基于Verilog的FPGA与USB 2.0高速接口设计

基于Verilog的FPGA与USB 2.0高速接口 基于Verilog的FPGA与USB 2(0高速接口设 计 0 引 言 USB(通用串行总线)是英特尔、微软、IBM、康柏等公司1994年联合制定的一种通用串行总线，它具有数据传输速度快，成本低，可靠性高，支持即插即用和热插拔等优点，迅速得到广泛应用。 在高速的数据采集或传输中，目前使用较多的都是采用USB 2(0接口控制器和FPGA或DSP实现的，本设计在USB 2(0接口芯片CY7C68013的Slave FIFO模式下，利用FPGA作为外部主控制器实现对FX2 USB内部的FIFO进行控制，以实现数据的高速传输。该模块可普遍适用于基于USB 2(0接口的高速数据传输或采集中。 l 系统硬件模块设计 1(1 系统硬件框图 图1中展示了Slave FIFO方式下FX2 USB和FPGA的典型连接。其中，FD[7((O]为8位双向数据总线FLAGA~FLAGC为FX2内FIFO的标志管脚，映射FIFO的当前状态;SLCS为Slave FIFO的片选信号;SLOE用于使能数据总线FD的输出;FIFOADR[1((0]用于选择和FD连接的端点缓冲区(00代表端点2，01代表端点 4，10代表端点6，11代表端点8);SLRD和SLWR可分别作为FIFO的读写选通信号。 1(2 USB 2(0接口芯片CY7C68013 1(2(1 CY7C68013的结构特点 Cypress公司的USB FX2是第一个包含USB 2(0的集成微控制器，它内部集成了1个增强型的8051，1个智能USB串行接口引擎，1个USB数据收发器，3个8位I,O口，16位地址线，8(5 KB RAM和4 KBFIFO等。增强性8051内核完全与8051兼容，而性能可达到标准8051的3倍以上。其框图如图2所示。 Shen Longbao look in the eyes, for a chance to kill him. Shen Longbao behind smart to keep gendarmes, picked up a brick reservoir in cotton vest, walked into a small alley corner, seeing four weeks nobody will step up and pulled out bricks Asahi on military police knocked down. Unsuspecting Japanese military police was flaccid paralysis. Shen Longbao picked the Japanese military police gun in cotton vest, leave 1(2(2 CY7C68013的工作模式 CY7C68013有Ports模式、Slave FIFO和GPIF三种接口方式。 Ports模式是一种最基本的数据传输方式，其数据传输主要由固件程序完成，需要CPU的参与，因此数据传输速率比较低，适用于传输速率要求不高的场合。 Slave FIFO方式是从机方式，外部控制器，如FPGA，可像对普通FIFO一样对FX2的多层缓冲FIFO进行读写。FX2内部的FIFO提供所需的时序信号、握手信号(满、空等)和输出使能等。这里就是在Slave FIFO模式下实现USB 2(O接口和FPGA的数据通信。 可编程接口GPIF是主机方式，GPIF作为内部主机控制端点FIFO，可以软件编程读写控制波形，几乎可以对任何8,16 b接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写，非常灵活。 2 系统软件模块设计 2(1 USB固件程序设计 应用中采用异步FIFO方式，使用内部48 MHz时钟，自动方式，固件程序采用Cypress公司提供的固件程序框架，在其初始化中添加了用户配置代码。该设计中异步自动从属FIFO数据传输的初始化代码如下: Shen Longbao look in the eyes, for a chance to kill him. Shen Longbao behind smart to keep gendarmes, picked up a brick reservoir in cotton vest, walked into a small alley corner, seeing four weeks nobody will step up and pulled out bricks Asahi on military police knocked down. Unsuspecting Japanese military police was flaccid paralysis. Shen Longbao picked the Japanese military police gun in cotton vest, leave 2(2 FPGA控制程序设计 CY7C68013A提供的端口FIFO的读写操作，与普通FIFO读写操作方式一样。CY7C68013A为每个端口提供了“空”标志、“满”标志和“ 可编程级”标志。FPGA检测这些信号，用于控制读写的过程。FPGA在完成这些端口FIFO的操作时，采用Verilog HDL硬件描述语言实现了FIFO的读写时序，并在ALTERA公司提供的Quartus?8(O开发工具中综合编译并映射到FPGA中运行。 2(2(1 从属FIFO异步“读”操作 实现异步从属FIFO“读”的状态机如图3所示。其状态转移进程如下: Shen Longbao look in the eyes, for a chance to kill him. Shen Longbao behind smart to keep gendarmes, picked up a brick reservoir in cotton vest, walked into a small alley corner, seeing four weeks nobody will step up and pulled out bricks Asahi on military police knocked down. Unsuspecting Japanese military police was flaccid paralysis. Shen Longbao picked the Japanese military police gun in cotton vest, leave IDLE:当“写”事件发生时，转到状态1。 状态1:指向OUT FIFO，激活FIFOADR[1:O]，转向状态2。 状态2:激活SLOE，如果FIFO空标志为“假”(FIFO不空)，则转向状态3;否则停留在状态2。 状态3:激活SLOE，SLRD，传送总线采样数据;撤销激活SLRD(指针加1)和SLOE，转向状态4。 状态4:如果有更多的数据要求，则转向状态2;否则转向IDLE。 实现以上状态机的仿真波形如图4所示。 2(2(2 从属FIFO异步“写”操作 实现异步从属FIFO“写”的状态机如图5所示。其状态转移进程如下: Shen Longbao look in the eyes, for a chance to kill him. Shen Longbao behind smart to keep gendarmes, picked up a brick reservoir in cotton vest, walked into a small alley corner, seeing four weeks nobody will step up and pulled out bricks Asahi on military police knocked down. Unsuspecting Japanese military police was flaccid paralysis. Shen Longbao picked the Japanese military police gun in cotton vest, leave IDLE:当写事件发生时，转到状态1。 状态1:指向IN FIFO，激活FIFOADR[1:O]，转向状态2。 状态2:如果FIFO满标志为“假”(FIFO不满)，则转向状态3;否则停留在状态2。 状态3:传送总线驱动数据。为一个IFCLK激活SLWR，转向状态4。 状态4:如果有更多的数据要写，则转向状态2;否则转向IDLE。 用Quartus?进行仿真验证，其仿真波形如图6所示，在此过程中USB_SLWR信号很重要，经可知，本状态机实现的FIFO写控制信号完全正确。 3 实验结果 对传输的数据进行验证，可通过FPGA编程生成O,255的数据传送至CY7C68013的EP6端点，连续传送两次，然后利用EZ一USB Control Panel软件测试所接收到的数据，测试结果如图7所示，可以看出，数据传输准确无误。 Shen Longbao look in the eyes, for a chance to kill him. Shen Longbao behind smart to keep gendarmes, picked up a brick reservoir in cotton vest, walked into a small alley corner, seeing four weeks nobody will step up and pulled out bricks Asahi on military police knocked down. Unsuspecting Japanese military police was flaccid paralysis. Shen Longbao picked the Japanese military police gun in cotton vest, leave 4 结 语 USB 2(0控制器CY7C68013已经被广泛应用到许多数据传输领域，由于USB具有灵活 的接口和可编程特性，大大简化了外部硬件的设计，提高了系统可靠性。该设计可扩展性好，已经被应用于数据传输与采集的板卡上，经实际测试，没有出现数据的误码等错误，数据传 送正确，传输速率可达30 MHz,s以上，满足设计要求。 Shen Longbao look in the eyes, for a chance to kill him. Shen Longbao behind smart to keep gendarmes, picked up a brick reservoir in cotton vest, walked into a small alley corner, seeing four weeks nobody will step up and pulled out bricks Asahi on military police knocked down. Unsuspecting Japanese military police was flaccid paralysis. Shen Longbao picked the Japanese military police gun in cotton vest, leave