（电路与系统专业论文）基于USB20的高速串行通信接口电路设计技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 u s b 2 o ( 通用串行总线) 已经成为p c 外设接口标准。但u s b 2 0 接口芯片技术只被i n t e j ， p h i l i p s 等少数国外大型半导体厂商占有，在国内还是空白。无论从市场需求。还是从促进我 国芯片设计能力来说，开发具有我国完全自主知识产权的u s b 2 0 接口芯片都是非常迫切的 一个问题。 接口芯片中高速( 4 8 0 m b p s ) 及模拟电路部分是设计的难点所在，本论文首次引入基于 数字的模拟化设计技术( d b a ) ，并成功应用到发送器电路、数据恢复电路、时钟发生电路 ( d l l ) 等关键模块的设计之中。 d b a 技术的核心在于：将数字电路设计的思想渗透到模拟、混合信号电路设计中，使 用数字算法将尽可能多的电路设计放在数字一边。由于采用了数字技术来实现模拟电路部分 的功能，因此这种全新的设计方法可以避免模拟、混合信号电路中参数调整和工艺控制的难 点，提高电路设计精度和稳定性，并降低噪音影响，是一个好的解决方案。 在发送器电路的设计中，论文在同一结构电路中兼容高速和全速两种模式，不仅降低了 芯片设计复杂度，而且减少了芯片引脚处的额外电容及芯片面积；在接收器电路的设计中， 论文采用了经优化的新型拓扑结构。提高了数据采样和接收精度；在数据恢复电路中，论文 提出了新颖的基于5 倍d l l 过采样的数字算法和查找表技术，可省去繁杂的时钟恢复过程， 同时提高了高速数据信号对相位偏移( s k e w ) 和抖动0 i n e r ) 的容忍度。 基于t s m c0 2 5 u r nc m o s 混合信号工艺，用于功能外设的u s b 2 0 接口芯片采用自顶 向下的设计方法。芯片的核心组成部分，即发送器、接收器电路以及能隙基准电压源已经在 上海集成电路产业化基地参加m p w 流片，测试结果表明：在正确的基准电压偏置下，芯片 发送、接收功能参数指标符合u s b 2 0 协议要求。 另外，l i n k 层中新型数据处理电路、“p l l + d l l ”结构的五相高精度等间距时钟产生电 路也在相应的后仿真结果中得到成功验证。 关键词：通用串行总线2 0 ，c m o s ，高速，串行基于数字的模拟化设计技术 塑坚盔堂竖圭兰垡笙壅 垒! ! 唑 a b s t r a c t u s b 2 0 ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) h a sb e c o m et h ei n t e r f a c ec r i t e r i o nb e t w e e n p ca n d p e r i p h e r a l e q u i p m e n t h o w e v e r , t h ek e yc i r c u i t - d e s i g nt e c h n o l o g yi nu s b 2 0 h a so n l yb e e ni nc o n t r o lo f f e w c o r p o r a t i o n sa b r o a d ，s u c ha si n t e l ，p h i l i p s ，w h i l ek e e pb l a n ki nc h i n a n o to n l yf r o mm e e t i n g t h e m a r k e tr e q u i r e m e n t ，b u ta l s ot ob o o s tt h en a t i o n a ld e s i g na b i l i t yi ni cf i e l d ，w ea r es t r i n g e n tt o d e v e l o po o r o w nu s b 2 0i n t e r f a c ec h i p ( o ri pc o r e ) a sat y p i c a lm i x e d - s i g n a lc i r c u i t s ，u s b 2 0i n t e r f a c ec h i pc o m p o s e sa n a l o gc o m p o n e n t s i n e v i t a b l y , m e a n w h i l e i tm u s t p r o c e s sh i g h - s p e e d ( 4 8 0 m b p s ) s e r i a l d a t a s i g n a l d u e t o w e l l k n o w nd i f f i c u l t i e si na n a l o g d e s i g np r o c e d u r ea n du n - c o m p a t i b l ew i t hd i g i t a lm a n u f a c t u r a l p r o c e s s ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dn o v e l d e s i g nm e t h o d o l o g y ：d i g i t a l _ b a s e da n a l o g ( d b a ) a r i t h m e t i c ，a n d 印p l yw h i c hi n k e r n e lm o d u l e ss u c ha st r a n s m i t t e r , d r ca n dc l o c k - g e n e r a t o r c i r c u i t s ( d l l ) a n ds oo ns u c c e s s f u l l y t h ei d e ai nd b al i e si nr e a l i z i n ga n a l o g ，m i x e d - c i r c u i tf u n c t i o nu t i l i z i n gd i g i t a lm e t h o d , d e s i g nm o s tp a r to f c i r c u i tw i t hd i g i t a la r i t h m e t i c a sar e s u l t 。d b ad e s i g nm e t h o d o l o g ya v o i d s t h ed i f f i c u l t yo fa n a l o gp a r a m e t e rd e s i g na n dp r o c e s sc o n t r o l ，i n c r e a s e sc i r c u i td e s i g np r e c i s i o n a n ds t a b i l i t y , w h i l ek e e pr a t h e ri m m u n et om o s tn o i s e ，s h o u db ev e r yp r o s p e c t i v ei nm i x e d 。s i g n a l d e s i g nf i e l d i nt h ed e s i g no ft r a n s m i t t e rc i r c t t r t s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sn o v e lc i r c u i tt o p o l o g yw h i c hc a n w o r kb o t hi nh i g h - s p e e dm o d ea n df u l l - s p e e dm o d e ，i nt u r nr e d u c et h ee x t r ac a p a c i t a n c el i e s i n p i n so fc h i p ，w h i l es i m p l i f i e d t h ed e s i g nf l o w ；t h er e c e i v e rc i r c u i t s i nt h ec h i pa d o p t sn o v e l o p t i m i z e dt o p o l o g y i no r d e rt oi n c r e a s et h ep r e c i s i o no fs a m p l e ，h o l da n dp r o c e s s ；i nt h ed e s i g no f d r c w ea d o p t sn o v e l5 - t i m e sd l l - o v e r s a m p l i n g - b a s e dd i g i t a la l g o r i t h ma n dl o o k - u pt a b l es k i l l s w i t h o u tc o m p l e xc l o c kr e c o v e r yp r o c e d u r e ，w h i c hi n c r e a s e dt o l e r a n c eo fh i g h s p e e ds e r i a ld a t a s t e a m s i g n a la g a i n s t s k e wa n d j i t t e r b a s e du p o nt s m c0 2 5 t a nm i x e d s i g n a lp r o c e s s t h ec h i pd e s c r i b e di nt h ed i s s e r t a t i o nh a s b e e nd e s i g n e du s i n gt o p - d o w nd e s i g nf l o w k e yc o m p o n e n t si nt h ec h i p ，i n c l u d i n gt r a n s m i t t e r , r e c e i v e r ，a n db a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t sh a s b e e nt a p e do u t ( m p w ) i ni c c ，s h a n g h a i t h e t e s tr e s u i t sr e v e a l e dt h a ta l lp a r a m e n t so ft r a n s m i ta n dr e c e i v ef u n c t i o na r e i na c c o r d a n c ew i t h u s b 2 0r e q u i r e m e n t sw e l lw i t hp r o p e rb a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g e - i i 浙江大学博七学位论文a b s t r a c t b e s i d e s ，t h en o v e ld a t a p r o c e s sc i r c u i ti nl i n kl a y e r , 5 - p h a s eh i g h p r e c i s i o nc l o c k si np na n d d l lc i r c u i t s ，a l lw o r kw e l lt h r o u g ht h e c o r r e s p o n d i n gp o s t s i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：u n i v e r s a l s e r i a l b u s ( u s b 2 0 ) ，c m o s ，h i g h - s p e e d ，s e r i a l d a t a l i n k ，d b a ( d i g i t a l - b a s e da n a l o g ) 浙江大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 个人电脑( p c ：p e r s o n a lc o m p u t e r ) 越来越成为网络电脑( n e t w o r kc o m p u t e r ：n c ) 了。 这里的“网络”有两层含义，一是指i n t e r n e t 网络；二是指生活中的网络。随着电脑在日常 生活中的普及，我们需要电脑处理越来越多的外界信息，如采集、存储、运算、输出各种格 式的数据( 文本、声音、图像等) 。计算机与外界交换信息的通道称为计算机的接1 2 1 1 l 。 以往，计算机对于不同外设提供不同的接口，如连接键盘用p s 2 接口，打印机用2 5 针 的并行接口，鼠标j = r s 2 3 2 或p s 2 接口1 2 j 。通讯接口以前一般基于p c i 总线、i s a 总线、 r s - - 2 3 2 c 串行总线或者以太网。p c i 总线虽具有高的传输速度( 1 3 2 m b p s ) ，支持“即插即 用”功能，但缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限( 一般为5 6 个) ；i s a 总线存在着同样的问 题，而且现有的大多数p c 机主板己不支持i s a 总线ir s - - 2 3 2 c 串行总线虽然连接简单 但缺点是传输速度慢( 2 0 一1 1 5 k b p s ) ，且主机的串行口数目有限：以太网有较高的传输速 度( 1 0 m b p s 1 0 0 m b p s ) 、较远的传输距离且可带多个设备，但是其安装复杂、不支持即插 即用和热插拔，而且不适合便携式仪器接口例。 随着通信技术和计算机技术的不断发展，传统的通信和计算机功能已经出现了融合趋 势，并很有可能成为下一代应用产品的基础，如何实现计算机和通信设备的互连成为当务之 急。现在，由于p c 机在进行重新配置时缺乏足够的灵活性，已经影响了p c 机的进一步普 及，每增加一个设备就要关一次电源，安装驱动程序，还要重新启动，占用一个i o 地址和 i r q 中断资源，而且经常发生i o 地址冲突；随着计算机的普及，各种用来扩充计算机功能 的外部设备也就不断出现，与之相应的机箱上面的端口越来越紧张 4 1 。 1 1t l s b 技术的出现 市场推动科研方向，需求向科研提出新课题。在各方面需求的推动下，1 9 9 4 年，i n t e l 、 d i g i t a l 、i b m m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等世界著名的计算机和通讯公司成立了 u s b 实施者论坛( u s b i m p l e m e n t f o r u m ：u s bi f ) ，u s b 当初的设计构想是：将计算机的 各种接口统一起来，使用一个4 针插头作为标准插头【5 j ，这个插头整合了电源线及数据线， 并可提供最高达5 0 0 m a 的电流，另外两根芯线则用于数据通讯。这样，很多外设就不再另 需额外电源，仅需通过计算机的u s b 接口就能实现向外设供电；用户也不再需要为每一个 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 外设都预留下一个电源插口，人大方便了用户的使用。此后花了近两年时间形成了统一意见， 于1 9 9 5 年1 1 月正式制订了u s b0 9 通用串行总线规范【6 】0 1 9 9 7 年，出现了真正符合u s b i 1 技术规范的标准外部设备。u s b l 1 支持】5 m b p s “低速”模式和1 2 m b p s “全速”模式【7 】o 虽然u s b l 1 已经比串口快很多了，但是针对一些正在普及的外置式c d r o m 、 d v d r o m 、c d r w 和外置式硬盘等需要海量数据吞吐量的应用而言，其数据带宽就显得 非常有限了，并明显成为制约产品性能发挥的瓶颈。因此1 9 9 9 年初在i n t e l 的开发者论坛 大会上，与会者介绍了u s b2 0 规范，该规范的支持者除了原有的i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e e 等成员外，还有h p 、l u c e n t 和p h i l i p s 三个新成员”1 。u s b2 0 向下兼容u s b1 1 ，除了1 5 m b p s 和1 2 m b p s 两个模式以外，还增加了4 8 0 m b p s 这一“高速”模式，同时支持宽带数字摄像设 备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。1 9 9 9 年l o 月，正式制定了u s b 2 0 通用串行总线 规范；2 0 0 1 年1 1 月c o m d e x 展览上，基于u s b2 0 的外设产品系统如u s b2 0 界面扩充卡、 外接式硬盘、外接式刻录机等产品开始出现；2 0 0 0 年4 月u s b 2 0 协议正式面世 9 1 。增加了 高速模式的u s b 应用范围得到进一步扩大。 u s b 2 0 最大的改进是将最高外设数据传输速度从1 1 规范的1 2 m b p s 提高到了 4 8 0 m b p s ，这个数字整整提高了4 0 0 0 之多，并且一举超过了它在这一领域的主要竞争对手 i e e e1 3 9 4 ( 又称“火线”) 4 0 0 m b p s 的最高传输速度 1 1 , 1 2 i 。 在u s b 2 0 出现以后，诸如高清晰数字会议视频设备、新的彩色扫描仪和彩色打印机、 快速存储设备、高速刻录机、宽带a d s l 和c a b l em o d e m ，以往由于接口速率低而形成的瓶 颈在u s b 2 0 面前迎刃而解【1 3 。 u s b 技术的特点概括如下【”1 “。 ( 1 ) 高速率。普通串口的数据传输率是1 1 5 2 3 0 k b p s ，并口的数据传输率比串口大约 快8 倍，约为1 m b p s 。u s b l 1 与标准的串行端口相比，快了整整1 0 0 倍与标准的并行端 口相比也快了1 0 多倍；u s b 2 0 则比串口大约快出4 0 0 0 倍，比并口也快出近4 0 0 倍；( 2 ) 使用方便。所有u s b 设备都支持热插拔，系统对其进行自动配置。即插即用( 即 p l u g a n d h a y ) ：( 3 ) 易于扩展。通过使用h u b 扩展，u s b 可挂接多达1 2 7 个设备u s b 电 缆最大长度为5 m ，而通过h u b 或中继器可使外设距离达到3 0 m ；( 4 ) 能够采用总线供电。 u s b 设备可以从总线取电，而无需自带电源，总线提供的最大电压为5 v ，最大电流为5 0 0 m a t ( 5 ) 使用灵活。如表1 1 所示，u s b 共有4 种数据传输方式，使用其中的哪一种或哪几种， 可以自行定义以适应不同设备的需要。比如，命令类信息( 如配置“设备”时) 适合“控制” 传输方式，而大量数据传输时( 如扫描) 适合于“批量”传输，鼠标、键盘等需要实时性响 2 浙江大学博士学位论文第一章绪论 应很强的适合于“中断”传输；而数字摄像机、音频设备等需要同步传输的外设则需要“等 时”传输；( 6 ) u s b 是一种通用的接口标准，按照这一标准开发的不同设备均可在同一个 开放的体系下得到应用；( 7 ) 基于u s b 的开发简单。u s b 为所有u s b 外设提供了单一的 标准连接类型，减少了硬件的复杂性和对端口的占用。所有u s b 外设只在p c 机占用一个 端口、一个i o 地址和i r q 中断资源，节省了系统资源：( 8 ) 在低功耗设计方面，u s b 支 持节约能源的“挂起”( s u s p e n d ) 和“唤醒”( w a k e - u p ) 模式。 表1 1u s b 四种传输类型的特征及用法 1 2l i s b 技术的应用 u s b 的应用包括u s b 周边设备开发使用、基于u s b 的现场应用两大方面。 ( 1 ) u s b 周边设备开发使用1 7 - 2 0 1 键盘、鼠标、游戏操纵杆。已经被w i n d o w s 操作系统设为h i d ( h u m a ni n t e r f a c e d e v i c e ：人机接口) 类，换句话说，这类设备已经标准化了，开发此类产品无需开发设备驱 动程序。外置存储器。以前其与p c 通讯的方式，或者采用传输速率很低的并行端口， 或者采用成本太高的s c s i 接口，所以这种设各直应用比较少。u s b 接口出现后，外置存 储器逐渐走入家庭。现在最为流行的是优盘、移动硬盘、光驱、刻录机等。u s b 扫描仪。 当前市场上占主流的扫描仪基本上都采用了u s b 口，过去的高端扫描仪通常采用s c s i 接口， 再加上s c s i 卡，价格相当昂贵；低端扫描仪通常采用传统的并口连接方式，但高分辨率扫 描时数据传输速度很慢。u s b 调制解调器。包括i s d n 、m o d e m 、c a b l em o d e m 、a d s l m o d e m ，其可使用u s b 接口提供的5 v 电压4 0 m a 以下电流的电源，无需外加变压器，方 便且省电，特别适台于笔记本电脑、移动办公。音响：高精度d a c 具有数字解码功能， 通过u s b 接口传递数字信号，避免了由于机箱内的电磁干扰带来的背景噪音，提高了音频 3 - 浙江大学博士学位论文第一章绪论 系统的信噪比，使音频更为清晰明亮。u s b 还可与工控领域的c a n ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ：控制局域网络) 总线互连。其他周边设备还包括打印机、摄像头、电话等等。 ( 2 ) 基于u s b 的现场应用2 ”3 1 】 基于u s b 的现场应用涵盖了工业、家庭、娱乐、办公等各个方面。 数据采集、数据处理：机器人控制和检测系统：基于u s b 的多态智能仪表： 基于u s b 的经济型数控系统开发、机床加工控制通讯等；与并行口相比，u s b 接口 更适合于软件狗技术。 如今，u s b 已经发展成为计算机与其外围设备通信事实上的总线标准，其集各种优点 ( 热插拔、即插即用、连接简单、高带宽、可总线供电等等) 之大成使其成为目前计算机外 设的接i s 标准【2 1 】。 1 3u s b 2 0 面临的竞争 提到u s b 2 0 ，就不能不提到i e e e l 3 9 4 。他们的共同点是：都可以提供即插即用及热插 拔的功能都可向外设提供电源，都支持同时连接多台设备。但当i e e e1 3 9 4 这个早期为 a p p l e 公司所推广的接口技术应用之时，u s b 2 0 还未推出，u s b l 1 的最高速率只有1 2 m b p s ， i e e e l 3 9 4 则拥有4 0 0 m b p s 带宽。两者在数据交换速度巨大的差距决定t - 者不同的应用区 域，在影音a v 处理、数码家电领域、存储市场一直都是i e e e1 3 9 4 的天下，而u s b 则主 要应用于那些不需要高传输速度的p c 外设上，比如键盘、鼠标等。我们常说的数码摄像机 ( d v ) 就有很多要使用i e e e l 3 9 4 接口( 也有少数d v 带有u s b i 1 接口，但速度太慢很少 有人使用) 与电脑相连接。通过i e e e l 3 9 4 接口，数码摄像机内的数据能够快速传入电脑， 再进行视频编辑。u s b 2 0 的推出，实际上可以看作是u s b 接口技术借其良好的p c 兼容性 向i e e e1 3 9 4 发出挑战直接威胁了它的生存空间p 8 ”。 1 3 9 4 接口不仅在性能指标上同u s b 2 0 旗鼓相当，而且在使用上也同样简单方便，在表 2 中可以看到这两种接口的详细对比。从如今的状况看，u s b 2 0 将在p c 相关领域占有绝对 优势，而点对点模式的1 3 9 4 接口在影音娱乐市场( 音频视频领域) 已经快形成垄断之势， 两者将会在很长一段时间内并存。i e e e1 3 9 4 在计算机上的应用由于高昂的价格、产品的相 对复杂性、有限的市场占有率而一直不能成为标准配置的接口。( 注：值得注意的是， u s b 2 0 高速模式推出后，i e e e l 3 9 4 随后提交了其改进版本i e e e l 3 9 4 b ，传输速率高达 3 2 g b p s ! ”】，这无疑给我们加紧开发成功u s b 2 0 接口芯片提出新的压力和动力) 4 浙江大学博士学位论文第一章绪论 1 4u s b 2 0 芯片的研究现状及立题意义 自从u s b 面世以来，世界上很多硬件厂商开始尝试生产实现u s b 协议的接口芯片” “】。目前和u s b 接口相关的控制器开发有两类。 ( 1 ) 有的厂商本着通用性原则，在接口芯片中嵌入了通用微处理器，如c y p r e s s 公司 e z u s b 和c y 7 c 6 * * * 系列、i n t e l 的8 x 9 3 0 a 8 x 9 3 1 a 、9 3 0 “、8 x 9 3 0 h x 系列、m o t o r o l a 的m c 6 8 h c 0 8 系列等，这类芯片开发方便，但价格很高。 ( 2 ) 专用u s b 接口芯片有n s 的u s b n 9 6 0 2 、u s b n 9 6 0 3 、p h i l i p s 的p d i u s b d l l 、 p d i u s b d l 2 ( 并行接口) 、n c t c h i p 的n e t 2 8 8 8 、朗讯的u s s 8 2 0 8 2 5 、n e c 的p d 7 2 0 1 0 0 、 v i a 的v t 6 2 0 2 、c h i p i d e a 的c i l 2 2 6 5 q a ( 2 0 ) 等。这类芯片的特点是价格低廉、连接方便、 可靠性高，不但适合于便携式仪器的开发，同时，对于现有科学仪器的计算机化改造也很有 意义( 硬件上只需对并行总线和中断进行改动，软件需要增加微处理器的u s b 中断处理和 数据交换程序、主机u s b 接口设备驱动程序，而无需对原有产品系统结构作很大改动) 。 本论文中开发的是纯粹的专用u s b 接口芯片，属于第二种。 在发达国家，u s b 技术已经发展的相当成熟，市场上u s b 产品也已经很多了【”1 。带 u s b 接口的p c 外设开发与应用也已经十分普遍，而国内在1 9 9 9 年初才陆续出现了u s b 摄 - 5 浙江大学博十学位论文 第一章绪论 像头等少数几样产品，且都是从台湾引进的 3 2 , 3 3 】，u s b 2 0 接口技术只被包括i n t e l 、p h i l i d s 等少数国外大型半导体厂商占有，在国内尚未见相关报道和u s b 相关的研发主要集中在 应用和系统层次上的产品级开发，而且绝大部分是基于u s b i 1 架构的f ”2 1 m ”2 7 】， 2 9 - 3 1 】。国 内一些单位开始尝试u s b i 1 的开发和设计报道 3 4 , 3 5 1 ，或者针对u s b 2 0 中某个特定模块进 行局部研究【3 。然而，u s b 20 整体设计与1 1 版本根本上是不同的：u s b l 1 中，数据传输 速率较低，电路设计可以使用v e r i l o g h d l 来综合：但在u s b2 0 中，因为一定要用到高速 模拟模块，此时使用标准单元库来综合就显得不能胜任t 9 , 1 4 , s t l 。在所查国内文献中，还未 见关于u s b 2 0 接口芯片自主设计的报道。无论从市场需求，还是从提高我国芯片设计能力 来说，开发具有我国完全自主知识产权的u s b 2 0 接口芯片都是非常迫切的一个问题。本课 题正是基于这样的背景产生。 u s b 接口本身是一种高速串行通信接口电路标准，由几个大企业联合制定，在一定程 度上是开放的p j 。在商业应用时我们将采用协商、购买的方式，获得使用权，但在具体实现 上，我们将采用完全的自主设计。所取得的技术，除用于将来u s b 产品的产业化外，还可 用于将来制订我国自主的接口电路及其标准。本文基于u s b 2 0 接口芯片设计，针对u s b 2 0 中的关键模块设计给予了比较详细的说明和阐释。 1 5 论文组成和安排 论文研究开发的对象是用于功能外设( 器件) 的u s b 2 0 高速串行通信接口芯片。接口 芯片的设计采取自顶向下的正向( t o p - d o w n ) 设计过程和模块化的设计方法。本论文将整 体接口芯片分为三个主要模块和三个辅助模块，并逐一进行讨论。第二章在阐述u s b 工作 原理的基础上，描述了接口芯片的组成架构、引脚说明、技术指标、所采用设计方法；第三 章的3 1 、3 2 、3 3 分别给出了作为接口芯片骨架的三个主要组成模块：双模发送器、双模 接收器、数据恢复电路的组成框架，设计过程，仿真结果；随后第四章4 1 、4 , 2 、4 3 分别 讨论了接口芯片正确工作必不可少的三个辅助模块：偏置产生模块、l i n k 层电路、时钟产 生电路的组成，设计及仿真结果；最后第五章给出了结论和展望。 - 6 - 浙江大学博士学位论文第一章绪论 1 6 论文创新点 1 6 1 双模发送器 在双模发送器电路的设计中，论文采用在同一个结构电路中兼容高速和全速两种模式， 不仅降低了芯片设计复杂度，而且减少了芯片引脚处不必要的额外电容以及发送器芯片面 积。当发送器传输1 2 m b p s 全速数据时，其工作在电压模式，输出高低电平2 5 v n o v ；当发送 器传输4 8 0 m b p s 高速数据时，其工作于电流模式，此时采用电流驱动u s b 电缆。在高速模式 下，为获得平滑、可调的数据转换率，发送器主体的设计采用了八级单元顺序开关的数据转 换率控制方案。详见3 1 章节。 1 6 2 高速高精度接收器 接收器设计的难点在于高速接收器，高速接收器中包括数据采样和保持电路。通常保持 电路可以用r s 触发器或者d 触发器进行实现，而采样电路与被恢复的数据精度密切相关。 因此设计一个好的采样电路非常关键。在设计过程中，我们在采样模块引入了个对差分放 大波形预整形的模块，主要用于改善高速串行数据的转换速率，尽量避免采样数据落在“0 ” 和“1 ”的交界处。这种采用了经过优化的新型接收器电路拓扑结构，可提高高速模式下数 据的采样和接收精度。详见3 2 2 章节。 1 6 3 基于数字化的模拟电路设计技术( d b a ) 论文所开发的接口芯片是一个典型的数模混合信号系统，随着芯片设计过程的一步步深 入，我们发现最终的难点主要在于系统中模拟电路的设计。设计模拟集成电路，难的不是原 理，而是具体的参数设计和工艺控制，不能完全依赖于仿真结果，在很多时候需要依靠设计 人员的经验。而且e d a 自动化程度不高，大量的设计工作仍然需要很多人工参与( 相对于 数字电路设计) 。总的说来，具有设计柔性不高、可复用性不高、可测试性不高、可制造性 不好等缺点。 为解决这个问题，我们在芯片设计过程中提出了基于d b a 的新颖电路设计技术。 d b a 全称为“d i g i t a l - b a s e d a n a l o g ”，即“基于数字的模拟化技术”，换句话说，就是将 本来要使用模拟技术实现的电路功能转而以数字方法( 思想) 、电路来实现。其核心思想是： - 7 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 将数字电路设计的“i d e a ”和方法渗透到模拟电路的设计中，用数字的方法在一定程度和范 隔内实现模拟电路的功能，以此达到尽量在实现既定功能的前提下，避免模拟电路所带来的 种种缺点。举个简单的例子，我们可以采用若干个数字控制端子，通过对数字端子上高低电 平的控制，实现被控制电路所带负载的变化，从而实现被控制电路“结构”上的变化，使其 能够按照设计者期望要求实现某个性能，或者对某个功能进行优化。 d b a 设计技术利用数字算法，将尽可能多的电路设计转到数字一侧，只留- - + 部分模 拟电路。另一方面，采用这种方法后，大量的工作可以转移到数字部分，设计出的电路可更 好满足低噪声要求。 因此，这一新颖的混合信号电路设计技术可以较好的解决模拟电路设计过程中带来的问 题。在我们的接口芯片的各个模块中，d b a 技术比较明显使用到的地方有： ( 1 ) 双模发送器模块。在双模发送器中，通过d b a 技术以及数字端子，调控发送数 据正确的波形，使其满足u s b 2 0 协议中要求的发送电平幅值和发送数据上升、下降时间。 详见3 1 章节。 ( 2 ) 数据恢复电路模块。在基于d l l ：h 过采样( o v e r - s a m p l i n g ) 的数据恢复电路( d r c ) 中，核心算法、关键的鉴相器、查找表等电路子模块的设计采用了d b a 技术，从而提高了 数据恢复的可靠度，并简化了其设计。详见3 3 章节。 ( 3 ) 时钟发生器模块。普通的d l l 设计一般采用p f d 、c p 、l p f 和v c d l ( 延时线) 组 成。其中，p f d 、c p 、l p f 均为模拟电路，因此比较难以设计和控制。本系统中时钟发生器 电路要设计一个可以产生5 相等间距的多相时钟d l l ，该d l l 设计过程中采用了基于数字的 模拟电路( d b a ) 技术，从概念上重新设计7 d l l 框架，把本来要用模拟电路实现的电路( c p 、 l p f 、v c d l 等) 采用数字控制端子和d b a 技术来实现相同的电路功能。详见4 _ 3 1 3 章节。 除此之外，论文设计了一种商精度能隙基准电压源，流片测试结果表明其性能参数非常 好，详见4 1 章节；在链接层( l i n k ) 模块中，论文采用了一种新型并串转换方案数据处理 电路，从而实现了在2 5 u m i 艺库下4 8 0mh z 的高速数据处理，详见4 2 1 2 章节。 以上各个采取了新颖设计方法的电路模块，均通过了电路前、后仿真和实际芯片功能测 试验证，结果表明，论文提出的创新点和设计方法是有效的。 8 - 浙江大学博士学位论文 第二章u s b 2 o 接口芯片结构 第二章u s b 2 0 接口芯片结构 u s b 首先是一种协议，一种标准，然后才组一个系统。关于协议部分的详细说明，可 参见2 0 协议书，简单说，就是制订了一套计算机和外设进行“交流”的共同“语言”( 9 1 。 下面主要从u s b 系统的角度进行阐述。 2 1u s b 的工作原理 u s b 全称为“u n i v e r s a ls e r i a lb u s ”，中文译为“通用串行总线”。u s b 是个范畴相当广 的概念，和u s b 相关的开发也包括很多方面，图2 1 是u s b 开发概念图。 图2 1i j s i i 开发的相关概念图 从图2 1 中知道，和u s b 相关的开发大体上有三类：( 1 ) 基于u s b 接口芯片。开发功 能部件，这是系统级产品的开发，如开发u s b 鼠标、u s b 数字摄像机；( 2 ) 基于u s b 接 口芯片，实现数据采集、工业现场监控等功能，这是以前基于串口、并口开发的发展，因为 接口标准变了，开发形式、内容也要相应改变；( 3 ) 接口芯片本身的开发，这是最底层的、 最核心的，前两种开发均以此为前提羊基础，重要性不言而喻【”】，1 4 9 , 5 0 1 。 本文所做工作属于第( 3 ) 类，即图2 1 中灰色条纹部分。 u s b 系统组成拓扑图见图2 2 所示。u s b 通过主机控制器、根集线器直接连接外设， 或者通过集线器( h u b ) 连接复合外设，u s b 标准允许最多连接一共1 2 7 个外设和集线器。 9 浙江大学博士学位论文 第二章u s b 2 0 接口芯片结构 图2 2u s b 系统组成拓扑图 图2 3 给出了u s b 的实际工作流程系统组成图( 主机一物理设备通信模型层次关系) 。 可见u s b 系统分为3 部分：u s b 主机、u s b 连接和u s b 物理设备。u s b 协议实现了三部 分间的系统协调。下面分别介绍这三部分。 u s m l 机 u s b ：连接u s b 物理设备 i 1 客户软件i j 1 功能接口l ll 、 管：道 ” li 功能层 _ 千 lu s b 系统软件f i lu s b 逻辑设各f 、 管。道 u s b 设备层 u s b 斟i 陌翮 卜_ l 端点l u s b 控制器l b u f f e r j 1 u s b电缆 r | b u f e 总线接仁1 u s b 总线接口 ：二：二= ：j 管道：表明相应层连接之间的抽象 2 1 1 u s b 主机 图2 3u s b 主机一物理设备通信模型层次关系 图2 4 示意了u s b 主机系统的组成层次，可分为三个部分： ( 1 ) 客户软件层：在逻辑上和外设的功能部件部分进行数据的交换，并以“管理界面” 的形式和终端用户进行直接沟通； ( 2 ) u s b 系统软件层：包括主机软件( 客户u s b 驱动即s y s 驱动程序) 和主机控 制器驱动两个模块。u s b 系统软件层在逻辑和实际中作为主机控制器( u s b 主机物理层) 1 0 浙江大学博士学位论文第二章u s b 2 0 接口芯片结构 和客户软件层的接口 图2 4u s b 主机系统组成 ( 3 ) u s b 主机物理层：包括主机控制器和s i e ( s e r i a li n t e r f a c ee n 舀n e e r i n g ：串行接口； 擎) 部分、数据收发器部分，其功能是处理u s b 电缆传输过来的差分数据。 2 1 2u s b 物理设备 u s b 物理设备一般由“接口芯片”+ “外设功能实现部分”两大部分组成，如图2 5 中所示。图中将接口芯片简单示意为由“p l l ( p h a s e l o c k l o o p ：锁相环) ”、“接口”、“s i e ” 组成，而外设功能实现部分简单示意为由“传感器”、“d s p ( 数字信号处理器) ”、“e p r a m ” 所组成。值得注意的是，整个“u s b 物理设备”即图2 2 中的“外设”，在一些文献资料中 也将其称为“功能外设”、“逻辑外设”等，以下为方便起见，我们将其通称为“外设”。 图2 5 一个典型的u s b 功能外设结构框图 浙江大学博士学位论文第二章u s b 2 0 接口芯片结构 2 1 3 u s b 连接 图2 6u s b 的连接方式信道流 u s b 主机和外设之间通过信道流的方式进行连接，是u s b 工作原理的核心，图2 6 给 出了u s b 的连接方式信道流。 u s b 主机和u s b 逻辑外设间的连接实际上是主机缓存和外设接口通过缓存、信道、信 道流、端点进行一系列“交流”的过程。u s b 所有传输事务均由主机启动，即u s b 总线采 取主从式结构( m a s t e r t os l a v e ) 。当主机通过集线器发现有某个设备连入系统，就会通过向 集线器和信道发布命令来迫使该设备进入复位状态。此时设备将自己的地址设成一个编号为 0 的特殊地址( 缺省状态) ，并通过这个缺省地址接收主机的请求命令。这一阶段称为“列 举( e n u m e r a t i o n ) ”，列举阶段的主要任务是主机通过发布请求命令从设备读取一系列的有 关设备信息的描述符。在主机通过读取设备描述符中有关数据长度的信息后，就会通过请求 命令为设备分配一个正式的地址，其后主机对该设备的通讯均将以此设各地址为基础，并在 得到设备的能力和特性的信息之后，选择该设备的配置方式。对设备的“列举”过程是一个 设备、一个设备分别完成的。主机将得到的信息保存在一个数据库中，以备以后应用程序使 用。 2 2u s b 2 0 接口芯片组成 图2 7 为基于器件应用的u s b2 0 接口芯片应用框图。 1 2 浙江火学博士学位论文第二章u s b 20 接口芯片结构 u s b2 o 接口芯片 萨翠m 。 峪； 外围器件 周鞠蕊霹震舳 图2 7u s b2 0 接口芯片应用框图 u s b 2 0 接口芯片是连接主机( p c ) 和外围器件的桥梁。我们所开发的u s b 2 0 接口芯 片正是嵌入在外围器件中的。在图2 7 中，收发器( t r a n s c e i v e r ) 包括发送器和接收器，又 叫物理层( p h y s i c a l l a y e r ) ；串行接口引擎( s i e ) 是协议的实现部分，又叫链接层( l i n k 1 a y e r ) 。 物理层和链接层是通过1 6 位并行接口连接起来的。这个并行接口又叫“u t m i ”( u s b 2 0 t r a n s c e i v e rm a c r oc e l li n t e r f a c e ：u s b 2 0 收发器宏单元) 。其作用在于将链接层、外围器件的 设计趋于标准化，如对上行数据进行并串转换、位填充、n r z i 编码且发送到u s b 电缆；对 下行数据进行数据接收、r z i 解码和位剔除，串并转换。英特尔为推动u s b 2 0 外设的设计 发布了u t m i 的详细说明书，并大力推动它成为标准【”1 。 r 一t ；链接层!物理层 图2 8u s b 2 0 接口芯片组成框图 图2 8 给出了基于器件