基于FPGA NANO2開發(fā)板實現(xiàn)USB2.0接口通信的設(shè)計方案

基于FPGA實現(xiàn)USB2.0接口通信， USB2.0 PHY芯片是Cypress68013， 68013內(nèi)部集成8051 內(nèi)核，USB2.0芯片讀寫需要對8051核進行固件配置。

一．FX2特性介紹

1．1、介紹

Cypress Semiconductor公司的EZ－USB FX2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）、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達到56Mbytes/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，從而減少了開發(fā)時間和確保了USB的兼容性。GPIF（General Programmable Interface）和主/從端點FIFO（8位或16位數(shù)據(jù)總線）為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了簡單和無縫連接接口。

1．2、結(jié)構(gòu)

CY7C68013結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。它有三種封裝形式：56SSOP，100TQFP和128TQFP。

1．3、特征

★ 內(nèi)嵌480MBit/s的收發(fā)器，鎖相環(huán)PLL，串行接口引擎SIE——集成了整個USB 2.0協(xié)議的物理層。

★ 為適應(yīng)USB 2.0的480MBit/s的速率，F(xiàn)IFO端點可配置成2，3，4個緩沖區(qū)。

★ 內(nèi)嵌可工作在48MHz的增強型8051，它具有以下特征：

- 具有256Byte的寄存器空間，兩個串口，三個定時器，兩個數(shù)據(jù)指針。

- 四個機器周期（工作在48MHz下時為83.3ns）即組成一個指令周期。

- 特殊功能寄存器（包括I/O口控制寄存器）可高速訪問。

- 應(yīng)用USB向量中斷，具有極短的ISR響應(yīng)時間。

- 只用作USB事務(wù)管理，控制，不參與數(shù)據(jù)傳輸，較好地解決了USB高速模式的帶寬問題。

★ “軟配置”——USB固件可由USB總線下載，片上不需集成ROM。

★ 擁有四個FIFO接口，可工作在內(nèi)部或外部時鐘下。端點和FIFO接口的應(yīng)用使外部邏輯和USB總線可高速連接。

★ 內(nèi)嵌通用可編程接口GPIF，它是一個狀態(tài)機，可充當(dāng)主控制器，提供外部邏輯和USB總線的“無膠粘貼”。

★ 一種單片USB 2.0外設(shè)解決方案，不需要外部的協(xié)議物理層，F(xiàn)X2把所有的功能集成在一個芯片上。

二、Slave FIFO傳輸

2．1、概述

當(dāng)有一個與FX2芯片相連的外部邏輯只需要利用FX2做為一個USB 2.0接口而實現(xiàn)與主機的高速通訊，而它本身又能夠提供滿足Slave FIFO要求的傳輸時序，可以做為Slave FIFO主控制器時，即可考慮用此傳輸方式。

Slave FIFO傳輸?shù)氖疽鈭D如下：

在這種方式下，F(xiàn)X2內(nèi)嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相關(guān)的寄存器以及控制FX2何時工作在Slave FIFO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Slave FIFO模式下后，外部邏輯（如FPGA）即可按照Slave FIFO的傳輸時序，高速與主機進行通訊，而在通訊過程中不需要8051固件的參與。

2．2、硬件連接（標(biāo)準(zhǔn)）

在Slave FIFO方式下，外部邏輯與FX2的連接信號圖如下：

IFCLK：FX2輸出的時鐘，可做為通訊的同步時鐘；

FLAGA，F(xiàn)LAGB，F(xiàn)LAGC，F(xiàn)LAGD：FX2輸出的FIFO狀態(tài)信息，如滿，空等；

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

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

SLRD：FIFO讀信號，外部邏輯控制，同步讀時，F(xiàn)IFO指針在SLRD有效時的每個IFCLK的上升沿遞增，異步讀時，F(xiàn)IFO讀指針在SLRD的每個有效—無效的跳變沿時遞增；

SLWR：FIFO寫信號，外部邏輯控制，同步寫時，在SLWR有效時的每個IFCLK的上升沿時數(shù)據(jù)被寫入，F(xiàn)IFO指針遞增，異步寫時，在SLWR的每個有效—無效的跳變沿時數(shù)據(jù)被寫入，F(xiàn)IFO寫指針遞增；

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

FD［15:0］：數(shù)據(jù)線；

FIFOADR［1:0］：選擇四個FIFO端點的地址線，外部邏輯控制。

2．3、 Slave FIFO的幾種傳輸方式

2．3．1 、同步Slave FIFO寫

同步Slave FIFO寫的標(biāo)準(zhǔn)連接圖如下：

同步Slave FIFO寫的標(biāo)準(zhǔn)時序如下：

IDLE：當(dāng)寫事件發(fā)生時，進狀態(tài)1；

狀態(tài)1：使FIFOADR［1:0］指向IN FIFO，進狀態(tài)2；

狀態(tài)2：如FIFO滿，在本狀態(tài)等待，否則進狀態(tài)3；

狀態(tài)3：驅(qū)動數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，使SLWR有效，持續(xù)一個IFCLK周期，進狀態(tài)4；

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

狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖如下：

幾種情況的時序圖示意如下（FULL，EMPTY，SLWR，PKTEND均假定低有效）：

圖示FIFO中本來沒有數(shù)據(jù)，外部邏輯寫入第一個數(shù)據(jù)時的情況。

圖示假定FX2設(shè)定包大小為512字節(jié)，外部邏輯向FIFO端點中寫入的數(shù)據(jù)達512字節(jié)時的情況。此時FX2硬件自動將已寫入的512字節(jié)打成一包準(zhǔn)備進行傳輸，這個動作就和在普通傳輸中，F(xiàn)X2固件向FIFO端點中寫入512字節(jié)后，把512這個數(shù)寫入EPxBC中一樣，只不過這個過程是由硬件自動完成的。在這里可以看出“FX2固件不參與數(shù)據(jù)傳輸過程”的含義了。外部邏輯只須按上面的時序圖所示的時序向FIFO端點中一個一個字節(jié)（或字）地寫數(shù)，寫到一定數(shù)量，F(xiàn)X2硬件自動將數(shù)據(jù)打包傳輸，這一切均不需固件的參與，由此實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

圖示的是FIFO端點被寫滿時的情況。

2．3．2 、同步Slave FIFO讀：

同步Slave FIFO讀的標(biāo)準(zhǔn)連接圖如下：

同步Slave FIFO讀的標(biāo)準(zhǔn)時序如下：

IDLE：當(dāng)讀事件發(fā)生時，進狀態(tài)1；

狀態(tài)1：使FIFOADR［1:0］指向OUT FIFO，進狀態(tài)2；

狀態(tài)2：使SLOE有效，如FIFO空，在本狀態(tài)等待，否則進狀態(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IFCLK周期，以遞增FIFO讀指針，進狀態(tài)4；

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

狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖如下：

幾種情況的時序圖示意如下（FULL，EMPTY，SLRD，SLOE均假定低有效）：

圖示正常情況時的時序。

圖示FIFO被讀空時的情況。

幾種情況的時序圖示意如下（FULL，EMPTY，SLWR，PKTEND均假定低有效）：

圖示FIFO中本來沒有數(shù)據(jù)，外部邏輯寫入第一個數(shù)據(jù)時的情況。

三、測試USB接口：

對于USB接口的測試，本次實驗控制開發(fā)板上面的USB接口實現(xiàn)與PC機的通信。

用usb2.0線連接pc與開發(fā)板usb接口，先下載s3_dram.bit程序，在沒有掉電的情況下，打開相應(yīng)的EZ-USB軟件（ez-usb為usb2.0接口PC端驅(qū)動，安裝文件在 “CY7C68013開發(fā)相關(guān)工具” 目錄下）。

在使用前，接上USB2.0接口到PC端，PC端設(shè)備管理器可以識別到USB設(shè)備，如果沒有識別到USB設(shè)備，需要手動安裝驅(qū)動，驅(qū)動文件為ezusbw2k.inf（測試目錄下）的文件，手動選擇inf所在目錄。

啟動畫面如下圖：

上圖表示連接可以進行下面測試，通過EZ_USB軟件下載相應(yīng)固件s3_dpram.bit程序，slavefifo.hex文件在“下載bit”目錄下點擊Download，

雙擊打開相應(yīng)讀寫的usb接口VC程序（如下圖）

看到寫的測試現(xiàn)象，流過的數(shù)據(jù)速率。

應(yīng)用平臺 ：紅色颶風(fēng)NANO2

責(zé)任編輯：gt