（电路与系统专业论文）基于8位MCU+IP核的USB控制器的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于8 位m c ui p 核的u s b 控制器的设计与实现 摘要 集成电路进入s o c 设计阶段以后，基于i p ( 知识产权) 核的s o c 设计方法 已经成为目前s o c 设计方法中主流的设计方法之一。我国集成电路设计起步较 晚，设计水平、设计能力与国外有一定差距，设计并开发具有自主知识产权的 i p 核，对我国的i c 产业具有重要的意义。 作为一种限入式微控制器，m c u 在通信、交通、医疗、消费电子、仪器仪 表等领域得到了广泛的应用，渗透到人类生活和国民经济的各个方面，推动着 国民经济的迅速发展。在这些嵌入式应用系统中，基于5 l 指令系统的8 位c i s c m c u 由于其低成本、高效能而始终占据着相当重要的位置。因此，研究并提高 基于5 1 指令系统的8 位c i s cm c u 的性能和效能仍具有较高的理论和现实意义。 基于这点，本论文研究并设计了一款与标准8 0 5 1 兼容的8 位c i s cm c ui p 核。 在a l u 的设计部分，对常用的加法、除法电路作了改进，引入了新的算法一超 前进位扩展算法”】平口双比特算法。“，提高了执行效率。在控制器的设计部分， 采用了查找表结构，它没有硬布线控制器逻辑结构那么复杂，速度要比微程序 控制器速度快。 目前，基于u s b 总线的电子产品种类在不断增加，u s b 接口芯片的需求越 来越大。论文幕于所丌发的m c ui p 核，通过将u s b 接口i p 集成到所丌发的m c u i p 核中，实现了u s b 设备控制器的设计。 关键词：s o c 、i p 、c i s cm c u 、u s b 、u s b 控制器、f p g a 验证 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fu s b c o n t r o l l e rb a s e do n8 - b i t m c ui pc o r e a 。b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n du s eo fi p c o r e sh a sb e e nt h em a i nd e s i g nm e t h o df o r s o c ( s y s t e mo nac h i p ) d e s i g ns i n c et h ei cd e s i g ne n t e r s i n t os o cd e s i g ne r a h o w e v e r i cd e s i g ni nc h i n ad e v e l o p sl a t t e rt h a ns o m eo t h e rc o u n t r i e s ，i ti s s i g n i f i c a n tf o ru st od e s i g nt h ei pc o r e sw h i c hb e l o n gt o u s m c u ( mi c r oc o n t r o l l e ru n i t ) i pc o r ea sa ne m b e d d e dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ， h a sw i d e l yb e e nu s e di nt h ef i e l d so fc o m m u n i c a t i o n ，t r a f f i c ，m e d i c i n e ，i n s t r u m e n t s ， e l e c t r o n i cp r o d u c t sf o rd a i l yl i f ea n ds oo n ，a n di td r i v e st h ef a s td e v e l o p m e n to f c o u n t r y se c o n o m y i nt h e s ea p p l i c a t i o n e m b e d d e ds y s t e m s ，m c ub a s e do n51 i n s t r u c t i o ns y s t e mh o l d so nt h ei m p o r t a n tp l a c e ，b e c a u s eo fi t sl o wp r i c ea n dh i g h p e r f o r m a n c es oi th a sh i g h l ya c a d e m i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a s e do na b o v e p o i n t ，t h i st h e s i sr e s e a r c h sa n dd e s i g n sa8 - b i tc i s ci pc o r e ，w h i c hi sc o m p a t i b l e w i t hs t a n d a r d8 0 51 ，i na l ud e s i g n ，w eu s el e a d i n g c a r r ye x t e n d a b l ea n dd u a l b i t a l g o r i t h m st oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fa d d e ra n dd i v i s i o nc i r c u i t s ，i n c o n t r o l l e r d e s i g n ，w ei n t e g r a t et h et r a d i t i o n a lm e t h o d s - - h a r dr o u t ea n dm i c r o p r o g r a m i n t o o u rc o n t r o l l e rd e s i g n ，t h en e ws t r u c t u r e l u tc o n t r o l l e ri sl e s sc o m p l e xt h a nh a r d r o u t ec o n t r o l l e r ，a n df a s t e rt h a nm i c r o p r o g r a mc q n t r o l l e r 。 m e a n w h i l e ，a st h ec o n s t a n ti n c r e a s eo fe l e c t r i o n i cp r o d u c t sb a s e do nu s bb u s a n dt h ed e m a n do fu s bi n t e r f a c ec h i p sa tp r e s e n t ，w ei n t e g r a t et h eu s bi n t e r f a c e m o d u l ei n t om c ui pc o r e ，a n di m p l e m e n tu s be q u i p m e n tc o n t r o l l e rb yw a yo f s i n g l ec h i p k e yw o r d s ：s y s t e m - o n - c h i p ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，c i s cm c u ，u s bc o n t r o l l e r f p g av e r i f i c a t i o n 图1 1 可重用i p 核设计流程 图1 2 系统级验证平台生成流程 图1 3u s b 系统结构图 图2 1 存储器组织一 图2 2a d 8 0 5 1 微控制器系统框图 图2 3a d 8 0 5 1 系统框图 图2 - 4 指令周期状态图 图2 。5 程序执行的组成元素 图2 - 6 硬连线逻辑控制器 图2 7 微程序控制器 图2 8 查找表结构控制器 图2 - 9 节拍状态转换图一 图2 1 0 超前进位扩展算法结构图一 插图清单 图2 1 18 位超前进位扩展算法电路结构图 图2 1 2 逻辑电路图1 图2 。1 3 逻辑电路图2 图2 1 4 超前进位扩展算法仿真波形图 图2 - 1 5 无符号数乘法算法 图2 1 6 不恢复余数法算法 图2 1 7 双比特除法算法 图2 1 8 双比特算法仿真波形图 图3 1a d 8 0 5 l 验证流程 图3 2 验证平台和验证流程 图3 3 可重用总线功能模块验证平台 图3 - 4 带应用程序的验证平台结构 图3 5 参考模块仿真方法 图3 - 6 基于覆盖率的功能验证流程一 图3 7a d 8 0 5 1 验证平台 图3 8 自动验证 图3 - 9m u la b 仿真波形图 图3 - 1 0d i va b 仿真波形图 图3 - 11 异或运算仿真波形图 图3 1 2 取反运算仿真波形图 图3 1 3 左移运算仿真波形图 4 ，6 1 0 1 1 1 2 1 2 1 3 1 4 1 5 1 5 1 6 1 9 2 0 2 0 2 0 2 1 2 2 2 3 2 3 2 5 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 4 3 7 3 8 3 8 一3 9 3 9 3 9 图3 1 4l j m p 指令仿真波形图 图3 1 5d a 指令仿真波形图 图3 1 6 片内r o m 仿真波形图 图3 1 7 串口仿真波形图 图3 - 1 8 门级仿真一 图3 1 9f p q a 门级仿真后仿真流程 图3 2 0m o vd p t r 7 f a a 门级仿真波形图 图3 ，2 1 逻辑分析仪 图4 1u s b 设备控制器基本单元简图 图4 2p c 主机与设备之间通信协议示意图 图4 3 控制传输 图4 4u s b 数据交换格式 图4 5 等时传输数据交换格式一 图4 - 6 控制读取的数据交换 图4 7u s b 设备控制器示意图 图4 8 不归零翻转编码电路一 图4 - 9 不归零翻转解码电路 图4 1 0u s b 接收流程图 图4 1 1 接收状态机 图4 1 2 发送状态机 图4 1 3 定时器状态机一 图4 1 4u s b 设备控制器体系结构 图4 1 5u s bm c u 仿真验证平台 图4 1 6s e t u p 封包仿真波形图 图4 - 1 7d a t a 0 封包仿真波形图 图4 1 8 a c k 握手封包仿真波形图 图4 1 9i n 令牌封包仿真波形图 图4 2 0 n a k 握手封包仿真波形图 图4 2 1d a t a l 数据封包仿真波形图 图4 2 2 主机a c k 握手封包仿真波形图 图4 2 3o u t 令牌封包仿真波形图， 图4 2 4 设备端a c k 封包仿真波形图 图4 2 5 步骤二设鹭阶段仿真波形图一 图4 2 6 步骤二状态阶段仿真波形图 图4 2 7 步骤三仿真波形图一 图4 2 8 步骤四仿真波形图1 们甜观舶卯犍如如”钉弱弱弱”铂卯们酡矾甜鲋甜：2：会：2：g砸的 图4 2 9 步骤四仿真波形图2 6 6 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 - 5 表3 1 表3 - 2 表3 3 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表格清单 超前进位扩展算法 不恢复余数算法一 双比特算法 串口模式 中断及中断优先级 文件说明 文件功能列表 s t r a t i xi ie p 2 s 6 0 f 6 2 c 5 e s 主要性能 u s b 封包类型 u s b 传输类型 接口信号列表 u s b 中断及中断优先级列表 设计模块列表 博m弘拍拍弘钉甜铝懿” 独创性声明 本人声明所节交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究i ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得佥筵2 ：业厶堂 或其他教育机构的学位或证。r c 而使用过的栩料。与我一同1 i 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学何论文作者签字：强魁签字日期：2 川年争月猡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒b 王些厶堂有关保留、使j = j 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什和磁盘，允许论文被布阅或借阅。本人授权合肥【一业人 ! 鲨一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采h j 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适用本授权书) 学位论文作者签名：t - f 芟- 导师签名孙 签字日期：2 ，z 年牛月心日签字日期辞口月加 学位论文作者毕业后去 _ = 作单位 通讯地址 触电a i 黝私寻电话： 砧正路t 亨 邮编：岁7 叫1 扎苎i _ 菇研 当士r 叫“1 托粑 致谢 在这里我深深地感谢我的导师高明伦教授和潘剑宏老师的厚爱，是你们带 我进入了集成电路设计这领域。 高老师学识渊博、治学严谨、诚恳待人、诲人不倦，这些都将使我终身受 益，在此对高老师表示深深地敬意和感激。 潘老师在我读研的三年期间，无论在学习上还是生活中都给予了无微不至 的关心和帮助，在此表示衷心的感谢。 感谢邓红辉老师在工作和学习中给予我的指导，在本文的整个写作过程中， 邓老师提供了相当有价值的帮助，并阅读了本文，提出了宝贵的修改意见。 感谢胡永华老师、王锐老师、张溯老师、尹勇生博士、杜高明博士的关心 和帮助。 感谢“u s b 2 0 微控制器芯片”项目组的成员：耿罗锋、于冰、沈建、聂晶、 程颖在项目中和论文的馔写中给予的帮助。 感谢胡德俊、郭舒生、杨明、王科、圣应山、郭彦、孙华波、鲁斌、陈巨 等同学，他们陪我度过了研究生阶段的美好时光。 特别感谢我的父母多年来的培养、帮助、关心和支持。 感谢我的女朋友李晶对我的照顾和支持。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们! 作者：张俊 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 微电子技术是上世纪以来发展最为迅速的高新技术。1 9 4 8 年巴丁、布莱顿 等人发明了世界上第一个晶体管，1 9 5 9 年美国德仪公司发明出第一个集成电 路，上面只有4 个晶体管，1 9 6 7 年诞生了单片集成度在1 0 0 0 个晶体管以上的 集成电路，从此集成电路由中小规模时期进入大规模时期。2 0 世纪7 0 年代以 来，由于c m o s ( c o m p le m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，互补型金属氧 化物半导体) 工艺的发展，使得c m o s 器件不仅具有很高的集成度，而且工作速 度达到甚至超过了t t l ( t r a n s is t o r t r a n s is t o rl o g i c ，兰极管一三极管逻辑 电路) 电路的性能。1 9 7 7 年，美国科学家在3 0 m m 2 的硅片上集成了1 3 万个晶体 管，制作出了世界上第一块6 4 k b i t 的d r a m ( 动态随机存储器) ，标志着集成电 路进入了超大规模时代。 从集成电路加工的最小尺寸来看，2 0 世纪8 0 年代，集成电路加工的最小 尺寸是微米级，9 0 年代初是亚微米级( 0 5 u m l u m ) ，现在已经达到9 0 n m 并正 向6 5 n m 前进。 随着微电子加工技术的发展和设计水平的提高，在单颗芯片上集成电子系 统中所有元件有了可能，于是出现了系统芯片s o c ( s y s t e mo i lac h i p ) 。电子 系统的设计方法也从原来的p c b ( 印刷电路板，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 级发 展到了s o c 级。 1 1s o c 设计、验证与l p 核重用 s o c 是微电子设计领域的一场革命，它是指在单一芯片上实现的数字计算 机系统该系统硬件部分包括c p u 、r o m r a m 、i 0 端口等计算机系统的基本部 件，软件部分主要指操作系统，也可以包括重要的应用软件。 s o c 芯片作为集成电路产业中的新技术，它与传统的a s i c 芯片 ( a p p l i c a l ；i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r e u i t s ，专用集成电路) 相比，有如 下优点： ( 1 ) 增加功能：从单一功能增加到多种功能。 ( 2 ) 提高性能指标：s o c 是从整个系统的角度来进行设计的，在相同的工艺 条件下可以达到更高性能的系统指标，在实现相同功能的情况下所需的晶体管 数目可降低2 3 个数量级。 ( 3 ) 缩短产品上市时间，以获取更多的利润。 ( 4 ) 降低功耗，提高抗电磁干扰和系统可靠性。 ( 5 ) 降低成本：s o c 要集成多种功能模块，通过购买第三方的知识产权( i p ， i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) ，可以提高设计效率，节约开支。 正是由于s o c 芯片的这些优点，使得我们在进行s o c 设计时所采用的方法 必然会与a s i c 的设计方法有所区别。 i i 1s o c 设计 s o c 作为一种复杂的系统级芯片，它具有如下这些特性： 实现复杂系统功能的大规模集成电路： 采用超深亚微米工艺技术： 使用一个或多个嵌入式c p u 或数字信号处理器； 具备外部对芯片进行编程的能力： 主要采用l p 重用进行设计。 从上述s o c 的特性来看，s o c 中包含了微处理器微控制器、存储器以及其 他专用功能逻辑，但并不是包含了微处理器、存储器以及其他专用功能逻辑的 芯片就是s o c 。s o c 技术被广泛认同的根本原因，是s o c 可以用较短的时间被设 计出来，这是s o c 的主要价值所在，即缩短产品的面市时间。因此，s o c 其实 是在一个芯片上由于广泛使用预定制模块i p ( i n t e l le c t u a p r o p e r t y ) 而得 以快速丌发的集成电路。从设计上来说，s o c 设计是一个通过设计复用来达到 高生产率的硬件一软件协同设计的过程。从方法学的角度来看，s o c 设计涉及到 i p 核可复用设计测试方法及接口规范、系统芯片总线式集成设计方法学、系 统芯片验证和测试方法学。 i i 2i p 核设计及重用 s o c 设计的基础是i p 核设计及重用技术。s o c 芯片是一个复杂的系统，如 果完全从零开始来实现整个芯片的设计，显然要花费大量的人力物力，势必会 耽误产品面市时间，影响产品竞争力。为了加快s o c 芯片的设计速度，越来越 多的设计公司将已有的i c 电路设计成一个个的模块，在s o c 芯片设计中被调用， 从而简化s o c 芯片的设计，缩短设计时间。这些可以反复调用的模块就叫做i p 核。 当然不是所有的i c 电路都可以作为i p 核，为了满足s o c 设计要求，i p 核 必须有以下四个特征： l 、 必须是符合设计重用要求，并按嵌入式专f 设计的。 2 、 必须经过多次优化设计，使芯片在面积、性能、功耗等方面达到最 优。 3 、必须是允许很多家公司在支付一定费用后被商业运用的。 4 、必须符合i p 标准。为了规范接口，提高复用效率，l9 9 6 年9 月 世界3 5 个著名公司组成了一个国际性的组织一虚拟插座接口联盟 v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c ea 1 l ia n c e ) ，该联盟负责i p 核标 准化工作。 i p 核供应商提供的i p 可以有三种形式：软核、固核和硬核。 软核是用硬件描述语言描述的可综合的电路功能模块，它不涉及具体的物 理实现，灵活性较好。固核是基于特定工艺库综合出来的网表，在结构、面积 和性能安排上都进行了初步优化，它介于软核与硬核之间。硬核是基于特定工 艺的版图库生成的物理版图，对频率、功耗、面积等方面作了充分的优化，但 由于硬核依赖于一定工艺，所以灵活性较差，不便于移植。 可重用t p 核设计流程如图l 一1 所示。为了将l p 核方便地集成到不同的s o c 芯片中，在设计中一般尽量将i p 核接口部分和功能部分分开，单独作为一个模 块进行设计，当s o c 片内总线的协议不同时，只需修改接口部分就可以复用了， 这种方法非常灵活。 i 磊巍i _ 书_ 测试向量 图1 - 1 司重用j p 核设计流群 1 , 1 3s o c 验证 对于s o c 设计而言，不仅在规模上与传统的芯片有着很大的差别，而且在 设计方法上也有着本质的不同。对于结构复杂的系统芯片( s o c ) ，如何在设计 的前期阶段就能消除设计的功能缺陷( b u g ) ，保证一次流片成功率，节约流片 成本，加快芯片面市时间( t i m et om a r k e t ，t t m ) ，是设计者必须解决的关键 问题。验证( v e r i fjc a t io i q ) 就是解决手段之一，它是发现设计缺陷，确保设 计成功的重要措施。 由于s o c 设计是一种面向集成的设计，它包含了系统设计和模块设计，简 单地说，就是将一个系统划分成若干模块，然后再将若干个这些经过验证的模 块集成起来形成系统的过程，因此，s o c 验证通常包括模块验证和系统验证两 个部分。 1 模块的单独验证。一个复杂的系统芯片总是由若干个模块组成。一般来说， s o c 中所用的模块可能大量来自于第三方的i p 模块，但总有一些模块需要自己设计。 在模块设计中要涉及到三个层次，即r t l 级、门级以及物理级。因此，模块单独验证 要分别在这三个层次上进行。在s o c 中，模块的输入输出要么是芯片的外部输入输出， 要么是模块与模块之间的接口，但更多的是来自芯核( m c u 、m p u 、d s p 等) 的数 据或控制信号，因此在构造模块的单独验证环境时，一般用总线功能模型b f m ( b u s f u n c t i o nm o d e l ) 来替代芯核完成对模块的控制任务。在r t l 级模块的单独验证主要 是针对模块的逻辑功能，一般采用动态仿真策略。接下来，模块被综合成门级网表， 该门级网表中包含了器件的延迟信息，此时先采用动态仿真技术，检查在包含一定延 迟情况下模块功能是否正确，再进行静态时序分析，检查设计中是否存在时序问题。 在模块通过门级验证之后，就要进行布局布线，并对模块进行时延信息反标，再次进 行仿真和时序分析，这就是所谓的后仿真。完成这些任务后，还要进行最终的物理验 证，物理验证主要侧重于设计规则检查，一般采用l v s ( l a y o u t v e r s u ss c h e m a t i c ) 以 及d r c ( d e s i g nr u l ec h e c k i n g ) 工具来验证最终物理设计的正确性。 2 系统验证。s o c 的设计分为系统结构分析及划分阶段和系统集成两个阶段， 而在这两个阶段都需要进行系统验证。在系统结构分析及划分阶段进行的系统验证是 为了确保我们设计所采用的系统结构是可行的，如果这个阶段都无法通过，后面所做 的工作都是徒劳无益的。当一个模块进行了严格的单独环境的验证以后，还需将它集 成到系统中进行系统验证。因为模块的单独验证只能说明模块本身的功能是正确的， 而它与其它模块之间的接口以及模块与模块之涮信号相互传递是否正常还需要验证。 这些就是芯片系统级验证所要完成的主要任务。 通常需搭建一个系统验证平台来对s o c 进行系统验证，如何创建一个系统 级的有效的验证平台是s o c 验证的关键，图卜2 给出了s o c 验证平台生成的相 应步骤。 1 根据系统设计规范，抽象出功能要求。 2 根据功能要求设计出相应的测试文件。 3 定义正确和错误的响应。 4 判断功能覆盖率是否满足要求。 l l 日e h i 定义有教和失效状卷 否 功能是否疆盖j 是 生帮铡 图1 2系统级验证平台生成流程 1 2 微控制器( m c u ) 微控制器简称m c u ( m i c r o c o n t r o l le l - u n i t ) ，又称单片微型计算机( s in g le c h i pm ic r o c o m p u t e r ) ，是指将计算机的c p u 、r a m 、r o m 、定时数器和多种i 0 4 接口集成在一块芯片上，形成芯片级的计算机。它具有优异的外围接口控制功 能，被广泛地应用于自动控制、数据采集、消费类电子、汽车电子等系统中。 m c u 根据其所用指令集分为：精简指令集计算机( r i s c ) 和复杂指令集计 算机( c i s c ) 。目前发展最为迅猛的是r i s cm c u ，它与c i s cm c u 相比具有处理 速度快、设计容易，成本低，可靠性高、易于实现优化编译等优点。但尽管如 此，c i s cm c u 由于其以下优点和特点，其应用前景依然非常广阔： 1 、c i s c 具有二进制兼容性，并且使用的早而且广泛，广大用户和软件开 发商已经在固件、开发工具和应用软件上作了巨大投资，有很多现成的软件和 工具可供使用： 2 、就同一种算法而言，实现它的r i s c 代码比c i s c 代码耍长2 5 左右，这 使得c l s cm c u 在各类嵌入式系统中仍然得到了广泛的应用，并且针对其开发的 接口也是越来越丰富。 1 3u s b 总线和u s b 设备控制器 1 3 1u s b 总线 随着电脑应用的拓展，p c 机的外设越来越多，在机箱的外部出现了各种各 样的外设接口：通用并行口、通用串行口、键盘口、鼠标口、音频输入输出口、 视频输出口、网络接口等。由于各种外部设备不断增加，计算机所提供用于连 接外设的资源同渐捉襟见肘，时常因为不能提供更多的接口，而导致各种i o 的冲突，加之各种中低速外设缺少一种双向、低价、即插即用的统一总线限 制了外部设备的开发。因此，简化外设扩充方法，使之方便易行，便成为各个 p c 机厂商面临的重大研究课题。 在这种背景下，由i n t e l 等公司开发出一种通用串行总线一u s b 总线，它 是一种连接计算机和具有u s b 接口的多种外设之间的串行总线。u s b 的出现不 仅解决了i o 插口不够的问题，而且建立了一条连接和访问外设的方法。它具 有以下优点： u s b 总线接口统一了各种接口设备的连接头，如通信接口、打印机接口 等，都采用相同的u s b 接口规范。 即插即用( p l u g a n d p l a y ) ，并能自动检测与配置系统的资源。 - 具有“热插拔”的特性。 u s b 扩展h u b ( 集线器) 可以使多个设备共享总线。 u s b 速度完全可以满足打印机、c d 音频等大部分外设的需求。 1 3 2u s b 系统架构 一个u s b 系统是由以下三个部分构成：u s b 主机、u s b 互连和u s b 设备。图 卜3 是一个简单的u s b 系统示意图。 整个u s b 系统只允许一个主机( h o s t ) 。主计算机系统的u s b 接口和u s b 主机控制器统称为主控制器，主控制器不光包括硬件设备，还包括控制器内的 固件和主机上的软件，所有的u s b 设备都通过这个主控制器与主机建立通信。 u s b 互连指的是u s b 设备与主机的连接和通信方式，包括总线拓扑结构、 层间关系和数据流模型等。在实际应用中，u s b 的连接是一个星型结构，集线 器位于每个星型结构的中心。一般在每个p c 主机上都有两个或多个根集线器， 要连接到p c 上的物理设备可以直接连在根集线器上，也可以通过其它的集线器 间接连在主机上。 u s b 设备的概念包括集线器( h u b ) 和功能部件( f u n c t i o n ) 两方面。集线 器为系统提供额外的u s b 接入点( 端口) ，可以将一个端口变成多个端口。功能 部件是我们通常见到的可以从u s b 总线上接收或发送数据和控制信息的u s b 设 备，它主要包括u s b 设备功能模块和u s b 设备控制器。 i 厂一_ i l 1 搿r | _ _ u s b 丰机1 i 删i 1i 瀛滞 。l一 j 涨r o m 卜i 洲雾黼l i = 其它外l _ _u s b 接口i 设接口【 - i 供屯模块? i 可订 璐8 设各 模块1h c r u f 一。漱眶r _ 。嚣纛 一j u s b 接：l j h 一j l 一j l l 一l f 功能 模块n _ l l 一一 一 图1 - 3u s b 系统结构幽f 1 1 1 3 3u s b 设备控制器 u s b 设备控制器的主要功能就是在主机与u s b 设备之间建立数据通信：通 过u s b 接口，接收主机发送的数据并解释给u s b 设备，或者将设备发送的数据 按照u s b 格式发送给主机。 目前，u s b 设备控制器的实现方案主要有两种： 多芯片方案，即纯粹的u s b 接口芯片外加一个单片机。纯粹的u s b 接口 芯片仅处理u s b 通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。 这类u s b 接口芯片的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高，尤其适合于 6 11|j_l_e 一 一机i_j 一丰 口 一 g j = | 饕一 磊 詈| 产品的改型设计。 单芯片方案，即带u s b 接口的单片机( m c u ) 。它从应用上又可以分成两 类，一类是专用于u s b 控制的单片机，另一类是增加了u s b 接口的普通单片机， 后者的最大好处在于丌发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单。 1 。4 课题意义和论文的主要工作 本课题来源于“中小企业创新基金一u s b 2 0 控制器”的预研项目，该项目 的目标是实现u s b i 1 设备控制器，并为u s b 2 0 控制器的设计与实现做技术积 累。如果不做特殊说明，本论文中出现的u s b 均指u s b l 1 。课题的意义主要有 两点： 1 、作为一种嵌入式微控制器，m c u 在通信、交通、医疗、消费电子、仪器 仪表等领域得到了广泛的应用，渗透到人类生活和国民经济的各个方面，推动 着国民经济的迅速发展。在这些嵌入式应用系统中，基于5 1 指令系统的8 位 c i s cm c u 由于其低成本、高效能而始终占据着相当重要的位置，因此，研究并 提高基于5 l 指令系统的8 位c i s c 微控制器的性能和效能仍具有较高的理论和 现实意义。 2 、针对目前基于u s b 总线的电子产品种类的不断增加，u s b 接口芯片的需 求也是越来越大。论文基于所开发的m c ui p 核，通过将u s b 接口i p 集成到所 丌发的m c ui p 核中，实现了u s b 设备控制器的设计。 本论文在s o c 设计方法学、i p 重用技术以及s o c 验证方法学的指导下，着 重研究并设计了8 位c i s c 微处理器i p 核，并搭建了完整的验证平台，编写了 详细的测试计划，对其进行了r t l 级功能验证和f p g a 验证。在此基础上，研究 了u s b 接口i p 核的设计，并将u s b 接口i p 核嵌入到a d 8 0 5 l 中，最终完成了 u s b 设备控制器的设计与验证。论文的主要工作包括以下几个方面的内容： 1 、研究并设计一款8 位c i s cm c ui p 核一a d 8 0 5 1 ，它完全兼容标准8 0 5 1 的指令系统；论文对a d 8 0 5 1 的算术逻辑单元中加法模块和除法模块进行了优化 设计：对于加法模块，论文采用超前进位扩展算法“3 ，改善了超前进位加法器 电路中一个信号要驱动很多逻辑门的缺点。对于除法模块，论文采用了双比特 算法。“，这比常用的不恢复余数法效率提高了一倍。另外，对于微处理器的核 心部分一控制器，论文采用了硬布线逻辑与微程序相结合的方法，实现了一种 查找表结构控制器的设计： 2 、针对所设计的微控制器一a d s 0 5 1 ，搭建了完整的验证平台，编写了详细 的测试计划，对其进行r t l 级功能验证和f p g a 验证，并给出相应的仿真结果： 3 、在掌握u s b l 1 总线协议的基础上，研究了u s b 接口i p 核的设计，并将 u s b 接口t p 核集成到a d 8 0 5 l 中，实现了带u s b 接口的m c u 的设计，并搭建了 相应的测试平台，编写了详细的测试计划，对其进行了r t l 级功能验证。 1 5 论文结构及内容安排 本论文共分五章，每章的主要内容如下： 第一章绪论。简要介绍了s o c 设计方法学、i p 重用技术以及s o c 的验证， 介绍了u s b 总线和系统架构、u s b 接口控制器以及论文的课题意义和主要工 作。 第二章8 位微控制器i p 核的设计。详细介绍了8 位c i s cm c ua d 8 0 5 1 的 设计，包括系统架构、指令系统设计、存储器组织、特殊功能寄存器、控制模 块的设计、算术逻辑单元( a l u ) 的设计、定时器和计数器的设计、串行接口 设计、中断系统设计。尤其是在a l u 的设计部分，对常用的加法、除法电路作 了改进，引入了新的算法，提高了执行效率。 第三章8 位m c ui p 核的仿真与验证。搭建了a d 8 0 5 1 的验证平台，编写了详细 的测试计划，对其进行了r t l 级功能验证和f p g a 验证。 第四章集成m c u i p 核的u s b 控制器的设计与实现。详细地介绍了u s b 总线协 议，在此基础上，重点讲述了u s b 接口i p 核中的串行接口引擎( s i e ) 和并行接口引 擎( p i e ) 的设计。最后详细阐述了本章的重点，即如何将u s bi p 核与8 位m c ui p 核集成在一起，实现u s b 设备控制器的设计，并搭建了相应的仿真验证平台，完成 了其r t l 级功能仿真。 第五章总结与展望。本章总结了本论文的工作以及就未来m c u 和u s b 的发展 方向做了展望。 8 第二章8 位微控制器i p 核的设计 2 1 概述 m c s 一5 1 系列单片机是美国i n t e l 公司在2 0 世纪8 0 年代推出的8 位微处理 器产品，虽然该处理器速度比较慢，但由于它的低复杂度和低价格，直到现在 仍被广泛应用在过程控制、工业控制、智能仪表等领域。其中，m c g 一8 0 5 l 是该 系列的典型产品。 本论文所设计的8 位c i s c 微控制器a d s 0 5 l 在指令集上完全兼容m c g 一8 0 5 l 的指令系统，它具有以下几个特点： 该设计在a l u 的设计部分，对常用的加法、除法电路作了改进，引入了 新的算法一超前进位扩展算法” 并口双比特算法“，提高了执行效率。 在该设计中，考虑到重用性以及扩展性，采用了参数化设计。 2 1 1a d 8 0 5 1 指令系统 指令的表示方法称为格式，一个指令必须包含以下信息： 1 ) 操作码。具体说明操作的性质与功能。每条指令都有一个相应的操作码， c p u 通过识别该操作码来完成相应的操作，如加、减、乘、除以及其他操作。 2 ) 源操作数的地址。c p u 通过该地址获取所需的操作数，该操作数可以来 自内部寄存器、内部存储器以及外部存储器。 3 ) 目的操作数的地址。将经过c p u 处理过的数据结果保存到该地址的存储 单元中。 4 ) 下一条指令的地址。一般情况下，下一条指令的地址是由程序计数器p c 给出的，但如果当前指令是跳转指令( 如s j m p ) 或其它改变程序运行顺序的指 令时，下一条指令的地址由当前指令给出。 指令的格式有固定长度和可变长度两种，a d 8 0 5 l 采用的是可变长度指令格 式。根据指令码的长度分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。一般情况 下，指令字节数与所需的指令周期是相等的，但也有一些指令，它们的指令周 期要大于指令字节数，如m u l 和d i v 。 操作数的寻址方式有七种： 1 、立即寻址：指令的操作数以指令字节的形式被存放在程序存储器中。即 操作码后紧跟一个被称为立即数的操作数。 2 、直接寻址：操作码后面的一个字节是实际操作数地址。 3 、寄存器寻址：指令选定的寄存器内容就是实际的操作数。 4 、寄存器间接寻址：指令所选中的寄存器内容是实际操作数地址。 5 、变址寻址：这是5 l 指令系统特有的一种寻址方式，它以d p t r 或p c 作 为基址寄存器，a 作变址寄存器，两者相加形成1 6 位程序存储器地址，将其作 为操作数地址。 6 、相对寻址：用于程序控制，利用指令修正p c 指针的方式实现转移。即 以程序计数器p c 的内容为基地址，加上指令中给出的偏移量t e l ，所得结果为 转移目标地址。 7 、位寻址：以访问触发器的方式对内部r a m ，特殊功能寄存器中的位地址 空间进行访问。 总之，通过对操作码解码c p u 便知道采用的是何种寻址方式，进而读取 相应的操作数，完成相应的操作。 2 1 2 存储器组织 a d s 0 5 1 的存储器组织与标准8 0 5 1 的相似。它有三个存储区域：程序存储 器，数据存储器和寄存器区。如图2 一l 所示，程序存储器与数据存储器的容量 都可以达到6 4 k b ，地址范围( 0 0 0 0 h f f f f h ) 。内部r a m 可以达到2 5 6 b ，其地 址会与外部r a m 地址重叠，但由于访问指令不同，可以通过内部地址总线和外 部地址总线分别进行访问。 程序存储器敦据存储器 f f f f h 。- - - - - - - 一。f f f f h i 片外只读存储嚣i f 片内只读存储嚣 0 0 0 0 h j0 0 0 0 h 外部舢 f f h 片内r 墒 图2 1 存储器组织 程序存储器可以由内部r o m 、外部r o m 组成。a d 8 0 5 1 从地址0 0 0 0 h 开始读 取指令。如果m e m i n o u t ( 内部r o m 选择信号) = 1 ，则a 1 ) 8 0 5 l 会从内部r o m 中读取指令，直到程序地址超过了内部r o m 的地址范围，接着它会访问外部r o m 。 如果m e f f i ir l o u t = 0 ，则a d 8 0 5 1 会直接访问外部r o m 来获取指令。 数据存储器：通过m o v x 指令来访问外部的数据存储器，而内部的数据存储 器则由以下几部分组成： 1 ) 从o o b 一7 f h ，共1 2 8 b 的寄存器区和暂存器区，可以通过直接或间接寻址方 式进行访问。 2 1 从8 0 h f f h ，共1 2 8 b 的可选存储器区，可以通过间接寻址方式进行访问。 3 ) 1 2 8 b 的特殊功能寄存器( s f r ) ，地址范围也是8 0 h f f h ，可以通过直接寻 址方式进行访问。 2 1 3a d 8 0 5 1 体系结构 a d 8 0 5 1 微控制器系统框图如图2 2 所示： 内部r a h 1 l 定时器 串口 l 一一i l 一一一_ j f 【一 ，一_ - 一- - ，一 图2 2a d 8 0 5 1 微控制器系统框图 它主要由a d s 0 5 1 芯核、定时器、串行通信接口、中断系统、内部r a m