USB20设备接口IP核的设计

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摘要：通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）凭借其价格低廉、使用简单、协议灵活、接口标准化和易于端口扩展等优点，迅速占领了计算机外设接口领域的
: l4 |7 N4 V0 w; ?1 J统治地位，而且随着USB技术的广泛应用，在各种SoC系统中集成USB功能也
成为一种必然趋势，因此本文设计实现了USB2.0接口P核。该设计综合了对设
计者两方面能力的要求，ASIC体系设计的能力和通信协议理解分析的能力，除具
" @9 O  B2 T' E9 J1 q0 i有较强的理论研究意义，也具有较高的实践价值。
9 y2 ?5 @, }7 B5 v  e) C随着核的日益丰富，如何提高IP核的重用性，将不同的P核有效地互连
* v1 X7 Z& c; C% y, h起来，快速搭建所需的SoC芯片，成为SoC设计领域的研究热点。所以本论文首
: _6 w* \$ `, U5 C) w先对核的可重用技术进行了研究。介绍了三种不同的P核(软核、固核、硬核>
$ S0 w" r& Y# w$ l. {& B以及开发不同P核的流程，并且介绍了三种常用的片上总线（Core Connect、
Advanced Microcontroller Bus Architecture Wishbone）。接着从USB2.0 协议的星
% |9 ]( L! v3 }4 _型体系结构、四种信息包（令牌包、数据包、握手包、特殊令牌包）的格式、四
) ]+ L# t" b4 F6 S: v7 V) u种传输方式（控制传输、同步传输、中断传输、批量传输）、设备六种状态（连
3 x# E0 w: |: G' n7 |接状态、加电状态、缺省状态、地址状态、配置状态、挂起状态）之间的转换等
) B8 e% a; {9 i4 c: t) Z方面描述与分析了USB2.0协议。
在详细分析USB2.0协议之后，本论文按照芯片的高层次设计综合流程，在
2 ]- }1 z% P- d1 m" I9 s) p借鉴许多成功USB 接口芯片设计的基础上，把USB2.0接口划分为UTMI、协议
) l+ e* ~* `+ |6 _; u- g  t控制器、缓冲接口和仲裁器、设备状态寄存器、缓冲区、Wishbone总线接口六个
$ S4 Y. x* O  g- [- C功能模块，利用FSM (Finite State Machine）模型对主要模块进行建模，并使用
. ?4 Q; r8 S3 y: v. u0 Z$ H+ ]Verilog 硬件描述语言描述了USB2.0IP核。
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1 c& T* ]8 }9 N# v/ n- s关键词:USB2.0核UTMIWishbone仿真综合
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& y9 ?, b6 ^& z8 N" I- I  {- bUSB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文即为“通用串行总线”。它是
3 p# N, w: [/ ^: k7 h* h& [# v一种应用在PC领域的新型接口技术。1994年以Intel公司牵头，Compaq、Digital、
IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom 等世界上著名的七家计算机公司和通讯
公司成立了USB论坛，于1995年正式制定了USBO.9规范。1997年出现了真正符
合USB技术标准的外设。1998年后，随着微软在Windows98中内置了对USB接
: u1 L2 ]& k; G$ g8 i口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB接口才逐步走向了实用阶段。
USB2.0版本出现以前，USB设备虽已被广泛应用，但基本上采用的都是
USB1.1接口，它的传输速度最高为12Mbps。然而大数据量传输的需求日益增长，
尤其在大容量数据存储器，高质量的图像扫描、传输方面，12Mbps的速度使用户
感觉很不方便，这无疑成为限制其技术发展的瓶颈。这时，Compaq、HP、Intel、
Lucent.Microsoft.NEC和Philips这七家公司联合制定了USB2.0接口标准。USB2.0
协议将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps，是USB1.1标准的40倍。这
! q# p/ ]7 h8 w9 x个速度满足了绝大多数的PC外围设备的要求，这意味着用户可以使用到更高效的
外部设备，原来由于速率限制而不适合用USB的大容量硬盘、高品质摄像头、高
% ~* O% q' w7 Y) E分辨率扫描仪等设备都可以使用USB2.0 接口。一举突破其传输速度的瓶颈，使
USB接口的应用拓展到了更广泛的领域。
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