随着大数据时代的到来,人们对大容量存储和高带宽的需求日益提升,进而对U SB接口的性能带来新挑战。自1996年第一代USB1.0推出以来,经过二十多年发展,USB接口技术获得了突飞猛进的发展。USB3.0是目前应用较广的高速串行总线接口版本,较之前几个版本性能有显著提升。其传输速度高达5Gbps,具有良好的向下兼容性、连接灵活、独立供电、支持低功耗模式等优点,广泛应用于计算机、智能手机、数字机顶盒、可穿戴设备以及智能家居等领域。近几年USB3.0技术已趋于成熟,但是国内拥有自主USB3.0IP产权的厂商不多,因此设计并实现USB3.0芯片在当下具有现实意义。本论文以设计出符合USB3.0协议规范要求的物理层数字电路为目的,采用正向设计思路:在设计和分析USB3.0物理层架构的基础上,实现RTL设计。运用VCS、Verdi软件进行波形调试,实现功能验证,并对功能点作以分析。在此基础上,对数字电路进行逻辑综合。最后,搭建FPGA验证平台,实现对所设计数字电路的板级验证。综合报告以及验证结果表明,所设计的数字电路符合协议规范。设计的创新之处体现在:一,与传统USB3.0物理层数字电路仅处理8b/10b数据的方式不同,本设计支持在250MHZ系统时钟下处理16b/20b数据;二,采用一种新的8b/10b编码方式和解码方式,只需一拍即可通过该模块获得输出信号,与传统的查找表设计方式和多级流水线设计方式相比,资源占用更小、处理数据的效率更高;三,弹性缓冲电路可支持常半满和流程控制两种模式,与单一模式的弹性缓冲相比,具有良好的兼容性和可移植性。本论文工作内容主要包括以下几个方面:(1)深入研究USB3.0规范标准,确定设计指标,根据USB3.0功能需求,提出一种可行的USB3.0物理层数字电路架构;(2)采用verilog硬件描述语言实现了USB3.0物理层数字电路的设计,包括:发送通道、接收通道、以及环回电路;运用设计策略实现电路子模块的优化,并对所设计的数字电路进行验证仿真;验证结果表明:所设计的数字电路在250MHZ的时钟频率下可以实现位宽为16b/20b数据的传输,并且符合协议的功能要求;(3)使用TSMC 12nm FFC工艺逻辑综合库,通过Design Complier软件对所设计的电路进行逻辑综合;分析综合报告得出:数字电路可在250MHZ频率下稳定运行,占用面积约为960.6758um~2,比预期节省了20%,功耗达51.8571uw;(4)基于xilinx公司研发的VU440系列FPGA开发板,搭建硬件验证平台;实现了USB3.0物理层数字电路的板级验证,结果表明数字电路设计符合预期。