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USB技术的出现几乎统一了所有外围设备的接口市场,现今的各种外设包括从低速到高速的设备都会提供其USB接口的版本,而2008年年末USB3.0协议的推出更是掀起了USB外设市场的又一个春天。本文针对USB2.0协议,给出了硬件电路与MCU固件相结合的设计理念。首先从USB设备功能的角度分析了USB2.0协议的总线结构、电气物理特性、设备枚举过程和四种USB传输方式并简单介绍了UTMI协议的作用及其意义。随后在此基础上根据USB设备接口的特性提出了四大模块的划分,将系统划分为MCU及其接口模块、USB设备和协议控制器模块、端点存储单元模块、UTMI及其接口模块。并在Synopsys IP的支持下设计和优化了MCU模块与USB设备和协议控制器模块,用VerilogHDL语言重点完成了端点存储管理单元模块和MCU接口模块的RTL级设计,此外采用了CYPRESS的CY7C68000作为整个USB设备端的高速物理收发芯片,并在此基础上绘制了UTMI接口的PCB板,从而完成了USB2.0设备接口端整个硬件电路的设计与实现。然后分析了USB设备接口端固件的工作原理与整体结构,依据固件程序的设计流程依次分析和实现了USB中断处理程序,USB标准请求处理和描述符的返回实现,并结合具体的HID类设备-键盘的固件程序重点介绍了HID类USB设备报告描述符的实现以及输入输出报告的返回细节。最后利用USB主机和UTMI总线功能模型搭建了对USB设备和协议控制器的测试平台并完成了Setup、IN、OUT三种传输方式以及异常和错误情况的仿真测试。并最终在Altera的CycloneII FPGA上完成了USB设备接口芯片的实现。最后的结果表明该设计能够在预定的时钟频率下工作,完成了USB设备接口芯片的功能,对USB设备接口的SoC集成有着指导和借鉴意义。