毕业论文：基于FPGA算法的USB设备接口的设计USB（终稿）.doc

苏州经贸职业技术学院 机电系电信专业 毕业设计论文 基于FPGA算法的USB设备接口的设计 学生姓名：崔娣 指导教师: 徐进 2010年1月  目 录 摘要 II 第1章 绪论 1 1.1 USB技术研究现状 1 1.1.1 USB速度快 1 1.1.2 USB设备安装和配置容易 1 1.1.3 USB易于扩展 1 1.1.4 USB独立供电 1 1.1.5 USB支持多媒体 1 1.2 FPGA的概念 1 1.2.1 FPGA的概念 1 1.2.2 Altera的APEX系列器件 2 1.3实现FPGA技术需要的硬件描述语言VHDL 2 1.3.1 VHDL的特点 2 第2章 USB2.0协议介绍及USB设备控制器结构原理 3 2.2传输速率 3 2.3端点 4 2.4数据解码／编码 4 2.5 USB 传输 4 2.6与外部微型控制器接口 5 2.7 USB协议控制器的模块划分 5 2.8控制器顶层引脚定义 7 第3章USB设备控制器设计 8 3.1 USB接口控制器功能设计 8 3.2 VHDL 实现 8 3.2.1存储器接口及存储器仲裁器 8 3.2.2应用程序的WishBone接口 9 3.3USB协议处理层 10 第4章USB设备控制器的FPGA实现 14 4.1 器件的选择 14 4.2编译和仿真 14 结论 15 参考文献 15 致谢 15 附录 16 摘要 通用串行总线(USB)是PC体系中比较新的一套工业标准。它是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽、端口之间的矛盾．提高设备的传输速度和简化PC与外设的连接过程而出现的。 自从2000年提出USB2.0协议，短短几年间。USB不光成为了微机主板上的标准端口，而目还成为了所有微机外设(包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数码相机、扫描仪等等)与主机相连的标准协议之一。USB接口与以往普通并口(parallel port)和串口等标准相比较．特点是速度快、通用性强、易于使用和支持热插拔。所以USB标准正逐渐取代其他接口，成为计算机外部设备应用最广泛的标准接口。 本文利用HDL硬件描述语言．初步完成了USB设备控制器的设计和实现。论文首先介绍USB的体系结构和特点，包括总线特征、协议定义、传输方式等等。又介绍了FPGA技术的设计方法．然后对USB设备控制器的功能和原理进行详细分析后，采用自顶向下的方法，将USB设备控制器划分为7个主要功能模块：USB收发器UTMI(USB Transceiver Macrocell Interface)、UTMI接口、协议层(Protocol Layer)、RAM数据缓冲区、存储器接口和仲裁器、控制和状态寄存器及功能接口。本文重点对其中的功能接口、协议层处理层和存储器接口及仲裁器3个模块进行了细分，做了较深入的分析，通过FPGA器件,并使用VHDL硬件描述语言完成了各子模块的功能描述．同时做了相应的仿真工作，取得满意的结果。 【关键词】:USB设备控制器；VHDL；FPGA第1章 绪论 1.1 USB技术研究现状 USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是近年来应用在PC领域的新型接口技术。它的出现是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽、端口之间的矛盾，提高设备的传输速度和简化计算机与外设的连接过程。USB之所以有着巨大的魅力主要是由于它的许多其他总线无法比拟的优点，可归结为以下5点【1】： 1.1.1 USB速度快 USB接口支持低速（LS）LSMbps、全速（FS）12Mbps和高速（HS）480Mbps（USB2.0协议）的数据传输速率。相比之下。串口数据传输率是115kbps-230kbps，标准并口的数据传输率为1Mbps，都比USB的要低。 1.1.2 USB设备安装和配置容易 USB设备支持即插即用，安装USB设备不必再打开机箱．加减己安装过的设备完全不用关闭计算机。USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者DMA资源，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。USB为接线和连接头提供了单一模型，解决外设越来越多造成的插槽紧张问题。 1.1.3 USB易于扩展 用USB连接的外围设备数目最多达127个，共5层。所谓5层是指从主装置开始可以经由4个集线器进行菊花链接。 1.1.4 USB独立供电 普通的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要，因为USB接口提供丁内置电源。USB电源能向低压设备提供5伏的电源，因此新的设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。 1.1.5 USB支持多媒体 USB提供了对电话的两路数据支持。USB可支持异步以及等时数据传输，使电话可与PC集成，共享语音邮件及其