利用FPGA實(shí)現(xiàn)外設(shè)通信接口之：利用FPGA實(shí)現(xiàn)USB 2.0通信接口

10.3利用FPGA實(shí)現(xiàn)USB2.0通信接口

10.3.1USB2.0接口的實(shí)現(xiàn)方式

利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)USB2.0接口的方式一般有兩種，一是借助外圍的USB接口芯片，二是FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議控制器，外部通過(guò)USB的PHY芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)接口。

對(duì)于第一種方式，F(xiàn)PGA不需要實(shí)現(xiàn)USB通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)小，而且性能穩(wěn)定，因此被大部分設(shè)計(jì)者所采用。而第二種方式需要購(gòu)買(mǎi)USB的IP核，門(mén)檻較高。如果自己開(kāi)發(fā)基于FPGA的USB協(xié)議棧，風(fēng)險(xiǎn)高，而且兼容性和穩(wěn)定性很難保證。

目前市場(chǎng)上的USB2.0接口芯片廠家和型號(hào)比較多，其中CypressSemiconductor公司的EZ-USBFX2（CY7C68013）是世界上第一款集成USB2.0的微處理器，它集成了USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。

FX2這種獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到56MByte/s，即USB2.0允許的最大帶寬。在FX2中，智能SIE可以硬件處理許多USB1.1和USB2.0協(xié)議，從而減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間、確保了USB的兼容性。

GPIF（GeneralProgrammableInterface）和主/從端點(diǎn)FIFO（8位或16位數(shù)據(jù)總線）為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了簡(jiǎn)單和無(wú)縫連接接口。

CY7C68013結(jié)構(gòu)圖如圖10.4所示。FPGA與CY7C68013的電路連接關(guān)系可以參考本書(shū)2.2.11小節(jié)的內(nèi)容。

圖10.4CY7C68013FX2結(jié)構(gòu)示意圖

10.3.2FX2接口芯片的SlaveFIFO傳輸模式

當(dāng)FPGA與FX2芯片相連時(shí)，只需要利用FX2作為一個(gè)USB2.0數(shù)據(jù)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的高速通信。FPGA能夠提供滿足SlaveFIFO要求的傳輸時(shí)序，可以作為SlaveFIFO主控制器。`

SlaveFIFO傳輸?shù)氖疽鈭D如圖10.5所示。

圖10.5SlaveFIFO傳輸?shù)氖疽鈭D

在這種方式下，F(xiàn)X2內(nèi)嵌的8051固件的功能只是配置SlaveFIFO相關(guān)的寄存器以及控制FX2何時(shí)工作在SlaveFIFO模式下。一旦8051固件將相關(guān)的寄存器配置完畢，且使自身工作在SlaveFIFO模式下后，F(xiàn)PGA就可按照SlaveFIFO的傳輸時(shí)序，高速與主機(jī)進(jìn)行通信，而在通信過(guò)程中不需要8051固件的參與。

在SlaveFIFO方式下，F(xiàn)PGA與FX2的連接信號(hào)圖如圖10.6所示。

下面是信號(hào)線的說(shuō)明。

IFCLK：FX2輸出的時(shí)鐘，可作為通信的同步時(shí)鐘。

FLAGA、FLAGB、FLAGC、FLAGD：FX2輸出的FIFO狀態(tài)信息，如滿、空等。

SLCS：FIFO的片選信號(hào)，外部邏輯控制，當(dāng)SLCS輸出高時(shí)，不可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

SLOE：FIFO輸出使能，外部邏輯控制，當(dāng)SLOE無(wú)效時(shí)，數(shù)據(jù)線不輸出有效數(shù)據(jù)。

SLRD：FIFO讀信號(hào)，外部邏輯控制，同步讀時(shí)，F(xiàn)IFO指針在SLRD有效時(shí)的每個(gè)IFCLK的上升沿遞增，異步讀時(shí)，F(xiàn)IFO讀指針在SLRD的每個(gè)有效至無(wú)效的跳變沿時(shí)遞增。

SLWR：FIFO寫(xiě)信號(hào)，外部邏輯控制，同步寫(xiě)時(shí)，在SLWR有效時(shí)的每個(gè)IFCLK的上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入，F(xiàn)IFO指針遞增，異步寫(xiě)時(shí)，在SLWR的每個(gè)有效至無(wú)效的跳變沿時(shí)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入，F(xiàn)IFO寫(xiě)指針遞增。

PKTEND：包結(jié)束信號(hào)，外部邏輯控制，在正常情況下，外部邏輯向FX2的FIFO中寫(xiě)數(shù)，當(dāng)寫(xiě)入FIFO端點(diǎn)的字節(jié)數(shù)等于FX2固件設(shè)定的包大小時(shí)，數(shù)據(jù)將自動(dòng)被打成一包進(jìn)行傳輸，但有時(shí)外部邏輯可能需要傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)小于FX2固件設(shè)定的包大小的包，這時(shí)，它只需在寫(xiě)入一定數(shù)目的字節(jié)后，聲明此信號(hào)，此時(shí)FX2硬件不管外部邏輯寫(xiě)入了多少字節(jié)，都自動(dòng)將之打成一包進(jìn)行傳輸。

FD[15:0]：數(shù)據(jù)線。

FIFOADR[1:0]：選擇4個(gè)FIFO端點(diǎn)的地址線，外部邏輯控制。

10.3.3SlaveFIFO模式的典型操作時(shí)序

1．同步SlaveFIFO寫(xiě)操作

同步SlaveFIFO寫(xiě)的標(biāo)準(zhǔn)連接圖如圖10.7所示。

同步SlaveFIFO寫(xiě)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序如下。

·IDLE：當(dāng)寫(xiě)事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)狀態(tài)1。

·狀態(tài)1：使FIFOADR[1:0]指向INFIFO，進(jìn)狀態(tài)2。

·狀態(tài)2：如FIFO滿，在當(dāng)前狀態(tài)等待，否則進(jìn)狀態(tài)3。

·狀態(tài)3：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，使SLWR有效，持續(xù)一個(gè)IFCLK周期，進(jìn)狀態(tài)4。

·狀態(tài)4：如需傳輸更多的數(shù)，進(jìn)狀態(tài)2，否則進(jìn)狀態(tài)IDLE。

狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖如圖10.8所示。

圖10.7同步SlaveFIFO寫(xiě)的標(biāo)準(zhǔn)連接圖 圖10.8同步SlaveFIFO寫(xiě)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序

假定FX2設(shè)定包大小為512字節(jié)，當(dāng)FPGA向FIFO端點(diǎn)中寫(xiě)入的數(shù)據(jù)達(dá)512字節(jié)時(shí)，F(xiàn)X2硬件自動(dòng)將已寫(xiě)入的512字節(jié)打成一包準(zhǔn)備進(jìn)行傳輸。這個(gè)動(dòng)作就和在普通傳輸中，F(xiàn)X2固件向FIFO端點(diǎn)中寫(xiě)入512字節(jié)后，把512這個(gè)數(shù)寫(xiě)入EPxBC中一樣，只不過(guò)這個(gè)過(guò)程是由硬件自動(dòng)完成的。在這里可以看出“FX2固件不參與數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程”的含義了。外部邏輯只需按上面的時(shí)序圖所示的時(shí)序向FIFO端點(diǎn)中一個(gè)一個(gè)字節(jié)（或字）地寫(xiě)數(shù)，寫(xiě)到一定數(shù)量，F(xiàn)X2硬件自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包傳輸，這一切均不需固件的參與，由此實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

2．同步SlaveFIFO讀操作

同步SlaveFIFO讀的標(biāo)準(zhǔn)連接圖如圖10.9所示。

同步SlaveFIFO讀的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序如下。

·IDLE：當(dāng)讀事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)狀態(tài)1。

·狀態(tài)1：使FIFOADR[1:0]指向OUTFIFO，進(jìn)狀態(tài)2。

·狀態(tài)2：使SLOE有效，如FIFO空，在當(dāng)前狀態(tài)等待，否則進(jìn)狀態(tài)3，

·狀態(tài)3：從數(shù)據(jù)線上讀數(shù)，使SLRD有效，持續(xù)一個(gè)IFCLK周期，以遞增FIFO讀指針，進(jìn)狀態(tài)4。

·狀態(tài)4：如需傳輸更多的數(shù)，進(jìn)狀態(tài)2，否則進(jìn)狀態(tài)IDLE。

狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖如圖10.10所示。

3．異步SlaveFIFO寫(xiě)操作

異步SlaveFIFO寫(xiě)的標(biāo)準(zhǔn)連接圖如圖10.11所示。

圖10.10同步SlaveFIFO讀狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖 圖10.11異步SlaveFIFO寫(xiě)的標(biāo)準(zhǔn)連接圖

異步SlaveFIFO寫(xiě)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序如下。

·IDLE：當(dāng)寫(xiě)事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)狀態(tài)1。

·狀態(tài)1：使FIFOADR[1:0]指向INFIFO，進(jìn)狀態(tài)2。

·狀態(tài)2：如FIFO滿，在當(dāng)前狀態(tài)等待，否則進(jìn)狀態(tài)3。

·狀態(tài)3：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，使SLWR有效，再無(wú)效，以使FIFO寫(xiě)指針遞增，進(jìn)狀態(tài)4。

·狀態(tài)4：如需傳輸更多的數(shù)，進(jìn)狀態(tài)2，否則進(jìn)狀態(tài)IDLE。

狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖如圖10.12所示。

4．異步SlaveFIFO讀操作

異步SlaveFIFO讀的標(biāo)準(zhǔn)連接如圖10.13所示。

圖10.12異步SlaveFIFO寫(xiě)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖圖10.13異步SlaveFIFO讀的標(biāo)準(zhǔn)連接圖

異步SlaveFIFO讀的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序如下。

·IDLE：當(dāng)讀事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)狀態(tài)1。

·狀態(tài)1：使FIFOADR[1:0]指向OUTFIFO，進(jìn)狀態(tài)2。

·狀態(tài)2：如FIFO空，在當(dāng)前狀態(tài)等待，否則進(jìn)狀態(tài)3。

·狀態(tài)3：使SLOE有效，使SLRD有效，從數(shù)據(jù)線上讀數(shù)，再使SLRD無(wú)效，以遞增FIFO讀指針，再使SLOE無(wú)效，進(jìn)狀態(tài)4。

·狀態(tài)4：如需傳輸更多的數(shù)，進(jìn)狀態(tài)2，否則進(jìn)狀態(tài)IDLE。

狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖如圖10.14所示。

10.3.4FX2的固件程序設(shè)計(jì)

在FX2芯片的固件程序設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的就是系統(tǒng)初始化函數(shù)TD_Init（void），下面講解這個(gè)函數(shù)的部分代碼。

//時(shí)鐘設(shè)置

CPUCS=0x12;//48MHzCLKOUT輸出使能

IFCONFIG=0x43;//使用外部時(shí)鐘，IFCLK輸入不反向

SYNCDELAY;//同步延遲

EP2CFG=0xA0;//需要設(shè)定為4緩沖，每個(gè)緩沖區(qū)大小為512字節(jié)

SYNCDELAY;

EP4CFG=0x00;

SYNCDELAY;

EP6CFG=0xE0;

SYNCDELAY;

EP8CFG=0x00;

SYNCDELAY;

FIFORESET=0x80;//激活NAK-ALL避免競(jìng)爭(zhēng)

SYNCDELAY;

FIFORESET=0x02;//復(fù)位FIFO2

SYNCDELAY;

FIFORESET=0x06;//復(fù)位FIFO6

SYNCDELAY;

FIFORESET=0x00;//取消激活NAK-ALL

SYNCDELAY;

PINFLAGSAB=0xE6;//FLAGA設(shè)定為EP6PF,FLAGB設(shè)定為EP6FF

SYNCDELAY;

PINFLAGSCD=0xf8;//FLAGC設(shè)定為EP2EF,FLAGD保留

SYNCDELAY;

PORTACFG|=0x00;//SLCS有效

SYNCDELAY;

FIFOPINPOLAR=0x00;//所有信號(hào)低電平有效

SYNCDELAY;

10.3.5USB2.0接口的典型應(yīng)用

由于USB2.0接口的數(shù)據(jù)傳輸速度快，而且使用方便，因此被廣泛應(yīng)用于各種便攜設(shè)備中。例如，基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集終端，可以將各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)采集到電腦主機(jī)中進(jìn)行處理和結(jié)果顯示，其典型的結(jié)構(gòu)如圖10.15所示。

圖10.15基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)框圖