片上通信已成为当前高性能设计的一个关键因素，在SoC设计中嵌入高速LISB设备控制器作为与外部的高效数据引接方式已成为常用选择。USB接口作为近年来应用最广泛的接口技术之一，已被大多数的电子产品所采用。因此，在片上系统中集成USB2.0设备控制器，在理论上和应用上都具有重要的研究意义，其设计方法的研究也具有普遍的指导意义。 本文首先对USB2.0协议进行了分析，阐述了所设计的片上系统USB2.0设备控制器的软硬件体系结构，然后分别对设备控制器的硬件电路和固件程序设计加以论述。在硬件电路设计中，讨论了处理设备状态变化的UTMI接口，数据包处理模块，以及SoC的接口部分；在软件程序设计中，讨论了固件对于设备接入主机时的控制传输过程的处理，以及作为一个大容量存储类设备工作时程序的结构。在研究USB2.0设备端片上系统设计的过程中，提出了一种改进的用于片上集成的USB 2.0控制器的数据通道结构，运行时将有限的数据缓冲资源动态分配和实时回收，在增加少量RAM的前提下，改善了数据通道的吞吐量。 本文利用家庭网关仿真平台和FPGA平台，对USB2.0设备控制器片上系统进行了验证。根据验证得出，设计的USB2.0设备控制器系统完全符合USB2.0协议，支持协议所规定的四种传输类型，与当前广泛使用的各种USB2.0主机接口成功兼容。