术，重点分析U L P I 协议。 ( 3 ) 完成相应的F P G A 代码设计，仿真验证，并最终完成与其它设备联机调试。 1 4 论文的内容和结构安排 论文的主要内容和结构安排如下： 第一章，绪论部分。分别介绍了该论文的选题背景，研究意义，并总结了主要 研究内容和主要工作【1 1 。 第二章，U S B 总线介绍。首先简单介绍下U S B 总线的发展背景，拓扑结构，电 气规范等。然后，分析U S B 的各种协议，重点分析U L P I 协议规范及其在U S B 四种 传输方式中的应用。最后简单的介绍了U S B 的P H Y 芯片的选择依据和相关参数， 及其寄存器的说明和配置方式。 第三章，硬件平台。主要说明该硬件平台的单板示意图，采用的F P G A 芯片的 相关介绍，还有开发测试环境。 第1 章绪论 第四章，U L P I 协议的F P G A 实现。是本论文的核心章节。此章节详细讲述了F P G A 实现U L P I 协议的设计思想，各个模块的功能详述和设计分析。并在最后从U S B 插 到上位机开始，直到能够正常通讯的整个过程，讲述F P G A 的具体工作流程。 第四章，总结与展望。本论文设计的系统结合实际开发项目，提出不足和改进。 基于U L P I 协议的U S B 接口的F P G A 实现 第2 章U S B 总线介绍 2 1 U S B 总线概述 U S B 总线是U n i v e r s a lS e r i a lB u s 的简称，即：通用串行总线，是1 9 9 5 年 M i c r o s o f t 、C o m p a q 、I B M 等公司联合制定的一种较新的P C 串行通信协议。 这些公司开发的U S B 设备大多采用串行总线的原理，其目的有三个：一是计算 机和电话之间实现互相连接，它能满足计算未来发展进行的各种通信，比如我们 利用计算机进行语音通信，视频通信等【2 】。但是，在计算机运用的初期，对于计算 机并没有一个统一的标准，我们很难实现计算机和计算机之间的交流，这样，这 种U S B 设备就有利于实现各种P C 机之间的信息交流，简单地说，电话和计算机的 连接建立起来了。二是U S B 总线的方便灵活，但是，P C 机的改装却是很不灵活， 扩展接口的工作很繁杂，但以用户的眼光来看，P C 机的输入与输出，如串口通信， 并口通信，鼠标，键盘，触摸板等需要一个可以即插即用，方便可靠的接口，所 以U S B 接口应运而生【3 1 。最后U S B 总线的主要功能也就是用来端口扩充，外围设备 的添加总是被相当有限的端口数目限制着，这就限制了外围设备的开发，而U S B 设备正是比较简单，方便，互动，价格也比较低廉，而且是一种串口连接，可以 实现多个并用，对于P C 机的未来发展具有巨大的优势【4 】。 U S B 协议出台后不断得到各P C 厂商、芯片制造商以及P C 外设厂商的广泛支持。 U S B 本身也处于不断的发展和完善中，从当初的O 7 ，0 8 到现在广泛采用的 1 O ，1 1 ，2 0 版本甚至最近应用越来越广泛的3 0 版本【2 1 。它以比较通用的连接 技术为基础，外设简单快捷，能够方便客户，降低成本，并且能够延伸属于P C 的 连接外设范围【5 】。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要 单独的供电系统。另外，快速是U S B 技术的突出特点之一，U S B 的最高传输率可达 5 G b p s ，迄今为止，各种U S B 的外设已经有不下上千种。 2 2U S B 总线的拓扑结构和电气规范 2 2 1 总线拓扑结构 如图2 1 所示，U S B 设备采取了星形方式和主机相连接，图中的h u b 是一系列 第2 章U S B 总线介绍 U S B 的设备连接点，它被当做一种特殊的U S B 设备加以利用，主机中还有一个根 H u b ，在图中是一个嵌入式【6 】。主机就是利用根H u b 来连接各个接点的，这里，用 星形的连接方式可以体现出一种层次性。如图所示，这种连接方式像一棵树，所 以我们又称它作树形连接。不同功能的设备放在一起，形成一个整体，我们这里 称作应用设备。比如鼠标和键盘就可以看成一个设备类型，可以叫输入设备。U S B 设备可以分成很多种设备类型。在它的内部，提供具体功能的设备被永久地接到 H u b 上，所有这些设备及这个H u b 被看作一个复合设备，而这个H u b 又被看作这个 复合设备的内部H u b 。在主机看来，这个复合设备和一个带着若干设备的单独H u b 是一样的。 从物理结构图可以看出，各个设备是通过H u b 来连接带主机上的，但是在逻辑 上来看，主机和各个逻辑设备之间是进行信息传输的，各个设备和直接连载主机 上就没什么两样。从图2 2 中，我们可以看出其结构。逻辑结构可以推断出各个 设备之间的关系，但是物理结构才是运用的原理。H u b 也是逻辑设备，虽然U S B 系 统中的工作都是从逻辑角度来看待的，但主机必须对物理结构有个了解。例如， 在处理H u b 被移去的情况时，当一个H u b 被移出，通过它与主机相连的设备也应 一起被移去，这是由其物理结构决定的。 图2 1 基于U S B 总线的拓扑结构图 3 T 悖r4 F i g 2 1T h et o p o l o g ys t r u c t u r eb a s e do nt h eU S Bd a t ab u si n t e r f a c e 基于U L P I 协议的U S B 接口的F P G A 实现 图2 2 主机与其他设备的通信连接示意图 F i g 2 2T h es k e t c hm a po f t h ec o m m u n i c a t i o nf o rt h eh o s ta n do t h e rd e v i c e s 2 2 2U S B 电气规范 U S B 总线的电气特性主要就是对信号的发送及电压分布情况的描述。 U S B 总线的传输介质是一种四线的电缆，如图2 3 所示，其中两根线用来发送 信号，另外两根线为设备提供电源。电源一般使用+ 5 V 电源，U S B 对电缆长度的要 求很宽，最长可为几米，但是为了保证足够的输入电压和数据的传输稳定性，传 输距离一般控制在5 米以内 _ 7 1 。 V I B t 恣 D + D G N D V B 毯S D 弗 D G N D 图2 3U S B 传输介质：四线电缆 F i g 2 3T h et r a n s m i s s i o nm e d i u mo f U S B ：f o u r - w i r ec a b l e 下面对U S B 信号线的物理特性进行说明，首先是信号的发送：U S B 通常使用一 种差分的输出驱动器来控制数据信号在U S B 电缆上的发送，一个高速U S B 设备的 连接是通过阻抗为9 0Q 1 5 ，最大单路时延为2 6 n s 的屏蔽双绞线电缆进行的， 其到达的最大速率为1 2 M b s ，并且每个驱动器的阻抗必须在2 8Q “ 4 4Q 之间。图 2 4 描述了高速驱动器的信号波形【8 】。 第2 章U S B 总线介绍 玎 t f 几 i 。l L 兰誓告毫嶷对趸 l f ，、 ； f 1l兰喜 邮辫m ：麓￥一一 ! ： ，-7 do吖搀 鼹 f ，锃 I ，。 fl 。 簟I 缝孽是毒 等毒车 准藏，、睾 图2 4 高速驱动器的信号波形 F i g 2 4T h ew a v ef o r mo ft h eh i g hs p e e dd r i v e r 而低速设备和高速设备的电气连接方式也是不尽相同的，图2 5 分别描述了高 速设备的电气连接方式和低速设备的电气连接方式。 毛 低速L S B T o k e n O U T0 0 0 1 B l N1 0 0 1 B S O F0 1 0 1 B S E T U P1 1 0 B D a t a b 吣0 0 1 1 B 蹦掰，1 Q ”8 D A T A 2O “ B M D 芦汀A 1 1 8 P I DT y p eP l DN a m eP ID 保留的命令空间 发送不包含P I D 域自驰跖数据， 0 0 0 0 0 0 b ( 爵O P I D ) 比如发c h i r p 和复位信号。 发送U S B 的包 发送0 l b0 0 嚣【) C n ) ( P I D ) d a t a ( 3 ：O ) 戟裹示s 8 包舻J F I D ( 3 ：0 ) 。 弱疆如0 n 【b ( R S Y D ) 僳窖黼令室闻 1 0 1 1 1 I b ( 姗) 扩襄寄存嚣写命令。 8 位的地址在下一周期育效 葛寄存器1 0 b 蜀& 船鼢( R 功G I )希6 位蠢接地址的寄存墨写裔令。 扩展寄存器读奇令。 1 0 1 1 1 1 b ( E x l ) 8 位的地址在下一周期育效 读裔存銎l i b 玎旺蜀敷b ( R 数壤)带6 包童接地址的寄存嚣读命令 图2 1 7U L P I 协议中发送字节的命令格式 F i g 2 17T h e s e n tb y t ec o m m a n df o r m a ti nU L P Ia g r e e m e n t 基于U L P I 协议的U S B 接口的F P G A 实现 发送数据如前面章节所说，有两种： P I D 的数据。他们的发送时序是一样的， 一种是包含P I D 的数据，一种是不包含 图2 1 8 是发送包含P I D 数据的时序图 图2 1 8 发送含P I D 数据的时序图 F i g 2 18T h es e q u e n c ed i a g r a mc o n t a i n e dw i t hP I Dd a t a 而对于R XC M D ，如下表所示，这是线上状态( L i n e s t a t e ) 、连接和O T G 状态 信息等的表示。只有在同步模式下，一个R XC M D 字节才可以被发送。而R XC M D 传送给L I N K 的信息主要包括两种重要信息：第一种信息是U S B 接收信息；第二 种信息就是中断事件 3 3 1 。在其中的U S B 接收信息中，它包括L i n e s t a t e ，R x a c t i v e 和R x e r r o r 。而在一个U S B 传输之后，P H Y 必须要发送带L i n e s t a t e 内容的一个R X C M D 字节来表示E O P ( e n do fp a c k e t ) 。第二种中断事件所包含的的信息主要是 H o s t d i s c o n n e c t ，v b u s 和I D g n d 等。图2 1 9 是U L P I 接收数据的时序图。 c 撇- 八八八八八八八八八： 蛐p ：o l ：蜃銎至正江王重西玉j 三强 断 ：L 翻：p 图2 1 9 是U L P I 接收数据的时序图 F i g 2 19T h es e q u e n c ed i a g r a mr e c e i v e db yU L P I 1 9 第2 章U S B 总线介绍 2 5 4U L P I 传输过程中的防错机制 U S B 数据在传输过程中有三种防错机制，分别是位缓冲防错机制，P I D 检查 机制，C R C 校验机制。在本设计中，主要用了P I D 检查机制和C R C 校验机制。其 中P I D 检查机制，在协议层解析中实现，C R C 校验机制在C R C 校验模块中实现。 F 糊dE l r m rA c | 函嘲 P l Dp 给。黻黝嚣 鼬僦p a 翻l A 撼e 辐B i t 魏嘁A c 懈c R C l 跚懒 F r a m eN u r r 岍8 蘸泓F 耀瞻蚰哪C 疆黼F r a m eN u r r 由e t 秘翊 D a 擒瓿姒D m a 褥D 汝刚蝴 图2 2 0U S B 数据在传输时可能遇到的错误和应对机制 F i g 2 2 0T h ee r r o ra n dr e s p o n s em e c h a n i s m sd u r i n gU S Bd a t at r a n s m i s s i o n 2 6T U S B l2 10 介绍 2 6 1T U S B l2 10 相关参数和选择依据 T U S B l 2 1 0 芯片是美国德州仪器公司推出的一款U S BP H Y 芯片。它支持U S B2 0 协议并向下兼容U S B1 1 协议。它的理论传输速度，在低速时为1 5M b i t s ，全 速时为1 2M b i t s ，高速时为4 8 0M b i t s ，基本满足了一般工程项目的应用。它 的内部处理时钟频率为6 0M H z ，既支持外部输入，也可以由内部配置为输出。晶 振时钟输入引脚同时支持1 9 2M H z 和2 6M H z 。工作温度也从- 4 0o C 到8 5 。 基于U L P I 协议的L I S B 接口的F P G A 实现 V B A T 2 1 ) N C ( 2 4 ) V D D l 5f 1 2 】 V D D l 8 ( 3 0 ) V D D l 8f 2 8 ) V D D 3 3 ( 2 0 ) D PC 1 8 1 D M ( 1 9 ) I D 2 3 ) 曼垦兰! 兰骂 ooZ 婶 号面笔苎 x 2 图2 2 1T U S B l 2 1 0 内部逻辑框图 F i g 2 21T h ei n t e r n a ll o g i cd i a g r a mo fT U S B1210 2 2 ) V B U S ( 1 ) R E F C L K ( 2 5 ) N C ( 1 4 ) C F G f ) C S ( 8 ) N t C ( 2 7 ) R E S E T B ( 1 6 ) N C ( 1 5 ) N C 1 7 ) C P E N 最主要的是，它在与其它控制器相连接时使用的是U L P I 协议，可以极大的减 少使用控制器的管脚( 如本项目中的F P G A ) 。虽然功能比一些其它带控制器的U S B 芯片少一些( 如带独立5 1 控制器的c y p r e s s 的C Y 6 8 0 1 3 ) ，又因为要直接参与底层 数据的控制，所以对控制器的读写控制要求高一些，但其成本低廉( C Y 6 8 0 1 3 要近 3 0 元，而T U S B l 2 1 0 才1 0 元不到) ，接口少，所以在产品开发后期，即在产品工程 化的时候，非常占优势。 2 6 2T U S B l2 10 的寄存器说明和配置方式 T U S B l 2 1 0 的内部含有大量需要配置的寄存器，要正确使用T U S B l 2 1 0 芯片，充 分发挥它应有的性能，需要深入理解每个寄存器的意义。 其中有2 个寄存器，是在上电后必须要额外注意的寄存器，只有将这2 个寄存 器配置正确，才能进行正常的枚举。 ( a ) F U N C T I O NC T R L 寄存器 该寄存器主要用来配置设备的收发器速度，内部上拉电阻，编码形式等等。它 第2 章U S B 总线介绍 的具体意义如图2 2 1 所示。 内容 位 复位后的值 描述 选择要求的收发器速度： O O b ：高速收发器使能； x c v r s e le c t1 ：00 l b 0 1 b ：全速收发器使能； 1 0 b ：低速收发器使能3 4 】； l l b ：全速收发器对低速包传输的使能； 控制内部的1 5 K Q 的上拉电阻和4 5Q 的高速终端。 t e r m s e l e c t2O b 它的值为0 时代表高速终端，为1 时代表全速终端3 5 1 。 在传输过程中，选择要求的位编码形式： O O b ：正常操作； O l b ：无驱动： o p m o d e 4 ：3O O b 1 0 b ：取消位填充和N R Z I 编码； l l b ：可选，当传输的过程中，不会自动加S Y N C 和 E O P ，只有在高速包中才能使用冈； 收发器复位，高有效。当L I N K 端置位该位后，P H Y 必须将d i r 置有效并且进行复位。当复位结束时，P H Y 将d i r 置无效并且自动将该位清0 。在置位d i r 无效 r e s e t 5O b 后，P H l 必须要重新置位d i r 并且发送R xC 佃向L I N I ( 端更新信息。而L I N K 端必须等待d i r 无效后才能使 用U L P I 总线【37 | 。 p h y 挂起，低有效。将P H Y 带入低功耗模式。当退出 s u s p e n d m 6i b 该低功耗模式时，P H Y 必须自动将该位改为置1 。 保留 7O b 保留 图2 2 2F U N C T I O NC T R L 寄存器的意义 F i g 2 2 2T h em e a n i n g so fF U N C T I O NC T R Lr e g i s t e r ( b ) O T GC T R L 寄存器 该寄存器需要配置成全0 ，用来在上电( 即：U S B 连接) 前将D P 上拉。 2 2 基于U L P I 协议的U S B 接口的F P G A 实现 B n SF I E L O H E o E S C R 弹r T 煳T r P ER 岂S E T 7U S E E X T E R N A L V B U S l 炯C AT e l l sm eF I - I | Yl ou 轴e x t e l l n a lV 1 B U So v t t f - o t m T m l ti l t l d i c a t l 宵R W0 T o R ：U 靶椭e 轩睡e m 荫0 1 “ Gc a m 旧噜憎幻r ( V AV B U SV t D ) 甜打妇n B I M B I I Sv a l i di n d i c a t o r ( a e S i r ) l b U s ee x t e m i f lv B t 1 S 时h d c a b r 确伊试 6D R W B U S T E R N A IS e l e c 虹b e t w e e nU l ei I n t e m a ll I l dt h ee x l e t , n a l5 VV I B t l Sa l p f ，I y 。R WO 嗽D r I 幡V I B t I S 啪姻t h e 辆b m 翻口I 哪p u m p ( d 叫睦) 1 b ：D r i v eV B I I S _ 由岣e x l l l m a ls u p p l y 5D R W B U S S 稚豫bl h ei n l m m a i 喃I 鲫弦p u m pl o 懒5 V V B U S R WO O b ：d o n o t 幽 崎V B U S 1 b ：d r i v e 5 V V B U S 4C H R G V B U S e 呀eM B I d S 岫呐e 啪醵啊U W ：Il o t “ v B u S 珥虹旧S I R P ，T h e 刚O L 撼用蜮f 睁畦