（通信与信息系统专业论文）usb+20+otg+ip核设计和fpga实现.pdf

摘要 摘要 u s bo t g 是u s bo n t h e g o 的缩写，是u s b 接口规范的重要扩展，主要应 用于各种不同的电脑外设或移动设备间的连接和数据交换，特别是p d a 、移动电 话、消费类设备间的互联。在原u s b2 0 规范中，周边设备在p c 的控制下进行数 据交换，一旦离开了p c ，各设备间无法利用u s b 接口进行操作。而o t g 技术实 现了在没有电脑主机的情况下，u s b 外设间的数据传送。支持o t g 规范的设备既 可以实现主机功能，又可以实现标准设备功能。使得该设备可以实现与任意u s b 主机或设各通信。 本文介绍了一个针对嵌入式s o c 系统的u s b 2 0o t g 接口i p 核的设计。该i p 核支持u s b 2 0 协议、o t g 补充规范、u t m i + 和u l p i 规范。该l p 核的一侧通过 u t m i + 接口或经过接口封装后通过u l p i 接口的p h y 与u s b 设备通信；另一侧通 过通用总线接口与嵌入式系统处理器外总线相连。该i p 硬件包括总线接口单元、 缓冲区、u l p i 接口、o t g 控制器( o t g c ) 、高速主机控制器( e h c ) 、全速主机 控制器( o h c ) 以及设备控制器( d c ) 。本文首先对其总线接口单元、u l p i 模块 的硬件设计以及模块级仿真进行了介绍。随后研究了f p g a 系统综合约束以及通 过s i g n a l t a pi i 进行调试的问题，对本设计设置了时序约束并进行了逻辑综合和静 态时序分析。然后又介绍了使用s y n o p s y s 公司提供的v i p 对该i p 进行功能验证 的情况。 该i p 核在由a r m 开发板、f p g a 验证板以及u l p i 接口和u t m i + 接口的p h y 组成的系统中进行了系统级的验证测试。测试表明本i p 核的各项功能达到了预期 目标，测试中该i p 的性能稳定性，自行设计的开发板信号完整性良好。该l p 的研 究经验和成果可以广泛应用于指导o t g 设备开发、嵌入式o t g 设备驱动开发等 方面，具有广泛的应用前景。 关键词：u s b ，o t g ，f p g a ，u l p i ，综合 a b s t a c t a bs t r a c t u s bo n t h e - g o ( o t gf o rs h o r t ) i sak e ys u p p l e m e n tt ot h eu s b2 0s p e c i f i c a t i o n i t 玉 w i d e l yu s e di nc o n n e c t i o n sa n dc o m m u n i c a t i o n sa m o n gp cp e r i p h e r a l sa n dp o r t a b h d e v i c e s ，e s p e c i a l l yp d a s ，m o b i l ep h o n e sa n dc o n s u m e re l e c t r o n i c s i nu s b2 ( s p e c i f i c a t i o n ，u s bc o m m u n i c a t i o nc a no n l yt a k ep l a c eb e t w e e nap ch o s ta n d p e r i p h e r a l u s bd e v i c e sa r en o ta b l et oc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rw i t h o u tt h e a i do 】 p c t h eo t gt e c h n o l o g ye n a b l e sp o r t a b l ed e v i c e st oe x c h a n g ed a t aw i t h o u tp c 一 o t gc a p a b l ed e v i c ec a nt a k eo nt h er o l eo fal i m i t e du s bh o s t ，a n da l s ot h er o l eo l s t a n d a r du s b d e v i c e ，w h i c ha l l o w si tt oi n t e r c o n n e c tw i t ha n yu s be q u i p m e n t s t h i st h e s i si n t r o d u c e dau s b2 0o t gi pc o r ed e s i g nf o re m b e d d e ds o cs y s t e m 1 1 1 f i pc o r es u p p o r t su s b2 0s p e c i f i c a t i o n ，o n t h e g os u p p l e m e n t ，u t m + s p e c i f i c a t i o r a n du l p is p e c i f i c a t i o n t h i si pc o n n e c t st ou s bd e v i c e st h r o u g hu t m i + u l p ip h y o no n es i d e ；a n dc o n n e c t st oe m b e d d e dc p ut h r o u g hg e n e r a le x t e r n a lb u so nt h eo t h e l s i d e t h i si pc o n t a i n sb u si n t e r f a c e ，m e m o r ya r b i t e r ( m a ) ，u l p lw r a p p e r , o t g c o n t r o l l e r ( o t g c ) ，e n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e r ( e h c ) ，o p e nh o s tc o n t r o l l e r ( o h c ) a n d d e v i c ec o n t r o l l e r ( d c ) i ti n t r o d u c e dt h ed e s i g nd e t a i l sa n ds i m u l a t i o no fb i u ，u l p l w r a p p e ra n du l p im o d u l ea tf i r s t t h e ni ts t u d i e df p g as y s t e ms y n t h e s i sc o n s t r a i n t 匹 a n ds i g n a l t a pi i d e b u g g i n g ，d e s i g nt i m i n gc o n s t r a i n t sf o rt h ei ps y n t h e s i s ，a m c o n d u c ts t a t i ct i m i n ga n a l y z e w ep e r f o r m e df u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o nw i t hv i p sf r o m s y n o p s y si n c t h eu s b2 0o t gi pc o r ei sv e r i f i e da n de v a l u a t e do nap l a t f o r m ，w h i c hc o n s i s t so l a r me v a l u a t i o nb o a r d ，f p g ab o a r da n dp h yb o a r d i tt u r n e do u tt h a ta l lt h ef u n c t i o n o ft h ei pi sr e a l i z e da sp l a n n e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fw h i c hi st a b l e t h ev e r i f i c a t i o n p l a t f o r mh a sg o o ds i g n a li n t e g r i t y t h ea c h i e v e m e n t so ft h i sp r o j e c tc a nb ea p p l i e dt o t h ed e x 7 e l o p m e n t so fo t h e ro t g d e v i c e s ，e m b e d d e do t gs o f i w a r ed e v e l o p m e n t se t c i t s p r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c ti se v i d e n t k e ) 1 v o r d s ：o t g ，u s b ，f p g a ，u l p i ，s y n t h e s i s 图目录 图目录 图2 1u s b 系统的层次结构5 图2 2u s b 高速传输中的微帧帧结构6 图2 3u s b 数据流结构一7 图2 - 4u s b 数据包结构图8 图2 5 一个s o f 包的波形图9 图2 6 控制传输结构一ll 图2 7u s b 批量传输结构1 2 图2 8u s bo t g 电缆结构图一1 4 图2 9u l p i 寄存器更新时序一1 8 图2 1 0 高速主设备连接的u l p i 时序l8 图2 1 l 高速设备挂起唤醒的u l p i 接口时序1 9 图2 1 2 高速备远程唤醒的u l p i 接口时序1 9 图3 1u s b2 0o t g 系统的结构2 0 图4 1m m u 的内部结构2 5 图4 2 $ 3 c 2 4 1 0 的总线读操作时序2 6 图4 3m m u 的控制状态机状态转移图2 7 图4 - 4m m u 响应外部访问的时序图2 8 图4 5 中断控制模块结构图2 9 图4 6m a 模块结构图3 0 图4 7u l p i 接口时序图以及对应的u t m i + 时序3 l 图4 8u l p i 对寄存器的封装和映射示意图一3 l 图4 9u l p i 模块结构图3 l 图4 1 0 发送状态转移简图3 l 图4 1 l 接收状态转移简图3 l 图4 1 2p h y 复位初始化状态转移图- 3 l 图4 1 3 预读机制状态转移图3 l 图4 1 4d r v v b u s 和t e r m s e l e c t 跳变后u l p i 模块仿真波形3 l 图目录 图4 15d r v v b u s 和t e r m s e l e c t 跳变后u l p i 模块仿真波形3 l 图4 1 6 数据包接收仿真波形3 1 图4 1 7 数据包发送仿真波形3 1 图4 1 8 高速检测握手中发送c h i r pj 的仿真波形3 1 图4 1 9p h y 复位过程的仿真波形3 l 图5 1t 1 m e q u e s t 约束、分析和综合的流程3 l 图5 - 2 优化前时钟余量直方图3 1 图5 3 优化后时钟余量直方图3l 图5 4u t m i + 接口方式综合布线后结果报告3 l 图5 5u l p i 接口方式综合布线后结果报告3 l 图5 6s i g n a l t a p i j 嵌入式逻辑分析器工作原理3 l 图5 7s i g n a l t a pi i 中的捕获设置3 i 图5 8s i g n a l t a pl i 所捕获的波形3 l 图5 9i p 核验证的系统框图3 l 图5 1 0i p 核寄存器读写验证波形3 l 图5 1 l 向设备缓存的连续地址空间中写入随机数据一3 l 图5 1 2 读取设备缓存中所写入的数据一31 图5 一1 3 系统复位后开始执, j 亍u l p ip h y 上电复位操作3 l 图5 1 4 设备开始向主机发出c h i r p k 一3 l 图5 1 5 设备确认主机的c h l r p 。3 l 图5 一1 6 主机为设备分配地址和端点3 1 图6 1f p g a 泱 试环境示意图3l 图6 2 开发板机械安装图3 1 图6 3a r m s y s 2 4l0 开发板31 图6 4 a r m s y s 2 4 1 0 开发板背面的扩展用引脚3 l 图6 5j t a g 内部构造图3 l 图6 石c y c l o n ei i i 的j 1 a g 配置方式电路3 1 图6 7c y c l o n ei i i 的a c t i v es e r i a l 配置方式电路3 l 图6 8f p g a 状态指示电路3 1 图6 - 9f p g a 配置电路一31 图6 1 0u t m i + p h y 电路原理图j 3 1 图6 一l lu l p ip h y 电路原理图3 1 v l l 图目录 图6 - 1 2u s b 差分线微带线等效模型图3 l 图6 1 3 匹配电阻为0 时的差分对信号眼图3 l 图6 1 4 匹配电阻为2 2 q 时的差分对信号眼图3 i 图6 1 53 3 v 供电电路图3 l 图6 1 62 5 v 供电电路图。3 l 图6 1 70 t gv b u s 电源切换电路图。3 l 图6 1 8u s b2 0 规范中推荐的测试拓扑结构3 l 图7 1u s b2 0 协议中规定的跟图模版l 3 l 图7 2 高速状态下u s b 信号线眼图和跟图模板。3 l 图7 - 3u t m l + 接口测试平台一3 l 图7 - 4 加载驱动程序后的打印信息3 l 图7 5 系统提示发现全速u s b 设备并读出设备制造商3 1 图7 6 读出u s b 设备容量大小并为之分配挂载点3 l 图7 7 用h d p a r m 软件测试u 盘的读取速度的屏幕截图3 1 图7 8 挂载并列出优盘目录并拷贝文件3 l 图7 9 u l p i 接口工作方式3 l 图7 1 0 驱动模块插入后内核打印信息3 l 图7 1 l 高速主机在高速检测握手中发送c h i r p k 3 1 图7 一1 2 主机发送了建立包并获得了设备返回的确认包3 l 图7 1 3 提示高速检测握手成功3 l 图7 1 4 握手阶段s l g n a l l a p1 l 波形3l 图7 1 5 状态阶段始s i g n a l t a pi i 波形3 1 图7 1 6 高速优盘识别过程的l i n u x 终端截图3 1 图7 1 7 挂载并列出u 盘的目录3 1 图7 1 8u l p i 接口工作方式下的速度测试截图：3 1 图7 1 9u t m i + 接口工作方式下的速度测试截图3 1 图7 2 0 设备功能测试实物图3 l 图7 2 2e v e r e s t 工具软件检测结果3l 图7 2 3 测试u 盘文件传输3 1 图7 1 2 4e v e r e s t 测试1 p 传输速度31 图7 2 5a t t od i s kb e n c h m a r k 软件测试i p 的传输速度3l 图7 2 6u t m i + 工作方式下用e v e r e s t 测试l p 传输速度3 l v i i i 图目录 图7 2 7o t g 功能测试系统连接框图3l 图7 2 8o g 功能测试系统实物图3 l 图7 2 9o t g 功能终端打印信息3 l i x 图目录 表目录 表2 1p i d 及包类型一9 表2 2u t m i + l e v e l i 重要接口控制和状态信号1 6 表4 1 i p 内部各模块地址划分表2 5 表6 1a r m s y s 2 4 1 0 开发板背面的扩展用引脚3 l 表6 2c y c l o n ei i i 系列f p g a 性能对比3l 表6 3t & m t 接口信号列表h 3 l 表7 1u s b2 0 协议规定的眼图模板l 的各点位置 一3 l 表7 2u s b2 0o t gi p 性能测试结果3l x 绪论 缩略词表 o t go nn eg o u s b 2 0 的补充协议 u s b u n i v e r s a ls e r i a lb u s通用串行总线 p cp e r s o n a lc o m p u t e r 个人电脑 s i e s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e 串行接口引擎 l u s cr e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r精简指令集计算机 p h y p h y s i c a ll a y e r 物理层 u 1 m iu s b 2 0t r a n s c e i v e rm a c r o c e l li n t e r f a c e u s b 2 0 收发器宏单元接口 e h c ie n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e 增强型主机控制器接口 o h c i o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e 开放型主机控制器接口 s l 冲s e s s i o nr e q u e s tp r o t o c o l 会话请求协议 h n ph o s tn e g o t i a t i o np r o t o c o l 主机交换协议 g p i o g e n e r a lp r o g r a m m a b l ei n p u t & o u t p u t通用可编程输入输出接口 h s h i g hs p e e d 高速 f sf u l ls p e e d 全速 i p i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y知识产权核 v i pv e r i f i c a t i o ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 验证知识产权 f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 u l p iu t m il o wp i ni n t e r f a c e u t m i 低管脚数目接口 s t as t a t i ct i m i n ga n l y z e 静态时序分析 m c u m i c r oc o n t r o l l e ru n i t单片微型计算机 s o c s y s t e mo nc h i p 片上系统 a h ba d v a n c e dh i g hp e r f o r m a n c eb u s 高级高性能总线 x i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 至急日期：z o o7 年莎月2 目 签名： 2 么i 日期： 7 年 6 月2 目 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 一论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 鲰罗厅、 二8 冬 日期：2p 驴尹年 莎月z 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1u s bo t g 技术 第一章绪论 u s b ( 通用串行总线) 2 0 是由c o m p a q 、h p 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 和p h i l i p s 制定的一种计算机外设连接规范，于2 0 0 0 年4 月2 7 日公布。0 i u s b2 0 在原先u s b l 1 的1 5 m b s 和1 2 m b s 基础上增加了4 8 0 m b s ( 6 0 m b s ) 的高速数 据传输模式，具有即插即用、热插拔、接口体积小巧、节省系统资源、传输可靠、 提供电源、兼容性良好、成本低等优点。目前，u s b 2 0 接口已经成为p c 机的主 流接口。截止2 0 0 8 年底，全球已有超过6 0 亿个u s b 设型2 。 近年来，随着p d a 、手杌、数字相机等移动装置的普及，各种移动装置的连 接问题就成为了焦点。在p c 上广泛使用的u s b 技术属于外围设备连接主机的架 构，如果没有p c 的话，其余外围装置将无法彼此沟通。如果能省去充当中介角色 的p c ，外围装置能够彼此直接连接，将极大地方便用户的使用，而u s bo n t h e g o ( o t g ) 正是这样的一种解决方案i j j 。 u s bo t g 实际上是通用接口u s bl m p l e m e n t e r sf o r u m 组织对于原u s b 规范 的补充规范1 3 】，最新版本的u s bo t g 建立在u s b2 0 规范基础之上。通过修改接 口针脚定义和外形，u s bo t g 设备可根据厂商的需要定义为主控和双重角色的两 种不同工作方式 4 1 。o t g 设备相对于普通设备的不同在于它能实现一部分主机控 制器的功能而且能够根据需要进行角色切换。 毫无疑问，在数码消费产品间的互联上，u s bo t g 具有很大的优势。以数码 相机为例，支持u s bo t g 在向p d a 传输照片时，可以暂时切换为p d a 的从属设 备；而当需要连接打印机直接打印时，可切换成主控，操作打印机完成打印任务。 采用o t g 技术的移动硬盘可以直接与数码相机、读卡器甚至其他移动硬盘连接， 从而实现直接数据传递。对于采用u s bo t g 接口的m p 3 m p 4 ，可以不通过电脑 直接与其他具备移动存储功能的u s b 设备交换数据，可以作为数码相机伴侣来使 用。u s bo t g 使m p 3 m p 4 播放器起到了个人多媒体数据交换中心的作用，使u 盘、数码相机、移动硬盘之间交换数据更加方便快捷。而具有u s bo t g 功能的手 机p d a ，可以使两部手机卵d a 共享音乐、文件或传真等数据。具有u s bo t g 手 电子科技大学硕士学位论文 机可以是主机或从机，即一部为主机，另一部为从机，此时即可进行数据传输。 u s bo t g 打印机可以和数码相机直接相连，通过u s bo t g 技术将拍出的相片立 即打印出来，而无需通过电脑转接，u s bo t g 技术使得打印机在进行数据交换的 时候即可作为主端也可作为从端，功能更加灵活。 得益于目前u s b 的普及程度，u s bo t g 早晚会成为不同外部非p c 设备间最 通用快捷的连接手段。对u s b o t g 最有竞争力的对手是i e e e1 3 9 4 。这个源自数 字影音应用领域的互联标准天生就具有设备间直接互联的能力，而且速度可以达 到8 0 0 m b p s ，并得到众多家电厂商的支持。但是由于其授权费用的高昂和控制器 的复杂，i e e e1 3 9 4 目前只在d v 等数码影像设备有所应用，普及率远不及u s b 接口。 t 1 2 国内外研究动态 目前投入u s bo t g 相关i c 研发的i c 设计厂商主要有s t - e r i c s s o n ( 源自原飞 利浦半导体部门n x p 公司的u s b 业务部分) 、s m s c 、c y p r e s s 等欧美厂商以及巨 盛、扬智等台湾厂商。此外，m e n t o rg r a p h i c s 以及s y n o p s y s 等e d a 工具厂商也 推出了i p ，以及相应v i p 。以供s o c 芯片厂商选择集成进自己的设计中【5 l 。 s t - e r i c s s o n 公司目前有完整的u s bo t g 解决方案。其o t g 控制器主要有 i s p l 7 6 1 ( 支持高速) 、i s p l 3 6 2 ( 支持全速) ，i s p l l 6 1 ( 只支持s r p ) 。同时还有全 套的p h y ：i s p l 5 0 x ( u l p i ) ，i s p l 5 1 x ( u l p id d r ) ，i s p l 7 0 x ( i i c ) 。具有代表 性的i s p l 7 6 1 是一款支持u s b2 0 的单片u s bo t g ( o n t h e g o ) 控制器，内部集成 了e h c iu s b 主控制器、u s b 外设控制器及o t g 控制器。其主控制器及外设控制 器均支持u s b 2 0 标准的4 8 0 m b s 数据传输速率，其o t g 控制器则符合u s bo t g r e v 1 o a 标准。i s p l 7 6 1 有3 个u s b 接口，端口1 可以配置为主控制器、外设控 制器或o t g 控制器接口，它既可以连接u s b 主控制器又可以连接u s b 外设控制 器，还可以与其他o t g 控制器接口直接对接；端口2 及3 只能配置为主控制器u s b 接口与u s b 外设连接。i s p l 7 6 1 为了简化设计，使用了e h c i + 内部集线器的方式 来实现同时支持高速和全速u s b 连接。 s t - e r i c s s o n 支持u l p i 的i s p l5 0 4 型p h y 是一款相当成熟的u l p i 接口型物 理层芯片，支持u s b2 0 以及o t g 规范所规定的所有物理层操作。在a s i c 设计 中使用这种p h y 芯片可以绕过物理层设计的难题，快速实现u s b2 0o t g 功能。 在本设计中就使用了i s p l 5 0 4 作为物理层接口芯片。 2 第一章绪论 s m s c 支持o t g 的p h y 产品线非常全，包括支持u t m i + 的u s b 3 5 0 0 和支 持u l p i 的u s b 3 3 0 0 两种p h y 。其中u s b 3 5 0 0 是目前唯一正式投放市场的支持 删i + 的p h y 芯片。 巨盛公司在2 0 0 3 年2 月发表的c s c l 2 2 1u s bo t g 控制芯片，可以实现硬盘 和m p 3 的应用，并通过u s b i f 的认证，取得u s bo t gl o g o 。巨盛一共推出了 三款o t g 应用芯片，分别应用在数字相机、随身碟、随身硬盘、桥接器等计算机 外设储存装置。i s 扬智科技的支持p i o d m a 接口的u s b2 0o t g 控制芯片，型号m 5 6 3 6 。此 芯片具有低功率损耗和高整合度的优点。透过m 5 6 3 6 的8 1 6 位p i o d m a 接口， 8 1 6 位的微控制器( m c u ) 可以对外与其它的u s bo t g 装置通信，因此能够广泛地 应用于各种数字移动装置中，这包含扫描仪、打印机、数字相机、数字摄录像机、 多功能打印机、数字复印机、p d a 、多媒体手机、可携式媒体播放机、网络和通 信设备。1 8 j u s bo t g 的模拟与混合信号技术门坎很高，同时也要求一套比较复杂的驱动 和协议栈来支持，在i c 设计业中，虽然有从事开发模拟与混合i c 、电源i c 的厂 商，但是，他们的产品都属于分散的独立组件，也分别拥有他们各自的知识产权 核( i p ) ，无法对下游的o e m 或o d m 厂商提供完整的解决方案一系统级单芯片 ( s o c ) 。目前国内很少有i c 设计单位，是通过e d a 开发工具，来自行开发o t g 实体层i p 核心的。大多数是直接向类似c h i p i d e a 这样的公司购买完整的o t g 实 体层i p 核心，再来开发自己的o t g 控制芯片。当硬件设计出来以后，还要向j u n g o 等软件公司购买u s bo t g 协议栈来与之配合工作。1 8 1 1 2 课题的目标与研究意义 本课题是四川省科技厅的科技攻关项目，目标开发针对主流m c u 的u s b 2 0 o t gi p 核，本论文属于该课题的一部分。 本课题的工作包括： 设计并验证u s b 2 0o t gi p 核； 在l i n u x 下开发u s b 2 0o t gi p 的驱动程序； 设计u s b 2 0o t gi p 核的f p g a 测试系统、测试该i p 核的功能，并演示u s b o t g 功能。 电子科技大学硕士学位论文 本课题主要研究符合u s b 2 0 协议规范以及o t g 补充规范，具备u s bo t g 链路层功能的i p 核的设计以及相关技术。该i p 核符合高速u s b 2 0 规范，同时提 供了u s b 2 0u t m i + 接口和u l p i ，可与具备u s b 2 0u t m i + u l p i 接口的p h y 芯 片直接连接，支持u s b 全速( 1 2 m b s ) 传输和高速( 4 8 0 m b s ) 传输，可实现命令和数 据流的解析及相应操作。该i p 核提供了可与3 2 位高性能微处理器连接的总线接口。 本研究的关键问题在于e h c i 控制器、o h c i 控制器的集成；o t g 的状态切换 流程；e h c i o h c i 的驱动程序：o t g 的驱动；总线管理和缓存管理：u l p i 与u t m i 单元的设计；硬件代码的验证；芯片级验证平台的搭建等。 本课题的研究填补了我国在u s b 领域的多项技术空白，其直接产物u s b2 0 o t gi p 有较好的市场前景。我们的i p 同时提供市场上流行的p h y 接口，便于直 接商业化应用。该成果打破了国外的技术垄断，掌握了相关核心技术，在u s bo t g 这个蕴含着巨大魅力的市场中为我国半导体技术业找到了一席之地。 1 3 本论文的主要工作 本设计是一个复杂的、涉及软件与硬件两方面技术的综合性课题。首先，要 实现u s bo t g 的功能，则必须在硬件上实现u s b 设备控制器以及全速和高速的 主机控制器。并有一个特殊的o t g 电路实现上述控制器之间的切换。其次，u s b o t g 需要大量的驱动支持以及操作系统支持，需要针对以上模块编写相应的驱动 程序。其研究过程涉及硬件代码设计、r t l 级仿真、f p g a 级仿真、驱动程序设计 脑 守。 笔者参与了u s b o t g 芯片的数字前端设计中的部分模块的设计以及f p g a 硬 件验证平台的设计和调试工作。此论文较为详细的记录了作者在开发过程中参与 进行的工作，记录并分析了开发成果。本文组织结构如下： 第一章简单阐述了u s bo t g 技术发展，论文目的和意义，以及主要工作。第 二章简略介绍了i p 所遵循的u s b 2 0 规范，o t g 规范以及u l p i 规范。第三章介 绍和分析了i p 的系统架构，模块划分，工作方式等。第四章中详细介绍了作者所 承担的i p 中总线接口单元的设计和u l p i 封装模块的设计。第五章介绍了系统综 合中约束条件的设置。第六章详细介绍了i p 验证系统的设计。第七章中介绍了i p 测试工作，并分析了相关的测试结果。最后总结本论文的研究成果并展望了未来 工作。 4 第二章u s b 2 0 - o t g 协议原理 第二章u s b 2 0 - o t g 协议原理 2 1u s b 规范的体系结构 u s b 2 0 接口是一个传输速率可以达到4 8 0 m b s 的串行接口，由不同类型的外 围设备共享这个接口总线。u s b 总线是由主机( h o s t ) 控制的，在整个u s b 系统中 只允许有一个主机。一个主机最多可通过u s b 总线控制1 2 7 个外设( p e r i p h e r a l ) ， 每个外设由主机分配唯一的地址来标识【。u s b 主机是整个总线的主控者，掌握 所有的控制权。它负责随时发现总线上新加入的u s b 设备，为其分配相应的系统 资源。总线上的通信都由主机来发起。u s b 里的通信都是是基于令牌的，当主机 要跟设备进行数据通信时，首先向设备发送一个含有设备地址和端点号的令牌包 以启动事务处理。这时总线上符合该地址的设备将接收这个包，并且按照令牌包 的内容进行相应的操作。 在终端用户看来，u s b 系统就是u s b 设备和主机间的简单连接，但对开发人 员来说，这种连接可被分为如图2 1 所示的三个逻辑层：功能层、u s b 设备层和 u s b 总线接口层。每一层都由主机和u s b 设备的不同功能模块组成。主机的每一 个层次通过相应的逻辑通道和外设的相应层次连接起来。l i j 互连 主机 lu s b 设备 。客户软件陋 逻辑通信漉 叫功能单元踊 功能层 伞伞 u s b 系统软件k 星辑通言流 u s b 端点集合 i j s b 设备层 。 t十 u s b 总线接口l 奏际的j匝信j j ! r i b s 总线接口u s a 总线接口 图2 - 1u s b 系统的层次结构 5 层 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1u s b 主机 u s b 主机的三个功能模块中，客户软件负责和u s b 设备的功能单元进行通信， 以实现其特定功能。客户软件与功能单元间的通信必须经过u s b 系统软件和u s b 总线接口模块才能实现。客户软件包括u s b 设备驱动程序和界面应用程序两部分， 其中u s b 设备驱动程序直接和u s b 系统软件通信。 u s b 系统软件负责对u s b 逻辑设备进行配置和与之通信，并管理客户软件发 起的数据传输。它一般包括u s b 总线驱动程序、u s b 主机控制器驱动程序和非 u s b 主机软件三部分，通常由操作系统和主机控制器制造者提供。在一个u s b 设 备使用前，u s b 总线驱动程序对其进行一些初始化操作。当u s b 总线驱动程序接 收到u s b 设备驱动程序发来的i o 请求包时，会把这些i o 请求中的数据重新进 行组织，使它们具有u s b 特定格式事务处理。u s b 主机控制器驱动程序( h c d ) 的存在，使得客户软件在进行数据传输时不必知道u s b 主控制器硬件的具体实现 细节，h c d 负责把u s b 总线驱动程序建立的事务处理安排在u s b 总线上，以建 立一系列的事务处理列表。i 】 u s b 总线接口包括主控制器和根集线器两部分。主控制器负责读取h c d 建立 的事务处理列表，并将它们安排在一系列长度为l m s 的帧( 全速传输) 或1 2 5 u s 的微帧( 高速传输) 中，发送到u s b 总线上。它们都以s o f 令牌包开始，以e o f 状态结束。( 图2 2 ) s o f 是在每帧微帧中传输的第一个信息包，在其后的剩余帧 微帧时间里，u s b 主控制器可以安排传输任何其他事务处理。根集线器是一个 u s b 系统中的连接起点，被集成在u s b 主控制器的内部。【l 】 。微帧n 11 2 5 u s 。 微帧n1 2 5 u s 。微帧n + i1 2 5 u s 。 s o f f s o fl l 爹 s o f i ls o fi ii ，ii “3l 2 1 2u s b 设备 图2 - 2u s b 高速传输中的微帧帧结构 一个u s b 设备由u s b 总线接e l 、u s b 逻辑设备和功能单元三个功能模块组 成。其中u s b 总线接口是u s b 设备中的串行接口引擎( s i e ) ；u s b 逻辑设备被 u s b 系统软件看作是一个端点的集合；功能单元被客户软件看作是一个接口的集 6 第二苹u s b 2 0 - o t g 协议原理 合。 为了正确描述u s b 设备的特性，u s b 提出了设备构架的概念。设备构架认为 u s b 设备是由一些配置、接口和端点组成的，即一个u s b 设备可以含有一个或多 个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个端点1 9 1 。 其中，配置和接口是对u s b 设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成，在 使用u s b 设备前，必须指明其采用哪个配置和接口。 u s b 设备使用各种描述符来说明其设备构架，包括设备描述符、配置描述符、 接口描述符、端点描述符和字符串描述符【】，它们通常被保存在u s b 接1 2 芯片的 固件中。 2 1 3u s b 链路结构