《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 可編程邏輯 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于Verilog的FPGA與USB 2.0高速接口設(shè)計(jì)
基于Verilog的FPGA與USB 2.0高速接口設(shè)計(jì)
摘要: 在高速的數(shù)據(jù)采集或傳輸中,,目前使用較多的都是采用USB 2.0接口控制器和FPGA或DSP實(shí)現(xiàn)的,,本設(shè)計(jì)在USB 2.0接口芯片CY7C68013的Slave FIFO模式下,,利用FPGA作為外部主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)FX2 USB內(nèi)部的FIFO進(jìn)行控制,,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸,。該模塊可普遍適用于基于USB 2.0接口的高速數(shù)據(jù)傳輸或采集中,。
關(guān)鍵詞: FPGA Verilog USB 高速接口 Quartus
Abstract:
Key words :

  0 引 言

  USB(通用串行總線)是英特爾,、微軟,、IBM,、康柏等公司1994年聯(lián)合制定的一種通用串行總線規(guī)范,,它具有數(shù)據(jù)傳輸速度快,成本低,,可靠性高,,支持即插即用和熱插拔等優(yōu)點(diǎn),迅速得到廣泛應(yīng)用,。

  在高速的數(shù)據(jù)采集或傳輸中,,目前使用較多的都是采用USB 2.0接口控制器和FPGA或DSP實(shí)現(xiàn)的,本設(shè)計(jì)在USB 2.0接口芯片CY7C68013的Slave FIFO模式下,,利用FPGA作為外部主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)FX2 USB內(nèi)部的FIFO進(jìn)行控制,,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。該模塊可普遍適用于基于USB 2.0接口的高速數(shù)據(jù)傳輸或采集中,。

  l 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

  1.1 系統(tǒng)硬件框圖

  圖1中展示了Slave FIFO方式下FX2 USB和FPGA的典型連接,。其中,F(xiàn)D[7..O]為8位雙向數(shù)據(jù)總線FLAGA~FLAGC為FX2內(nèi)FIFO的標(biāo)志管腳,,映射FIFO的當(dāng)前狀態(tài),;SLCS為Slave FIFO的片選信號(hào);SLOE用于使能數(shù)據(jù)總線FD的輸出,;FIFOADR[1..0]用于選擇和FD連接的端點(diǎn)緩沖區(qū)(00代表端點(diǎn)2,,01代表端點(diǎn) 4,10代表端點(diǎn)6,,11代表端點(diǎn)8),;SLRD和SLWR可分別作為FIFO的讀寫選通信號(hào)。

Slave FIFO方式下FX2 USB和FPGA的典型連接

  1.2 USB 2.0接口芯片CY7C68013

  1.2.1 CY7C68013的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

  Cypress公司的USB FX2是第一個(gè)包含USB 2.0的集成微控制器,它內(nèi)部集成了1個(gè)增強(qiáng)型的8051,,1個(gè)智能USB串行接口引擎,,1個(gè)USB數(shù)據(jù)收發(fā)器,3個(gè)8位I/O口,,16位地址線,,8.5 KB RAM和4 KBFIFO等。增強(qiáng)性8051內(nèi)核完全與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容,,而性能可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)8051的3倍以上,。其框圖如圖2所示。

CY7C68013內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

  1.2.2 CY7C68013的工作模式

  CY7C68013有Ports模式,、Slave FIFO和GPIF三種接口方式。

  Ports模式是一種最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式,,其數(shù)據(jù)傳輸主要由固件程序完成,,需要CPU的參與,因此數(shù)據(jù)傳輸速率比較低,,適用于傳輸速率要求不高的場(chǎng)合,。

  Slave FIFO方式是從機(jī)方式,外部控制器,,如FPGA,,可像對(duì)普通FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。FX2內(nèi)部的FIFO提供所需的時(shí)序信號(hào),、握手信號(hào)(滿,、空等)和輸出使能等。這里就是在Slave FIFO模式下實(shí)現(xiàn)USB 2.O接口和FPGA的數(shù)據(jù)通信,。

  可編程接口GPIF是主機(jī)方式,,GPIF作為內(nèi)部主機(jī)控制端點(diǎn)FIFO,可以軟件編程讀寫控制波形,,幾乎可以對(duì)任何8/16 b接口的控制器,、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫,非常靈活,。

  2 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

  2.1 USB固件程序設(shè)計(jì)

  應(yīng)用中采用異步FIFO方式,,使用內(nèi)部48 MHz時(shí)鐘,自動(dòng)方式,,固件程序采用Cypress公司提供的固件程序框架,,在其初始化函數(shù)中添加了用戶配置代碼。該設(shè)計(jì)中異步自動(dòng)從屬FIFO數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟a如下:

程序

程序

  2.2 FPGA控制程序設(shè)計(jì)

  CY7C68013A提供的端口FIFO的讀寫操作,,與普通FIFO讀寫操作方式一樣,。CY7C68013A為每個(gè)端口提供了“空”標(biāo)志、“滿”標(biāo)志和“ 可編程級(jí)”標(biāo)志,。FPGA檢測(cè)這些信號(hào),,用于控制讀寫的過程,。FPGA在完成這些端口FIFO的操作時(shí),采用Verilog HDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了FIFO的讀寫時(shí)序,,并在ALTERA公司提供的QuartusⅡ8.O開發(fā)工具中綜合編譯并映射到FPGA中運(yùn)行,。

  2.2.1 從屬FIFO異步“讀”操作

  實(shí)現(xiàn)異步從屬FIFO“讀”的狀態(tài)機(jī)如圖3所示。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移進(jìn)程如下:

  IDLE:當(dāng)“寫”事件發(fā)生時(shí),,轉(zhuǎn)到狀態(tài)1,。

實(shí)現(xiàn)異步從屬FIFO

  狀態(tài)1:指向OUT FIFO,激活FIFOADR[1:O],,轉(zhuǎn)向狀態(tài)2,。

  狀態(tài)2:激活SLOE,如果FIFO空標(biāo)志為“假”(FIFO不空),,則轉(zhuǎn)向狀態(tài)3,;否則停留在狀態(tài)2。

  狀態(tài)3:激活SLOE,,SLRD,,傳送總線采樣數(shù)據(jù);撤銷激活SLRD(指針加1)和SLOE,,轉(zhuǎn)向狀態(tài)4,。

  狀態(tài)4:如果有更多的數(shù)據(jù)要求,則轉(zhuǎn)向狀態(tài)2,;否則轉(zhuǎn)向IDLE,。

  實(shí)現(xiàn)以上狀態(tài)機(jī)的仿真波形如圖4所示。

狀態(tài)機(jī)的仿真波形

  2.2.2 從屬FIFO異步“寫”操作

  實(shí)現(xiàn)異步從屬FIFO“寫”的狀態(tài)機(jī)如圖5所示,。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移進(jìn)程如下:

異步從屬FIFO

 

  IDLE:當(dāng)寫事件發(fā)生時(shí),,轉(zhuǎn)到狀態(tài)1。

  狀態(tài)1:指向IN FIFO,,激活FIFOADR[1:O],,轉(zhuǎn)向狀態(tài)2。

  狀態(tài)2:如果FIFO滿標(biāo)志為“假”(FIFO不滿),,則轉(zhuǎn)向狀態(tài)3,;否則停留在狀態(tài)2。

  狀態(tài)3:傳送總線驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),。為一個(gè)IFCLK激活SLWR,,轉(zhuǎn)向狀態(tài)4。

  狀態(tài)4:如果有更多的數(shù)據(jù)要寫,,則轉(zhuǎn)向狀態(tài)2,;否則轉(zhuǎn)向IDLE。

  用QuartusⅡ進(jìn)行仿真驗(yàn)證,其仿真波形如圖6所示,,在此過程中USB_SLWR信號(hào)很重要,,經(jīng)分析可知,本狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的FIFO寫控制信號(hào)完全正確,。

FPGA寫FIFO仿真波形

  3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,,可通過FPGA編程生成O~255的數(shù)據(jù)傳送至CY7C68013的EP6端點(diǎn),連續(xù)傳送兩次,,然后利用EZ一USB Control Panel軟件測(cè)試所接收到的數(shù)據(jù),,測(cè)試結(jié)果如圖7所示,可以看出,,數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無誤,。

FPGA到USB數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果

  4 結(jié) 語

  USB 2.0控制器CY7C68013已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到許多數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域,由于USB具有靈活的接口和可編程特性,,大大簡(jiǎn)化了外部硬件的設(shè)計(jì),,提高了系統(tǒng)可靠性。該設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性好,,已經(jīng)被應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸與采集的板卡上,經(jīng)實(shí)際測(cè)試,,沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)的誤碼等錯(cuò)誤,,數(shù)據(jù)傳送正確,傳輸速率可達(dá)30 MHz/s以上,,滿足設(shè)計(jì)要求,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。