基于FPGA的高速訪問(wèn)USB設(shè)備設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)FPGA訪問(wèn)USB設(shè)備存在傳輸速率低、資源消耗大、開(kāi)發(fā)復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出了一種將ARM處理器與FPGA相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高速訪問(wèn)USB設(shè)備的方案。該方案利用ARM處理器的USB Host讀取USB設(shè)備數(shù)據(jù)井緩存于高速內(nèi)存，采用乒乓機(jī)制通過(guò)SRAM接口將數(shù)據(jù)傳給FPGA。經(jīng)測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到48 Mbps。該方案具有開(kāi)發(fā)難度小，資源占用率低和傳輸速率高的特點(diǎn)，適合于FPGA高速讀取大量外部數(shù)據(jù)。

　　引言

　　目前FPGA通過(guò)USB接口獲取USB設(shè)備中數(shù)據(jù)的方案大致分為兩大類(lèi)，一類(lèi)為在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備控制，另一類(lèi)為在FPGA外部實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備控制。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的方案需要在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)USB控制器，在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)或者外接USB收發(fā)器。該方案的實(shí)現(xiàn)具有較大難度，同時(shí)由于USB協(xié)議和文件系統(tǒng)都相當(dāng)復(fù)雜，需要使用相當(dāng)多的FPGA資源，因此完全不能滿足快速開(kāi)發(fā)和低FPGA資源占用率的要求。在FPGA外部實(shí)現(xiàn)的方案通常使用單芯片的USB解決方案，典型的方案有兩種：一種是集成了USB控制器和USB收發(fā)器，但需自行實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)，如美國(guó)Cypress公司的CY7C67300;另一種是實(shí)現(xiàn)了包括文件系統(tǒng)在內(nèi)的所有USB讀取U盤(pán)所需的軟硬件，只需要FPGA發(fā)送命令進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)讀取U盤(pán)，如南京沁恒電子的CH376。在這兩類(lèi)方案中，CY7C67300集成度高，但其只支持USB 1.1，傳輸速率較低;同時(shí)需要FPGA對(duì)其進(jìn)行配置和控制及實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)，F(xiàn)PGA端的開(kāi)發(fā)量較大。CH376支持USB2.0接口，是一個(gè)真正的單芯片解決方案;但CH376只支持FAT16/32文件系統(tǒng)，不支持NTFS文件系統(tǒng)，無(wú)法讀取大于4 GB的大文件。另外，CH376需要FPGA進(jìn)行配置和控制，因此需要實(shí)現(xiàn)CH376的控制邏輯并占用一定的FPGA資源。

　　由于現(xiàn)有方案均存在數(shù)據(jù)傳輸速率低、FPGA開(kāi)發(fā)量大的缺點(diǎn)，本文提出了一種使用ARM+FPGA的方案，通過(guò)ARM處理器讀取USB設(shè)備數(shù)據(jù)并傳輸給FPGA，從而實(shí)現(xiàn)FPGA從USB設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。該方案既能達(dá)到較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能降低FPGA開(kāi)發(fā)量，同時(shí)還具有很高的靈活性。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)由ARM處理器、FPGA和USB設(shè)備構(gòu)成，F(xiàn)PGA通過(guò)內(nèi)部開(kāi)辟的異步RAM空間接收數(shù)據(jù)，ARM處理器負(fù)責(zé)將USB設(shè)備中數(shù)據(jù)通過(guò)并行總線轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA，USB設(shè)備支持常見(jiàn)的U盤(pán)、照相機(jī)、移動(dòng)硬盤(pán)等支持USB接口的從設(shè)備。本設(shè)計(jì)還將ARM處理器的兩個(gè)引腳與FPGA的通信。指令線用于ARM向FPGA發(fā)送準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噶?響應(yīng)線用于FPGA在接收到ARM的通知并準(zhǔn)備好后響應(yīng)ARM。與FPGA相連的DDR存儲(chǔ)器用于高速緩存大量圖像數(shù)據(jù)，支持常見(jiàn)的DDR、DDR2和DDR3等類(lèi)型。

　　1.1 ARM處理器選擇

　　本方案選用的ARM處理器為韓國(guó)三星公司的S5PV210。S5PV210是一款基于ARM Cortex—A8內(nèi)核的RSIC處理器，該芯片擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力、豐富的內(nèi)部資源和外部接口，主頻高達(dá)1 GHz，同時(shí)它還擁有優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器接口。外部存儲(chǔ)器接口為異步接口，時(shí)鐘頻率為133MHz，位寬為16位，具有完善且可調(diào)的時(shí)序控制功能，可用于連接ROM、SRAM、oneNAND、NAND Flash等多種存儲(chǔ)器，能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求。本方案使用這個(gè)接口完成數(shù)據(jù)從ARM處理器到FPGA的高速傳輸。

　　1.2 ARM與FPGA接口設(shè)計(jì)

　　本方案將FPGA異步RAM連接在ARM處理器的XM0內(nèi)存總線上，作為一個(gè)位寬為16位的SRAM使用，其對(duì)應(yīng)的硬件地址為0x10000000到0x1000 1002，共4 098字節(jié)。由于異步RAM的位寬為16位，故只需使用地址線ADDR 1～ADDR 13。指令線連接ARM處理器的GPIO引腳，方向?yàn)檩敵?，高電平有效。響?yīng)線連接ARM處理器的中斷引腳，方向?yàn)檩斎?，上升沿有效?/p>

　　1.3 軟件設(shè)計(jì)

　　在本方案中，ARM處理器以幀為單位向FPGA傳輸數(shù)據(jù)。每幀長(zhǎng)度為4 098字節(jié)，其中，幀頭長(zhǎng)度為2字節(jié)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4 096字節(jié)。幀格式如圖2所示。

　　幀類(lèi)型的取值為：此幀不是最后幀為00，此幀是最后幀則為11。幀長(zhǎng)度為幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位。

　　本方案所設(shè)計(jì)的軟件分為兩個(gè)部分一一驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，軟件總體框圖如圖3所示。驅(qū)動(dòng)程序在Linux系統(tǒng)中注冊(cè)硬件并提供控制硬件的功能函數(shù)，以供應(yīng)用程序調(diào)用。應(yīng)用程序使用驅(qū)動(dòng)程序提供的功能函數(shù)控制硬件，完成整個(gè)傳輸過(guò)程。軟件總體流程圖如圖4所示。

　　1.3.1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　本方案涉及3種驅(qū)動(dòng)程序：USB驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序和FPGA驅(qū)動(dòng)程序。

　　Linux系統(tǒng)有豐富完善的USB設(shè)備和文件系統(tǒng)支持。本方案使用Linux系統(tǒng)中自帶的USB Mass Storage驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序，自行編寫(xiě)FPGA驅(qū)動(dòng)程序。FPGA驅(qū)動(dòng)程序基于Linux系統(tǒng)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型進(jìn)行編寫(xiě)。FPGA驅(qū)動(dòng)程序的主要函數(shù)有初始化函數(shù)init()、寫(xiě)入中斷服務(wù)函數(shù)write_int()、寫(xiě)入函數(shù)write()。

　　初始化函數(shù)init()首先將FPGA異步RAM對(duì)應(yīng)的硬件地址0x10000000～0x10001002映射為L(zhǎng)inux系統(tǒng)中的內(nèi)存虛擬地址A到A+4098(設(shè)映射的內(nèi)存虛擬地址起始為A)，實(shí)現(xiàn)在Linux系統(tǒng)中直接向異步RAM寫(xiě)入數(shù)據(jù)。然后，設(shè)置指令線、響應(yīng)線所對(duì)應(yīng)的寄存器。將指令線的方向設(shè)置為輸出，并輸出低電平;響應(yīng)線的方向設(shè)置為中斷輸入。最后，函數(shù)將響應(yīng)線中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)置為write_int()。

　　寫(xiě)入函數(shù)write()與寫(xiě)入中斷服務(wù)函數(shù)write_int()配合，完成一次數(shù)據(jù)傳輸：

　　①當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用寫(xiě)入函數(shù)后，函數(shù)首先設(shè)置指令線為高電平指示FPGA準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)，然后將驅(qū)動(dòng)程序置于休眠狀態(tài)，等待喚醒。

　　②FPGA收到指令后判斷現(xiàn)在能否傳輸數(shù)據(jù)，如果能，則在中斷線上發(fā)送一個(gè)上升沿。ARM處理器捕捉到該上升沿后，調(diào)用write_int()，喚醒驅(qū)動(dòng)程序。

　?、垓?qū)動(dòng)程序被喚醒后，繼續(xù)執(zhí)行write()。write()函數(shù)首先根據(jù)應(yīng)用程序提供的參數(shù)生成幀頭，并將幀頭寫(xiě)入地址ADDR和ADDR+1，完成幀頭的傳輸。隨后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入地址ADDR+2及其后的地址，完成數(shù)據(jù)的傳輸。

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