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低成本的USB2.0主机控制器与驱动程序设计

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第一章 引言

1.1研究背景与意义

1.2国内外现状

1.3课题设计目标

第二章 USB通信协议

2.1 USB2.0系统

2.2 USB2.0协议简介

2.3 USB主机控制器

2.4 USB主机端软件系统

2.5小结

第三章 USB主机控制器设计

3.1功能描述

3.2主机系统

3.3寄存器接口模块

3.4脉冲同步模块

3.5 DMA控制器模块

3.6存储管理模块

3.7 USB主机寄存器模块

3.8协议层控制模块

3.9根集线器控制模块

3.10 USB主机控制器的成本比较分析

3.11 USB主机控制器的性能比较分析

3.12小结

第四章 USB主机软件设计

4.1 USB主机控制器驱动(HCD)结构

4.2 USBD接口模块

4.3根集线器模块

4.4数据传输模块

4.5 HCD初始化模块

4.6中断管理模块

4.7 Host读写模块

4.8小结

第五章 USB主机控制器验证与合成

5.1 USB主机控制器仿真环境

5.2 USB主机功能仿真

5.3逻辑综合

5.4小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

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摘要

由于USB具有传输速度快,支持热插拔,使用灵活等优良特性,已经成为一种应用非常广泛的串行接口标准,差不多有电子设备的地方就有USB。正因为如此,有不少企业或研究单位,投入大量的人力与物力,参入到USB相关的硬件与软件的研究与开发,期望在自己的产品中加入USB的功能,以提高产品的竞争力,除了要达到所需的USB性能,还不能增加太多的成本。于是提出了开发低成本USB2.0主机控制器的课题。
  本论文首先讨论了USB2.0与UTMI等相关的协议,然后分析了市场上主要几类主机控制器(UHCI、OHCI、EHCI、xHCI和其它厂商或个人自行定义的)及相关协议标准或硬件与软件设计方案。并以此为基础,提出新的低成本的USB2.0主机控制器的硬件与软件设计方案。
  硬件设计方案部分包含USB2.0主机控制器的架构,软硬件寄存器接口定义及AHB从机接口模块(usb20_sl_if)、DMA控制模块(usb20_dma_ctl)、缓冲管理模块(buffer_manage)、协议层控制模块(usb20_host_pl)、主机寄存器模块(usb20_host_reg)、集线器控制模块(usb20_port_ctl)等各功能子模块功能及状态转换描述,并用Verilog HDL实现。
  软件设计方案部分,只设计了与硬件相关的主机控制器驱动程序部分,与硬件无关的USB协议栈与客户端软件可以直接复用Linux内核中的相关程序。主机控制器驱动程序包含了USBD接口模块、根集线器模块、数据传输模块、中断管理模块等子模块功能及函数描述,并用C语言实现。
  此外还定性分析了此方案确实会比UHCI、OHCI、EHCI、xHCI等主机控制器的硬件成本低,也定性分析了此方案在存储类设备方面的性能不会逊色于UHCI、OHCI、EHCI、xHCI等主机控制器。为了保证此方案的主机控制器的高性能,实现了两点创新:一是用两个单端口SRAM来实现异步时钟域的乒乓缓冲;二是利用DMA读写数据传输与USB传输的流水线并行操作,从而提高USB总线的带宽利用率或降低对系统总线的带宽的要求。
  最后采用基于BFM的自动化的验证方法,对USB2.0主机控制器的低速、全速、高速的数据传输,总线复位及DMA等相关模式及操作做了完整的验证,都符合USB2.0及UTMI协议标准。同时还用Synopsys的Design Compile综合工具,对USB2.0主机控制器的RTL综合出来的电路只有7.5千门(不包含SRAM面积)。结果表明,此方案是可行的,能同时满足低成本高性能的需求,达到了预期的目标。

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