（信息与通信工程专业论文）usb20+otg+ip核全速主机控制器研究与设计.pdf

摘要 摘要 越来越多便携式外围设备使用u s b 接口与p c 通信 但通常u s b 接口不支持 两个u s b 外围设备之间的直接通信 o t g 的出现解决了这一问题 支持o t g 规 范的u s bo t g 双重角色设备既可以实现主机功能 又可以实现标准设备功能 使 得支持o t g 规范的外围设备能充当主机与标准设备直接通信 而不需要p c 的参 与 此外两个支持o t g 规范的外围设备也能直接通信 本文介绍一种基于a r m 芯片的u s b 2 0o t g 接口i p 设计 主要对其中的全速主机控制器模块设计和i p 核 的验证进行讨论 该u s b 2 0o t gi p 核支持u s b 2 0 协议 o t g 补充规范 u t m i 协议 o h c i 以及e h c i 协议 该i p 核的一侧通过u t m i 的p h y 与o t g 设备通信 另一侧通 过存储器控制器与a r m 相连 使得a r m 访问p 核如同访问存储器 u s b 2 0o t gi p 核主要包括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 基于标准o h c i 协议设计的全 速主机控制器具有总线控制权 是一个m a s t e r 而本i p 核独立于m c u 作为不 具有总线控制权的接口模块设计 其与m c u 的数据交互均通过中断服务程序完 成 是一个s i 越悒 所以在全速主机控制器模块设计中 对o h c i 协议规定的用 于表述端点描述符和传输描述符的数据结构以及事务调度过程进行一定的改进 由存储在片外存储器的链表结构改成存储在片内缓冲区的顺序表结构 从而实现 了不具有总线控制权的全速主机控制器 本人在项目中完成的工作主要有全速主机控制器的硬件设计与i p 核的e d a 验证 全速主机控制器包括如下模块 o h cg r o h cu s c o h cl p b o h cb c o h cs i e 和o h cr h o h cg r 完成全局软 硬复位控制 0 h cu s c 实现u s b 状态跳转控制 o h cl p b 完成u s b 主机事务调度 o h cb c 控制o h c 和 一 对片内缓冲区的访问 用于解析协议 包括解包 l 组p 包b o h c s i eo h cs i eu s b o h cr h 实现设备连接 断开 复位 挂起与恢复等功能 本i p 核的e d a 验证 采用s y n o p s y s 的v i p 作为u t m i 接1 3 侧的激励 a r m 侧则是按照s 3 c 2 4 1 0 的规 格编写的存储器控制器 d m a 控制器和中断控制器的行为级代码以模拟a r m 的 功能 这样做主要是为了减少a r m 侧验证的复杂度 摘要 本i p 核的f p g a 测试分两步走 首先测试高速主机控制器 全速主机控制器 和设备控制器的功能 以确保i p 核能独立作为标准主机和标准设备使用 当这三 个模块的功能均实现后 再将这三个模块与o t g 控制器一起联调以测试i p 核的 o t g 功能 目前全速主机控制器的功能已全部实现 在f p g a 下能实现文件的正 常传输 关键词 通用串行总线 开放主机控制器接口 串行接口引擎 传输描述符 l i a b s t r a 了 a b s t r a c t a ni n c r e a s i n gn u m b e ro fp o r t a b l e p e r i p h e r a l sa r eu s i n gt h eu s bi n t e r f a c et o c o m m u n i c a t ew i t ht h ep c b u tt h e u s bi n t e r f a c ed o e sn o t s u p p o r tt h e d i r e c t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w op e r i p h e r a l sg e n e r a l l y h o w e v e r w i t ht h er e l e a s eo fo t g s u p p l e m e n t t h i sp r o b l e mi sr e s l o v e d t h eu s bo t gd u a ld e v i c ew h i c hs u p p o r to t g s u p p l e m e n tc a nb ee i t h e rh o s to rd e v i c e s ot h ed i r e c tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w od u a l d e v i c e sc a l lb ea c h i e v e dw h i l ed o e sn o tn e e dt h ep c t h i sp a p e rd i s c u s s e sa b o u tt h e d e s i g no fu s b 2 0o t g i pc o r eb a s e do na r m a n di ti sm a i n l ya b o u tt h ed e s i g no ft h e f u l ls p e e dh o s tc o n t r o l l e ra n dt h ev e r i f i c a t i o no ft h ei pc o r e t h eu s b 2 0o t gi pc o r es u p p o r tt h ep r o t o c o l sb e l o w t h eu s b 2 0s p e c i f i c a t i o n t h eo t gs u p p l e m e n t u t m i s p e c i f i c a t i o n o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c ea n d 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 t h i si pc o r ei sc o n n e c t e db e t w e e nt h em e m o r y c o n t r o l l e ro fa r ma n dt h ep h yw h i c hd e s i g n e db a s eo nu t m i t oc o m m u n i c a t ew i t h t h eo t h e ro t gd e v i c e t h eu s b 2 0o t gi pc o r em a i n l yi n c l u d e so t gc o n t r o l l e r o t g c e n h a n c e d h 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 dd e v i c ec o n t r o l l e r d c t h e o h cw h i c hd e s i g n e db a s eo nt h es t a n d a r do h c is p e c i f i c a t i o nh a sb u sc o n t r o l c a p a b i l i t y i th e b a v e sa sam a s t e r b u tt h ei pc o r ew h i c h i si n d e p e n d e n to nm c ua c t sa s a ni n t e r f a c ew h i c hd o e sn o th a v eb u sc o n t r o lc a p a b i l i t y a n dt h ed a t at r a n s f e rb e t w e e n i t sb u f f e ra n dm c ui sa c h i e v e dt h r o u g ht h ei n t e r r u p tw h i c hi n i t i a t e db yt h ei pc o r e s oi t b e h a v e sa sas l a v e t h e r e f o r ei nt h ed e s i g no ft h eo h c t h et r a n s a c t i o ns c h e d u l i n ga n d t h ed a t as t r u c t u r ew h i c hd e s c r i b e st h ee n d p o i n td e s c r i p t o ra n dt r a n s f e rd e s c r i p t o rn e e d b ei m p r o v e dt oa c h i e v et h ef u l ls p e e dh o s tc o n t r o l l e rw i t h o u tb u sc o n t r o l lc a p a b i l i t y a n dt h ed a t as t r u c t u r ei sc h a n g e df r o mc h a i nl i s ts t o r e di nt h eo u t s i d em e m o r yt o s e q u e n c el i s ts t o r e di nt h ei n s i d eb u f f e r ia m c h a r g i n gf o r t h ed e s i g no ft h ef u l ls p e e d h o s tc o n t r o l l e ra n dt h ev e r i f i c a t i o no f t h ei pc o r e t h eo h ci n c l u d e so h c g r o h c u s c o h c l p b o h c b c o h c s i ea n do h c r h o h c g rc o n t r o l s t h es o f ta n dh a r dr e s e t o h c u s c c o n t r o l st h eu s bs t a t u st r a n s i t i o n o h c l p bc o m p l e t e st h eu s bh o s tt r a n s a c t i o n i i i a b s t r a 了r s c h e d u l i n g o h c b cc o n t r o l st h ea c c e s so ft h eb u f f e rb yo h c l p ba n do h c s i e o h c s i ei sc h a r g eo ft h eu s bt r a n s f e rt y p e s i n c l u d i n ga s s e m b l i n ga n da n a l y z i n gt h e p a c k e t s o h c r hi su s e dt od e t e c tt h ed e v i c ec o n n e c t i n ga n dd i s c o n n e c t i n g r e s e t s u s p e n da n dr e s u m et h ed e v i c e t h ev i po fs y n o p s y sw h i c ha c t sa su s bo t gd u a l d e v i c ei su s e da st h es t i m u l u si nt h es i d eo fu t m l a n dt h eo t h e rs i d ei s a r m s 3 c 2 4 1 0 o fw h o s em a i nf u n c t i o ni su s e di sm e m o r yc o n t r o l l e r d m ac o n t r o l l e r a n di n t e r r u p tc o n t r o l l e r o n l y c o d i n gt h e s e c o n t r o l l e r si nb e h a v i o rt or e d u c et h e v e r i f i c a t i o nc o m p l i c a t i o no fa r ms i d e t h ef p g at e s to ft h i si pc o r eh a st w os t e p s t h ef i r s ti st e s t i n gt h eh i g hs p e e dh o s t c o n t r o l l e r e h c f u l ls p e e d h o s t c o n t r o l l e r o h c a n d d e v i c e c o n t r o l l e r d e i n d e p e n d e n t l y w h e nt h ei pc o r ec a no p e r a t ea sb o t hu s b h o s ta n dd e v i c e t e s tt h ei p c o r ew i t h0 t gc o n t r o l l e rt om a k es u r et h eu s b 2 00 t gi pc o r ec a na c h i e v et h eo t g f u n c t i o n a n dn o ww eh a v ea c h i e v e dt h ef u n c t i o no ft h ef u l ls p e e dh o s tc o n t r o l l e r t h e f i l e sc a nb et r a n s f e r r e ds u c c e s s f u l l yi nt h ef p g at e s t k e yw o r d u n i v e r s a ls e r i a lb u s o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e s e r i a li n t e r f a c e e n g i n e t r a n s f e rd e s c r i p t o r i v 图目录 图目录 图1 1i s p l 3 6 2 的结构框图 2 图1 2s y n o p s y su s b 2 0o t g 系统框图 3 图2 1u s b 系统的分层 7 图2 2u s bo t g 结构图 1 1 图3 1u s b 关注区域 1 2 图3 2 典型的列表结构 1 3 图3 3 端点描述符 1 3 图3 4 通用传输描述符 1 4 图3 5 同步传输描述符 1 5 图4 1u s b 2 0o t gi p 核系统结构图 1 8 图4 2 全速主机控制器结构框图 2 2 图4 3 异步复位信号同步化处理 2 2 图4 4 软复位电路 2 3 图4 5u s b 主机控制器状态转移图 2 4 图4 6l m s 定时器电路 2 6 图4 7 列表处理器状态转移 2 7 图4 8 寄存器h c f m r e m a i n i n g 设计 2 9 图4 9 列表处理模块读n t d 头部控制信号产生电路 一3 0 图4 1 0 列表处理器读缓冲区控制信号时序 3 0 图4 1 1 列表处理器读缓冲区数据信号 一3 1 图4 1 2 列表处理器更新n t d 头部控制信号时序 3 1 图4 1 3 列表处理器更新n t d 头部控制信号产生 3 2 图4 1 4 列表处理器更新进程 一3 2 图4 1 5b c 模块电路实现 3 4 图4 1 6s i e 结构框图 3 5 图4 1 7s i ep a 状态转移图 3 6 图4 1 8s i ep a 正常接收握手包和数据包时序 3 8 图4 1 9s i ep a 接收零长度数据包时序 3 8 图4 2 0s i ep a 接收u s b 包出现p i d 错误时序 3 9 图4 2 1s i ep a 接收数据包出现c r c 错误时序 3 9 图4 2 2s i ep f 状态转移图 4 0 图4 2 3s i e p f 发送令牌包时序 4 2 图4 2 4s i ep f 发送数据包时序 4 2 图4 2 5s i ep f 发送握手包时序 4 2 图4 2 6s i ep f 发送s o f 包时序 4 3 图4 2 7s i em s 状态转移图 4 3 图目录 图4 2 8s i em s 止确处理s o f 事务时序 4 5 图4 2 9s i e m s 止确处理o u t 事务时序 4 5 图4 3 0s i e m s 正确处理i n 事务时序 一 4 6 图4 3 1s i e s i l 产生写缓冲区的地址信号 4 8 图4 3 2 根集线器状态转移图 4 9 图5 1o h c i 软硬件交互通道 5 3 图5 2n t d 的顺序表结构 5 4 图5 3n t d 头部信息内容 5 5 图6 1 验证平台框图 5 9 图6 2s y n o p s y su s bv i p 连接示意图 6 0 图6 3i p 核验证环境 6 1 图6 4 存储器控制器读写时序 6 2 图6 5d m a 状态转移图 6 6 图6 石d m a 以u n i t 方式读i p 6 8 图岳7d m a 以b u r s t 方式写l p 6 8 图昏8d m a 以w h o l es e r v i c eu n i t 方式读i p j 6 8 图6 9d m a 以w h o l es e r v i c eb u r s t 方式写l p 6 9 图6 1 0 控制总线仲裁 6 9 图6 1 1 双向数据总线仲裁 二 7 0 图6 1 2 全速u s b 事务调度仿真波形 7 1 图6 1 3 正常u s b 事务处理仿真波形 7 2 图6 1 4 批量i n 传输差错处理的仿真波形 7 3 图6 1 5l p 核对下行端口发送高速检测握手 7 4 图6 1 6 高速检测握手成功后i p 核发送正常事务处理 7 4 图6 1 7 高速检测握手失败后0 h c 成功接管端口且发送s o f 包 7 5 图6 1 8 全速主机控制器向下行端口发送数据包 7 5 图6 1 9i p 核做b 设备接受主机枚举 7 5 图6 2 0 测试系统结构框图 7 6 图6 2 12 4 1 0 开发板与f p g a 验证板的正面图 7 7 图6 2 22 4 1 0 开发板与f p g a 验证板的背面图 7 7 图6 2 3u s b 2 0o t gi p 核测试系统 一7 8 图6 2 4u s b 驱动架构 一7 9 图6 2 5u s b 主机请求设备描述符 8 0 图6 2 6 加载驱动程序 8 1 图6 2 7 读出设备制造商 8 1 图6 2 8 读出u s b 设备容量大小 8 2 图6 2 9 确定u s b 设备是大容量存储设备 8 2 图6 3 0 全速主机控制器往优盘写文件 8 3 i x 表目录 表目录 表4 1i p 核在a r m 侧的接口信号 1 9 表4 2u s c 状态转移表 2 5 表4 3 列表处理器状态转移表 2 8 表4 4 数据触发状态变化表 4 7 表5 1n t d 头部信息描述 5 5 表5 2 寄存器d o n e m a p 5 6 表5 3 寄存器s k i p m a p 5 6 表5 4 寄存器c u r r e n t n t d 5 6 x 缩略词表 缩略词表 英文缩写 英文全写中文注释 著名r i s c 设计企业 本文档也 a r ma d v a n c e dr l s cm a c h i n e s 把其r i s cm c u 统称为a r m e d e n d p o i n td e s c r i p t o r 端点描述符 e h c le n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e r 增强主机控制器接口 i n t e r f a c e h ch o s tc o n t r o l l e r 主机控制器 h o c ah o s tc o n t r o l l e rc o m m u n i c a t i o n 主机控制器交互区域 a r e a h c dh o s tc o n t r o l l e rd r i v e r 主机控制器驱动 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 i pi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 知识产权 n t d n o n p e r i o d i ct r a n s f e rd e s c r i p t o r 非周期传输描述符 0 h c l o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e 开放主机控制器接口 0 t go n t h e g o 运行在u s b 协议之上的补充 协议 串行接口引擎 主要完成u s b s l es e r i a li n t e r f a c ee n g i n e 协议中数据链路层的部分功 能 s r ps 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 t d t r a n s f e rd e s c r i p t o r 传输描述符 通用串行总线 最早由 c o m p a q i n t e l m i c r o s o f t 和 n e c 等几家大公司联合制订 u s bu n i v e r s a ls e r i a lb u s 的针对p c 结构总线扩展协议 的一种丁业标准 现在通用的 有u s b l 1 j d l u s b 2 0 两个版 本 缩略词农 u s b du s bd r i v e r u s b 驱动程序 u s b2 0t r a n s c e i v e rm a c r o c e l l u s b 接收器宏单元接口规范 u t m l u s b 和p h y 之间的接口规范 i n t e r f a c e 主要用于u s b 设备开发 u s b2 0t r a n s c e i v e rm a c r o c e l l u s b 接收器宏单元接口规范 u t m l u s b 和p h y 之间的接口规范 i n t e r r a c ep l u s 主要用于u s b 主机开发 x i 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名 日期 加柞c 月力多日 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 签名 终纪幺导师签名 彳愀 日期 知 年仁月哆日 第一章引言 第一章引言 本章主要介绍u s b 总线及o t g 的发展及应用前景 同时介绍了u s b 2 0o t g i p 所要达到的指标和作者在项目中所承担的工作 最后介绍了本文的安排 1 1u s bo t g 协议及国外研究发展状况 u s b 2 0 通用串行总线 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 在原来的u s b l 1 的1 5 m b i t s 和 1 2 m b i t s 基础上增加了4 8 0 m b i t s 6 0 m b s 的高速数据传输模式 1 l 使u s b 的应 用范围得到进一步扩大 u s b 接口是随着电脑的发展而产生的 随着电脑的广泛应用 外设的使用也 越来越多 但是个人电脑上原有的串口和并口却限制了外设的使用 不仅性能无 法满足要求 而且数量上也很难扩展 这时u s b 接口应运而生 无疑从根本上解 决了这一问题 它不仅可以支持热插拔技术和高级即插即用功能 而且不使用承q 的中断控制以及输入输出的地址资源 最多可以级连1 2 7 个设备 2 j 而且u s b 接 口还有一个最大的优点就是速度快 在u s b l 1 版本中 速度可以达到1 2 m b p s 而在u s b 2 0 中 速度可以达到4 8 0 m b p s 因此u s b 外设迅速流行起来 从优盘 到m p 3 播放器 从数码相机到打印机 u s b 接口几乎应用到了所有种类的外设上 面 由于u s b 接口的广泛应用 设计u s b 2 0 接口口核具有巨大的使用价值和应 用前景 国外u s b 2 0 接口芯片产品开发的很早 甚至在u s b 2 0 协议公布的同年1 1 月份 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 当前市面上卖的u s b 2 0 接 口芯片也都被国外厂商所统治 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 c t i 等几家公司的芯片比较成功 它们的芯片主要分2 种 带u s b 接口的单片机或纯 粹的u s b 接1 3 芯片 3 1 后者需要用外部的m c u d s p 或其它的处理器来对接1 3 芯 片进行控制 2 种接口芯片的核心部分都是u s b 2 0p h y s i e 核 其它还包括时钟 模块 数据缓存 各类接口等 不同的接口芯片有各自的一些特色 不过总体结 构和功能都相差不大 在使用时需要处理器的固件以中断的方式来做一些控制 比如向主机返回各类设备描述符等 u s b 接口上电配置好以后 处理器可通过u s b 电子科技大学硕 学何论文 接口芯片收发与u s b 协议无关的数据1 4 1 为了使u s b 设备具有一定的主机功能 u s bi f 于2 0 0 1 年1 2 月1 8 日推出了 u s bo t g u s bo n n e g o o t g 并不是一个独立于u s b 2 0 的规范 它是对 u s b 2 0 的补充 所有在o t g 中未提到的事项都以u s b 2 0 的规范为准 5 j u s bo t g 技术增添了电源管理功能 它允许设备既可作为主机 也可作为外设操作 o t g 双重角色设备完全符合u s b 2 0 标准 并可提供一定的主机检测能力 支持主机交 换协议 h n p 和会话请求协议 s r p 飞利浦 p h i l i p s 于2 0 0 4 年推出了u s bo t g 接口芯片i s p l 7 6 1 f l s p l 7 6 2 该 芯片可以起到u s b 主机或u s b 外设的作用 也可以同时担任两种角色1 6 1 可用于 各种数码设备之间的点对点数据传输而无需计算机的参与 图1 1 为i s p l 3 6 2 的结 构框图 7 1 m a x i m 公司研制的u s bo t g 接口芯片m a x 3 3 0 1 e 内部包括u s bo t g 收发器 v b u s 电荷泵 线性稳压器和1 2 c 2 线串行接口 可与采用 1 6 2 至 3 6 v 逻辑电源电压的器件连接 t d i 公司的t d l l 2 0 单芯片u s bo t g 整合了全速主机 和高速设备双重功能 能同时充当主机和外设执行任务 图1 1i s p l 3 6 2 的结构框图 第一章引言 s y n o p s y s 公司在2 0 0 6 年推出了u s b 2 0 高速o t g 控制器的d e s i g n w a r e 其 系统结构框图如图1 2 所示 d w co t g 核是双重角色设备控制器 该控制器符合 u s b 2 0o t g 补充规范 既支持设备又支持主机功能 能被单独配置成设备控制器 或主机控制器 支持高速 全速和低速三种传输模式 d w co t g 核采用标准a h b 接口设计 在整个系统中 既可以做a h bm a s t e r 又可做a h bs l a v e 使用 也即该 o t g 控制器具有总线控制权i 引 当其申请n a h b 总线控制权后就可以直接访问 该系统的片外存储器 图1 2s y n o p s y su s b 2 0o t g 系统框图 1 2u s b 国内研究发展状况 国内u s b 2 0 接口芯片现在也有一定的发展 早在2 0 0 2 年国内已有一些公司 开始研究u s b 2 0 的接口芯片 比如青岛硅盛微电子有限公司已取得了研发成功 并于2 0 0 4 年5 月申请了专利 它还在2 0 0 5 年的高交会上吸引了资金 进入u s b 2 0 接口芯片的产品研发阶段 国家相关部门也高度重视u s b 2 0 接i 1 芯片的研发 并 3 电子科技大学硕士学位论文 将其列为国家8 6 3 项目 电子科技大学在2 0 0 2 年承接了u s b 2 0i p 核开发的国家 8 6 3 项目 在2 0 0 4 年3 月通过了国家的验收 接着2 0 0 5 年电子科技大学又与国内 某著名公司合作开发基于a r m 的u s b 2 0i p 核 两次演示系统都是优盘的应用 这两个项目最大的不同是开发的侧重点不同 国家8 6 3 项目是偏重于研发的项目 目标是打破国外的技术垄断 拥有自己的核心自主知识产权 而与公司合作的项 目是偏重于产品的项目 目标是制作一个基于a r m 的u s b 2 0 的i p 核 9 国内目前基本没有进行u s bo t g 的开发设计 许多整机设备厂家都直接选择 国外芯片 但近年来 国内在集成电路及l p 设计方面 正在飞速发展 将有越来 越多的自行开发设计的集成电路芯片 集成电路制造工艺和e d a 技术飞速发展 使得在单一芯片上设计并实现数亿 个晶体管成为可能 将电子系统的全部或者部分系统功能集成在一块芯片上 这 即是片上系统 s o c 的开发理念 l o l 片上系统是在2 0 世纪9 0 年代出现的概念 它是集成电路技术中发展较快的方向 已经成为了超大规模集成电路 v l s i 发 展的趋势和主流 传统的集成电路设计技术注重模块的功能设计 模块重用性差 侧重于电路的集成 而s o c 设计技术侧重于整个系统的集成 其重点为系统功能的 分析 软硬件协同设计与验证 i p 的生成与复用 多层次验证环境 可测试性设 计 低功耗设计等 1 3 课题设计目标 本课题是四川省科技厅的科技攻关项目 开发基于a r m 的u s b 2 0o 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 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 本研究工作的u s b 2 0o t gi p 核主要实现以下功能 支持u s b 2 0 协议 同时兼容u s b l 1 协议 支持o t g j j 充规范 支持主机交换协议 h n p 和会话请求协议 s r p 第一章引言 支持高速 4 8 0 m b p s 和全速 1 2 m b p s 传输 支持控制传输与块传输 提供8 位u s b2 0u t m i 接口 和u s b 2 0p h y 芯片配合使用 内置s l a v ed m a 控制器 可以实现数据在系统内存和l p 内存之间的直接传送 高速主机控制器参考e h c i 协议实现 全速主机控制器参考o h c i 协议实现 1 4 本人工作任务 与同学一起完成规格书撰写 整体方案规划 模块划分及接口定义 独立完成全速主机控制器o h c 的详细设计方案 代码编写以及模块级仿真 负责制定系统的e d a 仿真验证方案 编写了a r m 的存储器控制器 d m a 控制器与中断控制器的行为级代码以模拟a r m 在本口测试中的功能 1 5 本论文的安排 本论文第一章为引言 主要介绍了u s b 总线和o t g 的发展及应用前景 第 二章介绍u s b 2 0o t g 总线协议 第三章介绍o h c i 协议 第四章介绍u s b 2 0o t g i p 核的总体设计及全速主机控制器的详细设计方案 第五章介绍本设计的技巧 即与标准o h c i 协议的不同之处 第六章介绍i p 核的e d a 验证及f p g a 测试 第七章主要对本论文及口核的设计做一个总结 5 也子科技大学硕士学位论文 第二章u s b 2 0o t g 总线协议 本章主要介绍u s b 2 0 协议 包括协议简介 系统结构 传输方式 o t g 补 充规范 u t m i 接口规范 2 1u s b 2 0 协议总揽 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 并由不同类型的 外围设备共享这个接口总线 一个主机最多可通过u s b 总线控制1 2 7 个外设 每 个外设由主机分配的唯一的地址来标识l l u u s b 主机是整个总线的主控者 掌握 所有的控制权 总线上的通信都由主机来发起 u s b 是基于令牌包的通信协议 当主机要跟设备进行数据通信时 首先向设备发送一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 接收主机发送的数据包或向主机发送数据包 最后 以握手包来结束本次事务处理 另外主机会定时发送帧开始包 将总线时间分割 为1 2 5 s 一帧 u s b l 1 为l m s 帧 所有总线上的设备就会以时间分割的方 式来分享总线带宽 2 2u s b 系统的结构 在终端用户看来 u s b 系统就是u s b 设备到主机的简单连接 但对开发人员 来说 这种连接可被分为三个逻辑层1 1 2 功能层 u s b 设备层和u s b 总线接口层 且每一层都由主机和u s b 设备的不同功能模块组成 如图2 1 所示 2 2 1u s b 主机 u s b 主机可被分为三个不同的功能模块 客户软件 u s b 系统软件和u s b 总 线接口 1 2 1 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 u s b 没备驱动程序 负责和u s b 系统软件进行接口 而界面应用程序负责和u s b 设备驱动程序进行接 第二章u s b 2 00 t g 总线协议 口 主机互连u s b 设备 客竿 一l 叫功能单元 功能层 it 1 l 一 i叫u s b 逻辑设备 u s b 设备层 4 t 上 l i l u b s 总线接口 u s b 总线接口 l 8 1 1 实际的通信流 一一一 逻辑通信流 图2 1 u s b 系统的分层 层 u s b 系统软件负责和u s b 逻辑设备进行配置通信 并管理客户软件启动的数 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 通常由操作系统提供 l 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 0 请求包时 会把这些l 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 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 的小帧 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 根集线器为u s b 系统提供连接起点 被集成在u s b 主控制器的内部 h c d 对其进行访问时 不需产生事务处理 电子科技人学硕十学位论文 2 2 2u s b 设备 一个u s b 设备由三个功能模块组成 u s b 总线接口 u s b 逻辑设备和功能单 元 u s b 总线接口是u s b 设备中的串行接口引擎 s 正 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 个接口的集合 其中 s i e 端点和接口都是u s b 设备的组成单元 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 1 1 j 其中 配置和接1 3 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1 1 1 它们通常被保存在u s b 接口芯片的 固件中 2 3 传输类型 u s b 定义了4 种传输类型 控制传输 同步传输 中断传输和批量传输1 1 1 2 3 1 控制传输 控制传输是突发的 非周期的 主机软件初始化的请求 响应通信 用于命 令 状态操作 由以下几个部分组成 建立总线处理 负责由主机向功能设备发 送请求信息 零或多个数据处理 负责按建立处理指出的方向发送数据 一个状 态处理 负责从功能设备向主机返回状态信息 当端点成功处理完请求的操作后 状态处理返回 成功 1 1 1 j 每个u s b 设备都要求将默认的控制管道作为消息管道 这条管道由u s b 系统软件使用 提供对u s b 设备的配置 状态和控制信息的访问 功能设备能根据自己的应用需要为额外的控制管道提供端点 控制传输为访问设 备的描述符提供了传输机制 控制传输的端点指明了端点可以从总线接收或向总 线发送的最大数据有效负载 全速设备允许的最大控制传输数据有效负载是8 字 节 1 6 字节 3 2 字节或6 4 字节 高速设备是6 4 字节 第二章u s b 2 00 t g 总线协议 2 3 2 同步传输 同步传输是主机与设备之间周期的 连续的通信 用于与时间相关的信息1 1 2 1 同步传输提供了以下特性 在有限的延时中保证对u s b 带宽的访问 只要向管道 提供了数据 它就能保证管道的数据速率恒定 在因错误使传输失败的情况下 不再重新发送数据 同步管道是一个单向的流管道 端点描述符能识别出给定同 步管道的通信流是流入还是流出主机 如果设备要求有双向的同步通信流 必须 使用两条同步管道 每条管道负责一个方向的传输 u s b 将全速同步端点的最大 数据有效负载限制为1 0 2 3 字节 高速端点允许最大1 0 2 4 字节的数据有效负载 高速高带宽的端点指定了它在每个微型帧中要求两个或三个处理 2 3 3 中断传输 中断传输用于低频的 延时有限的通信 l 支持那些不需要经常发送或接收数 据 但服务周期有限的设备 中断传输类型的管道提供了以下特性 保证管道有 最大的服务周期 在因总线错误造成偶然传输失败的情况下 传输将在下一个周 期重试 中断管道是一个单向的流管道 端点描述符能识别出给定同步管道的通 信流是流入还是流出主机 全速中断端点允许的中断数据最大有效负载小于等于 6 4 字节 高速中断端点允许的最大数据有效负载高达1 0 2 4 字节 高速高带宽的端 点指定了它在每个微型帧中要求两个或三个处理 1 1 j 2 3 4 批量传输 批量传输用于非周期大型包的突发通信 用于可以使用任何可用的带宽 而 且可以延时直到带宽可用的数据传输 批量传输类型的管道有以下的特性 在有 可用带宽的基础上访问u s b 在由于总线错误偶然出现传输故障的情况下重试传 输 保证数据的传输 但不保证带宽或延时1 1 1 批量传输是一种流管道 因此对于 给定的管道总是有通信流流入或流出主机 如果设备要求双向的批量通信流 必 须在每个传输方向上都使用一条批量管道 全速批量端点的数据有效负载最大值 只能是8 字节 1 6 字节 3 2 字节或6 4 字节 高速端点的最大值是5 1 2 字节 9 电子科技人学硕十学位论文 2 4o t g 补充规范 o t g 是运行在u s b 协议基础之上的补充规范 其主要目的是切换o t g 设备 的功能角色 即完成o t g 设备由a 设备到b 设备或由b 设备到a 设备的功能切 换 有o t g 特性的所有设备首先必须是遵守u s b 2 0 规范的u s b 外围设备 除了 完全遵守u