（微电子学与固体电子学专业论文）usb设备控制器的硬件电路设计与实现.pdf

u s b 设备控制器的硬件电路设计与实现 摘要 通用串行总线( u n i v e r s a ls e i r a lb u s ) ，即u s b ，是一种新的总线接口技术。自 从1 9 9 6 年u s b i f ( u s b 实现者论坛) 公布了u s b l 0 协议以来，其迅速得到发展， 经过升级到u s b 2 0 后，因特尔等公司又于2 0 0 8 年1 1 月公布了u s b 3 0 协议。 通常u s b 设备控制器中的功能控制器都由一个微控制器来实现，而在实际应 用中，u s b 功能控制器的功能也可以采用硬件来实现。虽然当采用硬件方式来实 现时，由于其涉及到主机对设备复杂的枚举过程，因此结构设计来说会相对复杂， 但是采用硬件电路实现的方式可以提高整个u s b 设备控制器集成度，并且加快 u s b 设备控制器的处理速度，而且由于其不需要使用微处理器，还将大大降低实 现的成本。 本文在基于上述分析的基础上，提出了一种基于u s b 2 0 中的全速u s b 设备 控制器的全硬件设计的实现方案，通过仔细分析u s b 的传输原理和通信协议，研 究u s b 设备控制器物理模块的整体结构构成，将其分成几个主要的模块：收发器、 协议层、数据缓冲区和功能控制模块，然后采用t o p d o w n 的流程与模块化的方法 用v e r i l o gh d l 语言实现了该u s b 设备控制器的数字逻辑电路设计。接下来，本 文还采用m o d e l s i m 仿真软件对各个模块的功能实现进行了仿真验证，通过对其枚 举过程响应过程的分析，证明了其能缩短响应的时间，提高通信速度的正确性。 最后，本文采用s y n p l i f y 综合工具并对设计进行了综合分析，并给出了结论。 本文所设计的u s b 设备控制器相对于其他同类u s b 设备控制器而言，在控 制数据的传输和接收方面，有它的优势和创新之处。而且，由于其采用硬件电路 的方式代替了微控制器，除了能达到速度快、成本低等优点外，也无需设计协议 层与m c u 之间的接口电路，无需对用于传递两者之间的控制与状态信号的寄存器 组进行设计，又从一定程度上降低了设计的难度。总体来说本文所设计的u s b 设 备控制器集成度高，速度快、且成本低，同时存在一定的可扩展型，符合了当今 数字电路的发展对u s b 设备控制器的要求。 关键词：u s b 设备控制器；v e r i l o gh d l ；硬件电路；速度；仿真与综合 i i a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，o ru s b ，i san e wb u si n t e r f a c et e c h n o l o g y s i n c e 19 9 6 u s b - i f ( u s bi m p l e m e n t e rf o r u m ) a n n o u n c e da l la g r e e m e n tu s b 1 0 ，i th a sd e v e l o p e d r a p i d l y a f t e ru p g r a d i n gt ou s b 2 0 ，c o m p a n i e ss u c ha si n t e la n n o u n c e da na g r e e m e n t o fu s b 3 0i nt h en o v e m b e r2 0 0 8 a tp r e s e n t ，t h eu s bf u n c t i o n a lc o n t r o l l e ro ft h ed e v i c ec o n t r o l l e ro nt h em a r k e t a l w a y su s e am i c r o c o n t r o l l e rt or e a l i z e ，b u ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ef u n c t i o no ft h e t u n c t l o n a lc o n t r o l l e rc a na l s ou s e as i m i l a ra p p r o a c ht h eh a r d w a r et or e a l i z e a l t h o u g h t h ea p p r o a c hw o u l dd u et oi t sh o s to f e q u i p m e n t ，w h i c hr e l a t e dt ot h ec o m p l e x i t vo ft h e e n u m e r a t l o n p r o c e s s ， a n dt h e r e f o r et h e s t r u c t u r ew o u l db e d e s i g n r e l a t i v e l v c o m p l i c a t e d ，b u tt h eu s eo fh a r d w a r ec i r c u i t sc a nb er e a l i z e dt oe n h a n c et h ei n t e g r a t e d u s bd e v i c ec o n t r o l l e r ，a n dt oa c c e l e r a t et h eu s b d e v i c ec o n t r 0 1 1 e ro ft h ep r o c e s s i n g s p e e d f u r t h e r ，b e c a u s ei td o e sn o th a v et ou s ei t sm i c r o p r o c e s s o r s ，s oi t a c h i e v e s l o w e rc o s t s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h eb a s i so ft h ea b o v ea n a l y s i s ，au s b 2 0b a s e do nt h e f u l l s p e e du s bd e v i c ec o n t r o l l e rh a r d w a r ea n dd e s i g no ft h ef u l l r e a l i z a t i o no ft h e p r o g r a m t h r o u g hac a r e f u la n a l y s i so ft h et r a n s f e rp r i n c i p l ea n du s b c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s ，a n dr e s e a r c ho ft h ep h y s i c a ls t r u c t u r em o d u l e so ft h eo v e r a l lc o n t r o l l e r c o n s t i t u t eu s bd e v i c e i no r d e rt oa c h i e v ei t sf u n c t i o n ，i ti s d i v i d e di n t os e v e r a lm a j o r c o m p o n e n t s ：t r a n s c e i v e r ，p r o t o c o ll a y e r ，d a t aa n df u n c t i o n so ft h eb u f f e rc o n t r o l m o d u l e ，a n dt h e nu s e dt h ep r o c e s so ft o p d o w na p p r o a c ha n dt h em o d u l a rv e r i l o g h d ll a n g u a g eu s e dt oa c h i e v et h ef u l l s p e e du s bd e v i c ec o n t r o l l e ro ft h ee n t i r e d i g i t a ll o g i cc i r c u i td e s i g n n e x t ，t h i sa r t i c l ea l s os t a t e sm o d e l s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e u s i n gu s bd e v i c ec o n t r o l l e rf o re a c hm o d u l et oa c h i e v eas i m u l a t i o no fi t sr e s p o n s et o t h eh o s tt h r o u g ht h ee n u m e r a t i o np r o c e s so f a n a l y s i st h a tc a ns h o r t e ni t sr e s p o n s et i m e a n qi n c r e a s ep r o c e s s i n gs p e e dc o m m u n i c a t i o n sc o r r e c t n e s s f i n a l l y ，t h i s p a p e ra l s o u s e st h es y n t h e s i st o o ls y n p l i f yt om a k ea c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ed e s i g n ，a tl a s t g i v e sac o n c l u s i o n i n t h i sp a p e r ，c o m p a r e dt oo t h e rs i m i l a ru s bd e v i c ec o n t r o l l e r ，t h eu s b d e v i c e c o n t r o l l e rd e s i g nh a si t s a d v a n t a g e sa n di n n o v a t i o n si nt h ec o n t r 0 1d a t ai n t h e t r a n s m i s s i o na n d r e c e p t i o n ? m o r e o v e r ，t h ea d d i t i o nt oa c h i e v eh i g hs p e e da n d1 0 wc o s t a d v a n t a g e s ，b e c a u s eo fi t sh a r d w a r ec i r c u i t si n s t e a do ft h e m i c r o c o n t r 0 1 1 e ra n d i i i u s b 设备控制器的硬件电路设计j 实现 t h e r e f o r e ，i tn e e d n tt od e s i g np r o t o c o ll a y e ra n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nt h em c u - ，o ，r a n dt h en e e df o rt r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ec o n t r o la n ds t a t u sr e g i s t e rg r o u ps i g n a l s d e s i g n e dt ox e d u c et os o m ee x t e n t ，w h i c hw o u l dm a k et h ed e s i g nm o r ed i f f i c u l t t h e w h o l ed e s i g no ft h i sa r t i c l ei n t e g r a t e du s bd e v i c ec o n t r o l l e r ，h i g hs p e e da n dl o wc o s t ， a tt h es a m et i m et h e r ec a nb ee x t e n d e di nl i n ew i t ht o d a y sd i g i t a lc i r c u i t ，w h i c hi st h e d e v e l o p m e n t o ft h er e q u i r e m e n t so fu s bd e v i c ec o n t r o l l e r k e y w o r d s ：u s bd e v i c ec o n t r o l l e r ；v e r i l o g h d l ；h a r d w a r ec i r c u i t ；s p e e d ；s i m u l a t i o n a n d s y n t h e s i s i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：嘞 日期：砷年上月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 钐楼 彩久 影易 硕一l ：学位论文 第1 章绪论 u s b ，全称u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，是一种外围设备与计算机进 行连接的新型接i ：1 总线，其最早是由c o m p a q 、i n t e l 、d i g i t a le q u i p m e n t 、i b m 、 m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 7 家公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出的【lj ，目的是简 化外设的连接过程，使p c 机接口的扩展变得更加容易。总的来说，u s b 具有即插 即用、热插拨、接口体积小巧、节省系统资源、传输可靠、提供电源、良好的兼 容性、共享式通信和低成本等优点，是计算机外设连接技术的重大变革。 1 1u s b 技术简介 计算机与通信技术始终相对独立的发展，而计算机技术与通信技术相结合的 技术将成为下一代应用产品的基础，因此计算机数据与通信数据在两种环境下的 交换需要一种通用而低成本的连接方式。作为一种新的p c 机的外围设备连接技 术，u s b 技术应运而生，它为个人电脑与其外围设备之间的连接提供了一种标准 化、单一化的接口，可以与当今乃至将来的计算机平台兼容，是对计算机体系结 构的一种工业标准扩展。 自从u s b 技术得到应用以来，近几年，u s b 接口技术得到了飞快的发展，从 鼠标、键盘到照相机、m p 3 ，以及打印机、扫描仪等，几乎都由老式的并串行接 口换代到了通用的u s b 接口，而且随着u s b 协议的更新以及速度的提高，u s b 接口技术将得到更广泛的应用。接下来，本部分将从u s b 的发展背景、研究现状 及趋势以及u s b 系统的基本的架构原理几方面来简要介绍u s b 技术，为本文的 研究提供理论基础。 1 1 1u s b 技术背景及意义 在u s b 产生之前，外设与p c 机的通信主要是通过p c 机主板所提供的各种接口 来实现的，如i s a 接口、p c i 接口、p s 2 接口、串行接口、并行接口等。这些老式 的接口最初是由i b m 公司在2 0 世纪8 0 年代早期设计提出的，存在很多缺陷【2 3 l ： ( 1 ) 它们是非共享式接口，只支持单个外设的连接，即在同一时刻一个接口只 能连接一个外设。而当前p c 机接口数量有限，根本无法满足大量外设连接的需要。 这时，p c 机的可用接口就显得越来越紧张。 ( 2 ) 这些接口的体积庞大。它们几乎占用了p c 机主板面积的一半，而硬件厂商 不可能无限制地增加主板的面积来扩充这些老式的接口。而且，大体积的接口不 利于p c 机外设的小型化。 ( 3 ) 这些接口的规格不。当用户需要把一些外设连接至j j p c 机时，他们不得不 面对种类繁多的i o 扩展槽和外部端口，这会使用户觉得很不方便。 u s b 设嵛控制器的硬件电路设计。j 实现 ( 4 ) 这些接1 2 采用传统的i o 模式。外设被映射为c p u 的i o 地址空间，并被分配 一个指定的i r q ( q b 断请求) ，或是一个d m a 通道。这种模式会带来诸女1 1 i o 地址冲 突、所指定的i r q 已被别的外设占用等问题。这时用户需要采用手工的方法设置一 些开关和跳线以重新配置这些设备，有时还必须打开机箱盖，而且在设置完毕后， 用户必须重新启动计算机，才能使这些新的配置生效。不论对外设的开发者还是 使用者来说，这个过程都相当繁琐。 为了克服老式接口的上述缺陷，p c 机制造商和用户迫切需要一种新型的外设 连接方式。这时u s b 应运而生，它是一种快速、双向、同步、廉价，并支持热插 拨功能的串行接口。它支持多个外设的连接，一台p c 机( 含一个u s b 主控制器时) 可以连接多达1 2 7 个u s b # f 设；而且所有外设上行接口的规格都是相同的，用户可 以简单方便地将其连入p c 机。u s b 的即插即用( p l u ga n dp l a y ) 和热插拨功能，使得 用户可以在不断电的情况下直接将u s b 夕b 设连接至l j p c 机上，并马上被操作系统所 识别。u s b 从传统i o 模式的桎梏中解放出来，开辟了一条外设与p c 机连接的新方 法，具体地说，u s b 接口与其他方式p c 机接口相比，具有如下优点【4 j ： ( 1 ) 快速数据传输：u s b 高速方式时可以达到4 8 0 m b s ，可以广泛地应用于需要 比较高速大批量传输的场合，比如数字音频设备、数码相机和扫描仪等；u s b 全 速方式可以达到1 2 m b s ，可以广泛地适应一些不需要很大传输率的外设，如鼠标、 键盘等，u s b 又规定了低速方式，其速率为1 5 m b s 。 ( 2 ) 优秀的电源管理：普通使用的串口、并口的设备都需要单独供电系统，u s b 总线可以提供5 0 0 m a 的电流。u s b # i , 围设备处于待机状态的时候，会自动启动省 电的功能来降低耗电量。当要使用设备时，又会自动恢复原来的状态。在使用电 池供电的计算机系统上，这个特性特别有用。 ( 3 ) 自动检测和配置外围设备：自动配置功能对于满足终端用户的需求非常关 键，实现即插即用，不需要通过开关的设置和手工跳线来配置设备，当新的外围 设备连接到计算机上时，不需要安装新的软件。支持热插拔，当新的外围设备被 连接到计算机上时，系统能够自动检测到它，并为该设备安装相应的软件，使该 设备能够被访问到。 ( 4 ) 易于扩展：u s b 总线协议规定，通过h u b ( 集线器) 可连接多达1 2 7 个外设。 标准的u s b 电缆长度为5 m ，通过h u b 或中继器可以使外设距离达n 3 0 m 。u s b 总线 在物理上是层次星形的总线拓扑结构。一个h u b 在每个星形的中心，其中每一个节 点( n o d e ) 作为u s b 节点接入一个u s b 设备；根据其芯片功能的不同可有很多不同的 下行端口，接入不通过的u s b 设备，但是任何一个h u b 只能有一个上行端口。 ( 5 ) 使用灵活：u s b 支持三种类型的传输速率；支持四种传输类型：批量传输、 同步传输、中断传输和控制传输。这是其能够适合多种外设需要的原因。 ( 6 ) 价格低廉：虽然u s b 接1 2 比起以前的接口来得复杂，不过它的组件与电缆 硕l j 学位论文 都不贵。与以前的接口比较起来，u s b 接口甚至只需更少的花费。如果使用低速 模式的u s b 设备，其硬件的需求会让价钱降的更低。 ( 7 ) 良好的兼容性：u s b 规范具有良好的向下兼容性，如u s b 2 0 的主控制器就 能很好地兼容u s b l 1 的产品。操作系统在检测到全速u s b 设备接入时，会自动按 照1 2 m b s 的速率进行传输，而其他高速u s b 设备并不会因为全速设备的连接而减 慢它们的传输速率，它们仍可继续使用4 8 0 m b s 的速率进行传输。 u s b 的众多优势将会它的应用越来越广泛，未来的p c 将是一个密封设备，所 有外设都将通过u s b 或其他外部接口连接，随着时代的发展，更灵活、通用性更 好的u s b 接口无疑是发展的趋势。 1 1 2u s b 技术的发展现状及趋势 最初，u s b 技术是l9 9 4 年底由i b m 等7 家公司共同开发出来的，整体而言，在 通信接口技术上，现在没有一种更新的技术能够阻挡u b s 技术快速发展的步伐。 且据最新数据表明，在全球市场规模方面，u s b 的产品出货量从2 0 0 4 年的七亿套 成长至2 0 0 9 年的二十一亿一千万套，年复合成长率达到了2 4 9 ，且仅在2 0 0 8 年， u s b 技术便以1 8 - 3 的年增长率高速发展着【5 。6 l ，而且随着时代的发展，更灵活、 通用性更好的u s b 接口无疑将会有更快的发展趋势。 u s b 最初的公开版本是1 9 9 4 年1 1 月发布的u s b 0 7 ，之后不断更新。第一版的 u s b l 0 在1 9 9 6 年提出，速度只有1 5 m b s ，两年后，在19 9 8 年9 月升级为u s b l 1 协 议，速度也大大提升到1 2 m b s 。u s b l 1 推出后，在u s b 的计算机与外设上得到了 普遍的使用，该版本支持两种数据传输速率：低速和全速，其与标准的串行端口 相比，大约快出l0 0 倍，与标准的并行端口相比，也快出近1 0 倍，但是其总线传输 速度对于一些高传输量的设备而言还是较低，满足不了一些设备的需求【7 l 。 于是，2 0 0 0 年4 月u s b i f ( u s b 实现者论坛) 又发布了u s b 2 0 规范1 8 j ，u s b 2 0 是 在u s b l 1 后的新协议，该协议除了同样支持低速、全速，与u s b l 1 兼容之外，还 支持高速的传输速率。u s b 2 0 将设备之问的数据传输速度增加到了4 8 0 m b s ，比 u s b l 1 标准快4 0 倍左右，速度的提高对于用户的最大好处是意味着用户可以使用 到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接至j u s b 2 0 的路 线上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。且u s b 2 0 协议是兼容u s b l 1 的， 也就是说u s b l 1 设备可以和u s b 2 0 设备通用，但是这时u s b 2 0 设备只能工作在全 速状态下。于是新的u s b 2 0 规范重新命名了u s b 标准，将原先的u s b l 1 改成了 u s b 2 0f u l ls p e e d ( 全速版) 恍，虽然其实质还是属于u s b l 1 的范畴，但不言而喻， 全速版的u s b 2 0 速度当然超过了低速版的u s b l 1 。 随着u s b 设备的迅速增加，设备与设备之间的直接数据传输变得越来越迫切， 于是u s bo t g ( o nt h eg o ) 技术应运而生了，它于2 0 0 1 年l2 月底制定，作为 u s b 2 0 的补充协议，它赋予了设备双重身份，即既可以作为主机，又可以作为设 3 u s b 设备控制器的硬件i u 路设计j 实现 备，其实质是在设备中增加了一个嵌入式计算机来执行主机任务。这一技术使u s b 设备摆脱了对p c 的依赖，大大扩展了u s b 的应用范围，并结合u s b 2 0 高速传输技 术，严重威胁到i e e e1 3 9 4 的传统市场l l o 1 1 j 。 另外，u s b 实施者论坛还根据不同的应用领域定义了u s b 设备类规范，如人 机接口设备( h u m a ni n t e r f a c ed e v i c e ，h i d ) 设备类规范、大容量存储设备类规范、 音频设备类规范等。u s b 设备类规范根据设备特性定义了相关的设备描述、控制 以及数据传输等特性，为u s b 设备的即插即用特性奠定了基础。其它的u s b 规范 还包括由各大器件生产厂商联合指定的u s b 主机控制器规范，如支持u s b l 1 协议 的通用主机控制接口( u n i v e r s a lh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，u h c i ) 、开放主机控制接 口( o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，o h c i ) 规范，支持u s b 2 0 的增强主机控制接口 ( e 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 ，e h c i ) 规范i l j j 。 为了扩大u s b 的应用范围，很多公司还在u s b 规范的基础上添加了新的功能， 使得u s b 的应用更加广泛。如根据u s b 规范，u s b 总线可为每个连接的外设提供+ 5 v 5 0 0 m a 的电源，对于很多小功率的外设已能满足要求，但是当外设需要超过 5 0 0 m a 电流时，就需要外接电源。这不符合“即插即用 的构思。所以出现了解 决这一问题的p o w e r e du s b 技术【i 引。另外，u s b 规范规定了u s b 总线的连线长度最 大为5 m ，使用集线器来扩展，也只能级联5 级，即最大为3 0 m ，这限制了u s b 在数 据采集、设备监控等方面的应用。i c r o n 公司开发了e x t e r m eu s b 技术，可以将连线 距离扩展到5 0 0 m 2 0 0 0 m t j 。 自从u s b 2 0 协议提出后，基本上满足了大部分外设的速率要求，可是距今现 在又过了8 年，u s b 2 0 又无法满足部分应用的需要，u s b 3 0 也就应运而生。2 0 0 8 年1 1 月，由英特尔、惠普( h p ) 、n e c 、n x p 半导体以及德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 等公司公开开发并公布了了u s b 3 0 协议，u s b 3 0 又被称为“u s bs u p e r s p e e d ”， 其最大传输带宽达到了5 0 g b s ，也就是6 2 5 m s ，相当在4 3 秒的时间内下载一部 2 7 g b 的高清电影，显然，任何机械硬盘都无法跟上如此高的速度。u s b 3 0 还具 有向下兼容性，且测量仪器大厂泰克( t e k t r o n i x ) 在2 0 0 8 年1 0 月第一家宣布了用于 u s b 3 0 的测试工具，通过该测试工具可以帮助开发人员验证新规范与硬件设计之 间的兼容性。另外，u s b 3 0 还兼具传统u s b 技术的易用性和即插即用功能，以 及支持未来的光纤传输；再者，u s b 3 0 采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故 而支持双向并发数据流传输；除此之外，u s b 3 0 还引入了新的电源管理机制，将 会更加节能，它支持待机、休眠和暂停等状态。由于u s b 3 0 的众多突出性能，因 此，u s b 3 0 刚公布，各大公司便加紧了对它的研究开发，虽然到目前未知支持该 新规范的的控制器还未被开发出来，市面上支持该新规范的消费级产品更并未上 市，但是有专家预计支持新规范的商用控制器将在2 0 0 9 年下半年面世，消费级产 品则有望在2 0 1 0 年上市【1 8 - l9 1 。 硕i ：学位论文 总体说来，由于u s b 的发展迅速，以及其接口蕴藏了巨大市场需求，各大生 产厂商纷纷将目标投向了u s b 接口，已经上市的u s b 接口产品市场反应良好，利 润丰厚，得到了用户的青睐，展示出欣欣向荣的景象。在u s b 的市场应用方面， 主要分为电脑相关、消费类电子与通信三大类，目前最大应用市场为电脑相关产 品。在2 0 0 5 年，u s b 在电脑相关的应用比重占整体应用的6 9 9 ，在消费类电子产 品与通信产品的应用则分别占2 0 与9 5 2 0 j 。在u s b 2 0 推出后，其4 8 0 m b s 的传输 速度己能符合目前电脑与周边设各传输的要求，随着个人电脑迈向娱乐化，消费 类电子产品与电脑之间的连接成为高速传输的重要应用，高速传输在消费类电子 产品的出货量将逐年增加。 对于u s b 的控制芯片来说，从u s b 标准的推出至今，国外有许多大的供应商 都已经推出了技术上比较成熟的u s b 控制器芯片，甚至早在在2 0 0 1 年，c y p r e s s 和 p h i l i p s 就推出了u s b 2 0 接口芯片，当前u s b 2 0 接口控制芯片的市场份额也主要被 这些国外的厂商所占据，其中c y p r e s s 、i n t e l 、p h i l i p s 、n e t c h i p 、n e e 、t i 等几家 公司的芯片比较成功。而国内的u s b 2 0 接口控制芯片现在也有一定地发展，国家 相关部门也高度重视u s b 2 0 接口芯片的研发，并于2 0 0 2 年将其列为国家8 6 3 项目。 且国内的许多公司也陆续成功地开发了u s b 主机控制器、设备控制器的芯片，市 面上涉及到u s b 通信接口的外围设备也有很大部分都是由国内的公司研究与开发 的【2 l _ 2 2 1 。 这几年，u s b 正在逐步进入无线传输领域。c y p r e s s 公司推出的w i r e l e s s u s b 实现了1 0 m 的通信距离，可在2 4 g h zi s m 频段下工作。以i n t e l 公司为首的7 家技术 重量级公司发起组成了无线u s b 组织，旨在开发一种基于超宽带技术( u w b ) 的无 线u s b 协议。a g i l e n t 公司与f r e e s c a l e 公司共同推出u s b 无线光学鼠标参考设计。无 线u s b 正成为u s b 发展的一个新的热点1 2 3 1 。 随着计算机性能的不断提高，计算机可以处理越来越大量的数据，同时计算 机外围设备的功能与速度也在不断增强。随之而来的需求便是希望u s b 可处理更 快的数据传输速度。对于诸如数码相机这样的设备，需要与计算机有高性能的连 接方式，高速的u s b 尤为适用。目前支持高速u s b 控制器也己经投入市场，且也 已得到了一定的普及，但是由于对于一些对速率的要求并不是很高的相对低速度 的设备来说，u s b 2 0 所支持的4 8 0 m b s 传输速率也并不是那么的必要，因此，低速 或全速的设备控制器仍有相当大的市场，例如，p c 机常用的鼠标、键盘等交互类 u s b 设备，以及音频、麦克风等全速类u s b 设备。表1 1 便列出了对应于不同速率 的u s b 应用及相应特性。但是，由于u s b l 1 协议的低速仅提供1 5 m b s 的速度，其 大大限制了该类设备的发展，而且速度太低也无法满足使用者的需求，因此，支 持u s b 2 0 的全速设备便得到了极大的应用。本论文便是基于这样的情况提供了一 种支持u s b 2 0 全速的设备控制器的i p 核设计与实现。 u s b 设备控制器的硬件l 乜路设计1 j 实现 表1 i 不同速度的u s b 应用及其特性【2 4 1 1 2 本研究课题的背景及意义 对于一个u s b 系统来说，通常被定义成三个部分：u s b 的互联、u s b 的设备和 u s b 的主机。本文主要针对u s b 设备端提出了一种u s b 设备控制器的电路实现。 u s b 设备控制器处于主机( 或者集线器) 与一般设备之间，它的作用是负责将u s b 电 缆差分信号串并转换且摒除u s b 格式后向一般设备发送，同时可以将一般设备的 数据按u s b 格式发送给主机。通常，一个u s b 设备控制器主要由收发器、串行接 口引擎( s i e ) 、存储缓冲区模块和功能控制器模块组成【2 引，它的结构框图如图1 1 所示。 图1 1u s b 设备控制器结构框图 而在u s b 发展的十多年的历史中，无论是基于u s b l x 、u s b 2 0 还是基于u s b o t g 的u s b 设备控制器，总的概括起来，对u s b 设备端控制器的实现方式一般来 说都分成两种：一种是全集成芯片，即芯片中内置微处理器，专用的m c u 内嵌符 合u s b 规范的s i e ，如i n t e l 的8 x 9 3 0 a x ，c y p r e s s 的e z u s b ，s i e m e n s 的c 5 4 l u 以及m o t o l o r a 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r s 等公司的产品。此种方式在单芯片内集 成u s b 设备控制核和基于该核的单片机，既可以节省芯片资源、也可以方便特定 单片机设计，虽然降低了设计成本，但制作专用集成电路( a s i c ) 的周期长，也不 利于产品的升级。 另一种是部分集成芯片，即纯粹的u s b 接口芯片，它仅处理u s b 标准协议包 硕1 ：学位论文 的通信处理，需要一个外部的微处理器来管理u s b 设备控制器的寄存器、设备描 述符的获取和数据包的交换等，如p h i l i p s 的p d i u s b d l l ，p d i u s b p l l a ， p d i u s b d12 ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的u s b n 9 6 0 2 ，u s b n 9 6 0 3 ，u s b n 9 6 0 4 等。 此种方式将u s b 设备控制器与专用单片机组合，虽然开发起来周期短，但集成度 低，由于需要专用的u s b 设备控制器，而且u s b 设备控制器作为一个“黑匣子 调试起来也比较麻烦i z 6 2 7 1 。 总而言之，两种方法各有优缺点，无论使用哪种方式实现u s b 设备控制器的 设计，都会在某个方面降低其性能，而且，无论使用哪种方式实现，其本质上并 没有太大的区别，在实现完整的u s b 协议的功能的过程中，都会需要一个微控制， 即完成u s b 设备控制器中功能控制器的功能，用来控铜j u s b 底层电路，控制u s b 设备与主机的完整通信。这就需要设计人员除了对u s b 设备控制器的协议通信层 进行数字硬件电路的设计之外，还要对控制该协议通信层的微处理器进行固件的 设计，进一步，还需要在u s b 设备控制器的芯片中相应设计与微处理器的接口电 路、与微处理器通信的控制状态信号寄存器、以及针对数据缓冲区设计硬件电路 与微处理器对其数据存取的仲裁电路等。 而在实际应用中，功能控制器的功能也可以同样采用硬件的方式来实现。虽 然当采用硬件方式来实现时，由于其涉及到主机对设备复杂的枚举过程，因此结 构设计来说会相对复杂，而且如上所述，目前市场上主流的u s b 器件也大部分都 用采用微控制器的方式来实现，但是如果采用硬件电路的方案也能成功的实现功 能控制器的功能，这将会提高整个u s b 设备控制器集成度，并且提高u s b 设备控 制器的处理速度，进一步，由于其不需要使用微处理器，降低了成本，特别是对 于低速或全速类设备来说，由于其逻辑功能相对高速设备而言比较简单，用硬件 电路实现方案可行性更高。 本文便是在基于上述研究分析的基础上，提出了一种基于u s b 2 0 全速的设备 控制器的硬件电路的设计，对于协议通信层，与现有的主流u s b 设备控制器一样， 采用数字电路的方式实现，而对于功能控制器的实现，则通过将现有的u s b 设备 控制器中的微处理器功能设计成专用的a s i c 电路，同样达到了控制设备与主机进 行通信交互的结果，从而使得功能控制器部分与协议层部分很好的结合，无需再 设计二者之间的接口电路，也无需设计二者之间进行信号传递的专用寄存器，而 且与传统的微处理器方式相比，本设计具有速度快、集成度高以及成本低等优点， 完全符合了当今数字电路的发展对u s b 设备控制器的要求。 1 3 本文结构安排 本论文首先对u s b 2 0 协议规范进行了较为深入的研究，分析了u s b 通信模 式的系统结构，给u s b 设备控制器的设计提供提供了理论及设计基础。在分析了 u s b 设备控制器的硬件电路设计j 实现 u s b 2 0 总线协议的基础上，设计了u s b 设备控制器的总体框架，并按照自上而 下模块化的设计思想对其进行模块划分，并设计各个模块的执行过程。然后采用 硬件描述v e r i l o g h d l 对u s b 设备可控制器进行了r t l 级的描述，并且完成了功 能仿真及逻辑综合，验证了本设计的u s b 设备控制器的可行性。 本论文按照u s b 设备控制器的设计和实现过程来划分，一共分为五章，具体 安排如下： 第一章绪论，主要介绍了u s b 技术的技术背景、研究历史、发展现状与趋势 以及本课题的研究背景和意义，然后介绍了本文的组织结构安排。 第二章u s b 2 0 总线协议的分析，主要介绍了u s b 2 0 的协议基础，具体对u s b 协议层的数据传输、传输中数据的结构形式及数据传输过程中的出错处理做了详 细的分析，为下面的u s b 设备控制器的设计打好了基础。 第三章u s b 2 0 全速设备控制器的设计，首先介绍了本文的总体设计方法及流 程，然后对u s b 设备控制器进行了模块划分，介绍了控制器各模块的设计，其中 重点介绍了时钟恢复模块、循环冗余校验模块、串行接口引擎控制状机和功能控 制器的设计。 第四章仿真与验证，主要介绍了本设计u s b 2 0 全速设备控制器的仿真及综合 验证过程，并具体分析了验证的结果。 第五章结束语，总结全文，对本设计中遇到的问题及在设计过程中的收获进行 了总结，并指出了设计中的不足和需要改进的地方。 8 硕i j 学位论文 第2 章u s b 总线协议分析 本章主要从u s b 设备端角度出发，详细介绍u s b 2 0 总线协议的相关基础知识。 u s b 设备与主机之间通过事务( t r a n s c a t i o n ) 进行通信的。一次传输可分成一个或多 个事务，一个事务可分为若干个包( p a c k e t ) ，包是总线上传输的最小数据块，通常 又可以分为多个字段( f i e l d ) 。不同的字段都由不同长度和不同数值的位所组成。本 章具体地从字段和包的定义开始，由部分到整体地对u s b 的数据阐述协议进行了 分析，尤其具体分析了u s b 协议层的数据传输、传输中数据的结构形式及数据传 输过程中的出错处理。 2 1u s b 数据包的字段 本节重点阐述u s b 事务传输过程的包格式。包( p a c k e t ) 是u s b 系统中信息传输 的基本单元，根据u s b 规范，所有数据都是以包的形式在总线上传输，而每个u s b 包都是由不同的字段组成【2 引。为了满足不同类型的数据通信需求，u s b 总线支持 不同类型的数据包结构。 组成u s b 包的字段有5 种类型，不同的u s b 包可能包含不同类型的字段。如图 2 1 所示，为u s b 数据包的结构示意图。这5 种字段分别是同步s y n c ( s y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e ) 字段、包标识符p i d ( p a c k e ti d e n t i f i c a t i o n ) 字段、数据字 段循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 字段、和包结束e o p ( e n do f p a c k e t ) 字段。u s b 传输中所有的传输包都起始于s y n c ，接着是p i d ，然后是纯数据字段 及其该数据字段信息的c r c 校验码，最后e o p 作为标志。 l 同步字段 p i d 字段 数据字段 l c 字r 段c l 包结( e 束o p 字) 段 i ( s y n c ) ( p i d ) l 图2 1u s b 数据包结构示意图 1 、同步字段s y n c 在u s b 系统中，主机和u s b 设备不是共享一个时钟，这使得接收方没有办法 准确知道发送方何时发送数据。尽管能检测到总线从空闲状态到k 状态的一个跳 变，但是这个跳变还