一种USB延长器的研究与设计
摘要
USB技术的发展方兴未艾，支持USB协议的设备种类也越来越多。1998年USB1.1协议正式发布，可以支持1.5Mbps和12Mbps两种不同的速率。2000年USB2.0的出现将最高速度惊人的提高了40倍，达到了480Mbps。然而作为一种流行的总线标准，它5米的线缆长度限制始终是一个巨大的障碍。虽然可以通过5个集线器级联的方式将这一距离提高到30米，但在很多情况下仍然不够用。因此开发一种USB延长器具有非常重要的意义。
本文讨论了一种USB延长器的模型。它基于USB1.1协议，在主机侧添加了一个本地扩展LEX，设备侧添加了一个远程扩展REX，两者之间采用普通网线进行连接。同时为了使设备能正常工作，还改写了LEX和REX部分的USB协议。本文首先讨论了USB延长器模型的结构，把模型模块化，介绍了每个模块的功能分工和引脚设计，并给出了一个总体的电路图。然后详细讨论了每个模块的实现，用Verilog HDL语言实现了各个模块的功能，并给出了仿真结果。文章依据USB1.1协议，重点讨论了LEX和REX端协议部分的设计，给出了用Verilog语言实现的源程序和仿真结果。最后文章总结了该方案的优缺点，并提出了进一步完善的思路。
USB is a very popular bus standard today, and more and more USB-supported-peripherals have been developed. In 1998, USB 1.1 protocol specification was released, and it could support a low speed of 1.5Mbps and a full speed of 12Mbps. In 2000, USB2.0 was released, and it could support a more high speed of 480Mbps, which was 20 times faster than USB 1.1. But as a popular bus standard, it only supports a 5-meter-long cable. This is a big barrier. Though we can use 5 in series Hubs to prolong it to 30 meters longer, it can't meet our demand sometimes. So it is a very meaningful work to develop a function to extend the range of USB peripherals.
In this thesis, a solution based on USB 1.1 protocol is introduced. A local extend equipment (LEX) is placed at the end of the host, and a remote extend one (REX) at the end of the peripheral, and the two units are interconnected by the category 5 Unshielded Twisted Pair (UTP) cabling. At the same time, we adjusted the USB protocol of LEX and REX, through which the peripheral may work well. Firstly, the architecture of this solution is discussed, then the function and pins design of each block are introduced, and also the entire circuit diagram of the system is shown. Secondly, the implementation of each block is discussed in detail, and the source code in Verilog HDL and the simulation results are also given. Based on USB 1.1, the protocol design for LEX and REX is chiefly discussed, and the source code in Verilog and its simulation results are also given. Finally, advantages and disadvantages of this system are summarized, and possible solutions are put forward.
本文讨论了一种USB延长器的模型。它基于USB1.1协议，在主机侧添加了一个本地扩展LEX，设备侧添加了一个远程扩展REX，两者之间采用普通网线进行连接。同时为了使设备能正常工作，还改写了LEX和REX部分的USB协议。本文首先讨论了USB延长器模型的结构，把模型模块化，介绍了每个模块的功能分工和引脚设计，并给出了一个总体的电路图。然后详细讨论了每个模块的实现，用Verilog HDL语言实现了各个模块的功能，并给出了仿真结果。文章依据USB1.1协议，重点讨论了LEX和REX端协议部分的设计，给出了用Verilog语言实现的源程序和仿真结果。最后文章总结了该方案的优缺点，并提出了进一步完善的思路。
USB is a very popular bus standard today, and more and more USB-supported-peripherals have been developed. In 1998, USB 1.1 protocol specification was released, and it could support a low speed of 1.5Mbps and a full speed of 12Mbps. In 2000, USB2.0 was released, and it could support a more high speed of 480Mbps, which was 20 times faster than USB 1.1. But as a popular bus standard, it only supports a 5-meter-long cable. This is a big barrier. Though we can use 5 in series Hubs to prolong it to 30 meters longer, it can't meet our demand sometimes. So it is a very meaningful work to develop a function to extend the range of USB peripherals.
In this thesis, a solution based on USB 1.1 protocol is introduced. A local extend equipment (LEX) is placed at the end of the host, and a remote extend one (REX) at the end of the peripheral, and the two units are interconnected by the category 5 Unshielded Twisted Pair (UTP) cabling. At the same time, we adjusted the USB protocol of LEX and REX, through which the peripheral may work well. Firstly, the architecture of this solution is discussed, then the function and pins design of each block are introduced, and also the entire circuit diagram of the system is shown. Secondly, the implementation of each block is discussed in detail, and the source code in Verilog HDL and the simulation results are also given. Based on USB 1.1, the protocol design for LEX and REX is chiefly discussed, and the source code in Verilog and its simulation results are also given. Finally, advantages and disadvantages of this system are summarized, and possible solutions are put forward.
引文
[1]张念淮、江浩，USB总线接口开发指南，国防工业出版社，2001
[2]陈启美、丁传锁，计算机USB接口技术，南京大学出版社，2003
[3]Jan Axelson，USB大全，陈逸等译，中国电力出版社，2001
[4]许永和，EZ_USB FX系列单片机USB外围设备设计与应用，北京航空航天大学出版社，2002
[5]USB 1.1 specification, http://www. usb. org/developers/docs/
[6]USB 2.0 specification, http://www. usb. org/developers/docs/
[7]USB 2.0 Transceiver Macrocell Interface (UTMI) Specification, http://www. intel. com
[8]Designing a robust USB serial interface engine, http://www. usb.org/developers/whitepapers/
[9]Rudolf Usselmann, USB 1.1 function IP core, Rev 1.2, 2002
[10]康华光、邹寿彬，电子技术基础数字部分，第4版，高等教育出版社，2000
[11]聂丽文、柴实生、相洁，微型计算机接口技术，电子工业出版社，2002
[12]夏宇闻，复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术，北京航空航天大学出版社，1998
[13]侯伯亨、顾新，VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计，第2版，西安电子科技大学出版社，1999
[14]BhaskerJ，Verilog HDL硬件描述语言，徐振林译，机械工业出版社，2000
[15]张亮，数字电路设计与Verilog HDL，人民邮电出版社，2000
[16]王金明、杨吉斌，数字系统设计与Verilog HDL，电子工业出版社，2002
[17]袁俊泉，Verilog HDL数字系统设计及其应用，西安电子科技大学出版社，2002
[18]陈云洽、保延翔，CPLD应用技术与数字系统设计，电子工业出版社，2003
[19]王诚、薛小刚、钟信潮，FPGA／CPLD设计工具Xilinx ISE 5.X使用详解，人民邮电出版社，2003
[20]徐志军、徐光辉，CPLD／FPGA的开发与应用，电子工业出版社，2002
[21]黄正谨，CPLD系统设计技术入门与应用，电子工业出版社，2002
[22] 宋万杰，CPLD技术及其应用，西安电子科技大学出版社，1999
[23] ISP1105 data sheet, http://www. semiconductors. philips. com
[24] ISP110X interfacing application note, http://www. semiconduc tors. philips. com
[25] LXT905 data sheet, http://www. intel. com
[26] USB Ranger110/410 data sheet, http://www. icron.com/produ_usbr 110410. shtml
[27] USB Ranger110/410 user guide, http://www. icron. com/produ_usbr 110410. shtml
[28] USB Ranger422 data sheet, http://www. icron.com/produ_usbr422. shtml
[29] USB Ranger422 user guide, http://www. icron. com/produ_usbr422. shtml
[30] LEX/REX 110/410 turnkey data sheet, http://www. icron. com/produ_ turnkey110410. shtml
[31] LEX/REX 422 turnkey data sheet, http://www. icron. com/produ_t Urnkey422.shtml
[32] http://www. icron. com/tech_usbif. shtml
[33] USB bus analyzer, http://www. usbdeveloper. com
[34] 程军、陈贵灿、姜飞，USB数据传输中CRC校验码的并行算法实现，微电子学与计算机，2003年第3期
[35] 华漫、范俊波、张志远，USB技术在指纹识别门禁系统中的应用，电子技术，2004年第1期
[36] 熊振国，ISP Synario在数字电子技术中的应用，现代电子技术，2003年第1期
[37] 马伟，嵌入式USB主机系统的研究与设计，计算机测量与控制，2003年第5期
[38] 田力、沈绪榜、张盛兵，USB设备控制器缓冲区特性和实现方案，微电子学与计算机，2003年第3期
[39] 衣晓峰、苏彦锋、周荣政、洪志良，USB外设控制器固件的设计，微型电脑应用，2003年第4期
[40] 萧世文，USB 2.0硬件设计，清华大学出版社，2002
[41] 曹林根，数字逻辑，上海交通大学出版社，2000
[42] 任治国、王大方、黄红兵，RS232接口转USB接口通信的实现，电力系统通信，2002年第10期
[43] USB～RS485模式在地震数据采集中的应用，电脑开发与应用，2003年第9期
[44] 周芳、吴宁，USB 2.0设备控制器IP核的Verilog HDL设计，南京师范大学学报，2003年第4期
[45] 刘延波、王斌、吴瑛，USB 2.0特色分析，计算机工程，2003年第17期
[46] 邵明远、戴建民，USB传输技术的功能与展望，潍坊学院学报，2003年第2期
[47] 李业德、贾莹、李玉芬，USB数据采集及传输模块的设计，山东理工大学学报，2003年第2期
[48] 陈心浩，RS232／USB转换器的设计，电子技术，2003年第10期
[49] 王荣、张永智、杨祥林，基于USB 2.0接口的光缆线路自动检测系统设计与实现，光通信技术，2003年第10期
[50] 梅杰、曹以龙、许明东，基于Verilog HDL语言的USB收发器设计，电子技术，2003年第12期
[51] 彭翔宇、胡豪、徐国治，嵌入式系统中USB主机控制器的实现，计算机应用，2003年第10期
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