USB2．0接口传输的FPGA控制与实现

摘要：为解决PC与FPAG的高速数据传输，通过USB实现了PC和FPGA的通信。介绍了USB接口芯片CY7C68013的基本工作原理；编写了USB固件程序和应用程序；利用从属FIFO方式，实现了数据的快速读写。测试结果表明，利用FPGA控制USB器件CY7C68013可实现高速数据传输，传输数据可靠性高。该方案完全可满足各种高速数据采集系统、移动硬盘、ATA和DSL调制解调器等接口的需要。
关键词：USB；CY7C68013；FPGA；固件；应用程序

0 引言
     1994年，Compaq、Intel、Microsoft、NEC等7家世界著名的计算机和通讯公司成立了USB论坛。1995年11月正式制订了USB通用串行总线(universal serial Bus)规范。USBl．1主要应用在中低速外部设备上，它支持的传输速率有低速1．5 Mbps和全速12 Mbps。1999年初在Intel的开发者论坛大会上，介绍了USB2．0规范。最新的USB2．0支持3种速率：低速1．5 Mbps、全速12 Mbps和高速480 Mbps。这3种速率可以满足目前大部分外设接口的需要。本文介绍了目前使用较多的USB2．0控制器CY7C68013与FPGA接口的VHDL实现。本系统可扩展，完全可用于其他高速数据采集、高速数据通信系统中，可以支持宽带数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备等。

1 CY7C68013简介
    CYPRESS半导体公司的EZ-USB FX2系列芯片是最早符合USB2．0协议的微控制器之一，以其良好的性能和独特的设计在USB接口开发领域占有重要的地位。CY7C68013是EZ-USB FX2系列芯片中的一款高性能USB2．0微控制器，它提供了全面的USB2．0外围设备解决方案。
    CY7C68013将USB外围接口设备所需的各种功能集成在一个单片电路上，通过集成的USB收发器连接到USB总线的D+和D一端；串行接口引擎(SIE)进行译码、编码、错误纠正和位填充，变换USB所需的信号电平；最终，从USB接口SIE发送和接收数据。USB2．0控制器CY7C68013数据传输速率快，可支持移动硬盘、ATA、FPGA和DSL调制解调器等接口。CY7C68013主要具有如下特性：
    (1)芯片内有480 Mb／s的收发器(PLL和智能SIE)，包含全部USB2．O物理层(PHY)；
    (2)2、3、4倍增缓冲端点FIFO，以适应480 Mb／s的USB2．O传输速率；
    (3)内部嵌入可运行在48 MHz频率的增强型8051内核；
    (4)4个接口FIFO：它们都可以由外部和内部来提供时钟，端点FIFO与接口FIFO两者相结合可以实现缩短USB和外部逻辑电路数据传输的时间；
    (5)通用可编程接口(CPIF)作为一种编码状态设备，可实现时序管理，使得CY7C68013 FIFO达到无缝连接。CY7C68013集成了很多功能，设计时无需考虑外部物理层(PHY)，从而大大降低了成本，并减少了芯片间高速信号布线的困难。

2 系统的设计实现
    系统结构如图l所示，本设计中，应用程序是用户界面；USB驱动用于连接用户和底层硬件；USB2．O控制器68013用于FPGA和PC间的数据交互。

2．1 硬件结构
    本系统硬件连接主要是由FPGA和USB2．0控制器，如图2所示。同时也可以根据实际系统的需要，用FPGA实现预定功能，硬件接口模式有Slave FIFO和GPIF两种接口模式。本方案采用Slave FIFO模式，当EZ-USB FX2工作于Slave FIFO时，外围电路可像普通FIFO一样对FX2中的端点2、端点4、端点6、端点8的数据缓冲区进行读写。图2展示了这种模式下FX2和外围电路的典型连接，其中，IFCLK为接口时钟，可由芯片CY7C68013产生(30 MHz／40 MHz)，也可由外部输入(5MHz／48 MHz)；FLAGA-FLAGD为FIFO标志管脚，用于映射FIFO的当前状态；SLCS#为从属FIFO的片选信号，低电平有效；FD[15∶O]为16位双向数据总线；FIFOADDR[1∶O]用于选择和FD连接的端点缓冲区；SLOE用于使能数据总线FD的输出；SLRD和SLRWR可分别作为FIFO的读写选通信号；外围电路可通过使能PKTEND管脚向USB发送一个IN数据包，而不用考虑该包的长度。

2．2 系统软件
    系统软件设计主要包括3部分：VHDI代码、USB固件程序(Firmware)以及应用程序。
2．2．1 VHDL程序设计
    FPGA是通过Slave FIFO的方式和USB控制器CY7C68013相连的。FPGA读取数据，通过查询CY7C68013中FIFO的状态来判断是否可以进行读数据，主要是查询状态标志位FLAGC。读数据程序状态转移图如图3所示。

    状态1：在空闲时，接到命令，发起传输，使地址指向用于下传数据的FIFO。进入状态2；
    状态2：查询读状态的FIFO标志FLAGC，如果为FIFO为空，则继续等待，如果有数据则进入状态3；
    状态3：使读数据信号线有效，接收数据，接收完数据后进入状态4；
    状态4：如果FIFO中还有数据需要接收，则进如状态2，否则进入空闲状态。
    FPGA在上传数据时，原理基本相同，方向相反，采用不同的FIFO和查询状态标志位。
2．2．2 固件编程
    固件编程就是对USB设备的各类寄存器进行配置的过程。固件程序是指运行在设备CPU中的程序，只有在固件程序运行时，外设才称之为具有给定功能的外部设备。固件要完成以下主要工作：
    (1)初始化工作；
    (2)对设备进行重新列举(ReNumeration)；
    (3)响应中断，并对中断作相应的处理；
    (4)数据的接收与发送；
    (5)外围电路的控制。
    为了简化固件编程，CYPRESS提供了开发固件库和固件编程框架，只需在此基础上添加少量代码就可以完成固件编程。USB建立固件编程框架的文件见表1，在实际编程过程中，根据自定义，只需要修改Periph．c和Dscr．a51两个文件。固件代码固化到一片EEPROM中，设备加电后由FX2通过I2C总线自动加载到片内RAM后自动执行。设备功能、工作方式等均可以通过改写固件程序，重新配置。

2．2．3 应用程序
    应用程序是系统与用户的接口，设备驱动程序提供应用程序访问底层硬件的接口。驱动程序采用了CyPress公司的通用驱动程序ezusb.-sys，完全能够满足本系统设计的要求。在驱动程序被系统加载后，它的许多进程处于Idle状态，需要应用程序去调用激活。应用程序利用Win32 API直接调用驱动程序，实现应用程序和驱动程序的信息交互。
    应用程序实现了数据下载和数据上传两个功能，在Windows操作系统中，只需要通过调用几条简单的文件操作API函数，就可以实现与驱动程序中USB设备通信。 Win32应用程序调用WDM驱动程序的Win32 API函数有5个：CreateFile(创建设备)函数；CloseFile(关闭设备)函数；ReadFile(从设备读取数据)函数；WriteFile(对设备写入数据)函数；DeviceContronl(设备控制)函数。对于DeviceloControl()函数的调用，驱动程序根据I／O控制命令来决定该如何获取应用程序的缓冲区地址。
    本设计就采用DeviceloControl函数来进行应用程序和WDM设备驱动程序间的通信。以下是DevicelIoControl的声明：
    DeviceIoControl(
    HANDLE hDevice；设备返回的句柄
    DWORD dwIoControlCode；驱动程序的控制命令
    LPVOID lpInBuffer；应用程序发给驱动程序的缓冲区地址
    DWORD nInBufferSize；应用程序发给驱动程序的缓冲区大小
    LPVOID lpOutBuffer；驱动发给应用程序的缓冲区地址
    DWORD lpOutBuffer；驱动发给应用程序的缓冲区大小
    LPDWORD lpBytesReturned；存放驱动程序实际返回字节数
    LPOVERLAPPED lpOverlapped；同步时置为NULL)

3 测试结果
3．1 PC下传数据
    FPGA采用系统时钟为50 M，为便于计算传输效率和传输可靠性，在应用程序中加载计时函数，下传数据每次发送100M，发送数据为位宽8 b的循环递增数列，结果显示下传数据最大速率为42．1 MB／s，在FPGA中用嵌入式逻辑分析仪查看接收的数据，如图4所示。每个u_slrd读脉冲，FPGA读取一个16 b数据，由于发送时是按照8 b发送，接收数据是16 b，所以每次接收到的16位数据，是2个8位数的组合。从图4中可以看出FPGA接收数据准确，无丢失数据的情况。

3．2 PC接收数据
    在接收数据时，同理，应用程序每次接收100 M，将读取的数据以文件bin的形式存储在应用程序工程目录下，结果显示bin文件中数据准确。测得最大传输结果为 38.4MB／s，利用FPGA嵌入式逻辑分析仪分析结果如图5所示，每个u_slwr读脉冲，FPGA发送一个16 b数据。

4 结束语
    本系统通过FPGA控制USB2．O控制器CY7C68013达到高速数据传输的目的，具有硬件结构简单、软件扩展性强、传输数据准确性高等特点，目前下传和上传速度分别为42．1MB／s和38．4 MB／s，完全可以应用于高速数据采集、高速数据通信、数字摄像设备及存储设备等。