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MCU&USB设备控制器的设计与实现

作　者: 陈训亮
导　师: 胡锦
学　校: 湖南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 通用串行总线 USB设备控制器 IP核 FPGA
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


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统治地位,随着USB技术的广泛应用,它在数据通信方面发挥了巨大的作用,而且随着IP核的日益丰富,如何提高IP核的重用性,将不同的IP核有效的互连起来,缩短设计周期成了IC设计领域的研究热点。因此本文设计实现了MCU&USB设备控制器IP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,除具有较强的理论研究意义,也具有较高的实践价值。本文首先简单分析了通用串行总线USB(Universal Serial Bus)的产生、发展和USB设备国内外研究状况以及MCU(Microprocessor Control Unit)的国内外发展状况。其次介绍了USB1.1总线协议,包括USB体系结构,物理接口,数据通信中各种包结构及数据传输的四种类型。接着重点阐述了MCU&USB设备控制器IP核的设计方法,详细描述其组成结构及各功能模块的设计,并介绍其在系统中的应用方案。由于本文设计的MCU和USB中控制器IP核主要是针对鼠标、键盘、游戏杆等低速功能设备,所以本设计中设备控制器只实现了控制传输,中断传输两种数据传输类型。在以往的设计应用当中,MCU基本都是应用硬核形式的的芯片,但本论文是针对低速功能设备专用芯片而设计的,应用硬核形式的MCU将大大浪费设计产品的成本,就没有足够的竞争力,基于以上考虑,我们自主设计了MCU,达到硬核芯片功能的同时,则大大降低了芯片的面积和开发成本。最后,对编写好IP核进行仿真和综合,介绍了本设计的MCU&USB设备控制器IP核系统的验证平台,详细阐述了总线枚举和数据传输在仿真平台中的实现方法,并分析了仿真结果。最终用华润上华的0.35um工艺成功流片返回。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 USB 总线产生及发展  9-10
  1.2 USB 设备控制器国内外研究现状  10
  1.3 MCU 国内外发展状况  10-12
  1.4 本课题主要研究内容及意义  12-13
第2章 USB 系统结构和传输原理  13-28
  2.1 USB 系统的基本组成  13
  2.2 电气特性  13-14
  2.3 USB 数据包结构  14-17
    2.3.1 USB 总线编码技术  14-15
    2.3.2 包的组成  15-16
    2.3.3 包的类型  16-17
  2.4 事务处理  17-19
    2.4.1 输入事务处理  17-18
    2.4.2 输出事务处理  18
    2.4.3 设置事务处理  18-19
  2.5 数据传输  19-22
    2.5.1 控制传送  20-21
    2.5.2 批处理传输  21-22
    2.5.3 中断传输  22
    2.5.4 实时传输  22
  2.6 包的校验和错误处理  22-28
    2.6.1 循环冗余校验码  22-23
    2.6.2 包错误处理  23-28
第3章 MCU 和USB 总体设计  28-52
  3.1 数据存储器和程序存储器及其仲裁模块  28-30
    3.1.1 程序存储器  29
    3.1.2 数据存储器  29-30
    3.1.3 仲裁模块  30
  3.2 收发器设计  30-31
  3.3 USB 控制器IP 核设计  31-37
    3.3.1 数字锁相环模块Dpll  32
    3.3.2 串行接口引擎模块SIE  32-37
    3.3.3 端点控制模块ENDPCTL  37
    3.3.4 缓冲器控制模块BUFCTL  37
  3.4 特殊功能寄存器设计  37-42
    3.4.1 MCU 配置寄存器设计  37-40
    3.4.2 USB 配置寄存器设计  40-42
  3.5 MCU 设计  42-50
    3.5.1 MCU 主要功能及特点  43-44
    3.5.2 MCU 内部结构设计  44-49
    3.5.3 振荡电路  49
    3.5.4 休眠与唤醒  49-50
  3.6 LDO 设计  50-52
第4章 设计的仿真和验证  52-58
  4.1 功能验证  52-55
  4.2 FPGA 验证  55-56
  4.3 版图  56-58
结论  58-60
参考文献  60-63
致谢  63-64
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  64-65
附录B 部分门级电路图  65

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统 > 计算机控制、计算机控制系统
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