徐超,，劉沖,王永綱 ?。ㄖ袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系,，安徽 合肥 230026）
摘要：FPGA因其具有高度的靈活性與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力而被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中,。USB2.0因其數(shù)據(jù)傳輸速率快和接口的多樣化而廣泛使用。以USB2.0控制器CY7C68013A為接口設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與FPGA中FIFO與寄存器之間的讀寫(xiě),。經(jīng)測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了47 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，接近USB2.0控制芯片的最高速率48 MB/s,。
關(guān)鍵詞：FPGA,；USB2.0；CY7C68013A,；數(shù)據(jù)傳輸
0引言
目前,，系統(tǒng)設(shè)備不斷向高速化、集成化,、低功耗的方向飛速發(fā)展,。而現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主流平臺(tái)之一,。FPGA具有高度的靈活性和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,，常被用來(lái)定制外設(shè)的控制器以及前端處理模塊。但FPGA并沒(méi)有提供和上位機(jī)之間直接通信的接口,，為了更方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析和保存,，就需要解決FPGA和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌趩?wèn)題。
USB2.0已經(jīng)廣泛使用于個(gè)人電腦中,，USB2.0相比于以前的USB版本在速度上有兩個(gè)很大的提升,。USB2.0協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）速度快，在高速塊傳輸,，最大數(shù)據(jù)字段的模式下,，最高可以達(dá)到60 MB/s［1］，本文設(shè)計(jì)的塊傳輸,，512 B數(shù)據(jù)字段的模式下,，可達(dá)53.2 MB/s； (2）連接簡(jiǎn)單,，可即插即用,；（3）可支持多設(shè)備采用“級(jí)聯(lián)”方式連接外設(shè)。
本文通過(guò)USB2.0 的外設(shè)控制器CY7C68013A,，實(shí)現(xiàn)了FPGA 和上位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸接口的設(shè)計(jì)［24］,，經(jīng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)能夠接近理論上的傳輸速度,。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
USB系統(tǒng)是一個(gè)主從系統(tǒng),，所有的命令是由主設(shè)備（上位機(jī)）發(fā)出，從設(shè)備接收到命令后,，執(zhí)行所要求的操作,。在主設(shè)備要求讀數(shù)據(jù)時(shí)，從設(shè)備才會(huì)向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),。圖1給出了整個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,。
系統(tǒng)讀寫(xiě)時(shí),，由上位機(jī)的應(yīng)用程序發(fā)起請(qǐng)求，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序接口（API）調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序,。驅(qū)動(dòng)程序控制USB控制器向CY7C68013A發(fā)送數(shù)據(jù),，CY7C68013A的SIE模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后根據(jù)內(nèi)部的固件程序通過(guò)GPIF模塊向FPGA發(fā)送時(shí)序波形并讀寫(xiě)數(shù)據(jù),。在對(duì)FPGA進(jìn)行讀寫(xiě)FIFO或者Register時(shí),，F(xiàn)PGA與USB芯片之間的控制信號(hào)由內(nèi)部的GPIF決定。2系統(tǒng)軟硬件組成
2.1USB2.0接口
USB2.0［5］的接口芯片采用CY7C68013A,。該芯片包含了USB2.0的集成微控制器,，內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型的8051CPU，該芯片負(fù)責(zé)配置芯片的工作方式,、數(shù)據(jù)流的控制等,，一個(gè)串行接口引擎SIE，解析USB協(xié)議,，實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的收發(fā),，以及可編程的其他外圍接口。該芯片還提供了一種獨(dú)特的架構(gòu),，是USB接口和應(yīng)用環(huán)境共享Slave FIFOs,，微控制器不需要參與數(shù)據(jù)的傳輸，這樣就大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率,。本文采用GPIF的模式,，通過(guò)對(duì)GPIF的編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。EZ-USB FX2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。
2.2FPGA的接口設(shè)計(jì)
FPGA不僅需要和內(nèi)部其他邏輯模塊連接,，還需要對(duì)USB的GPIF進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。因此,，為通用起見(jiàn),，設(shè)計(jì)FPGA接口實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的讀、寫(xiě)和FIFO的讀,、寫(xiě)操作,。 GPIF對(duì)FPGA的控制信號(hào)CTL只有三位,，能區(qū)分8種不同的狀態(tài),。為了讓FPGA能區(qū)分寄存器讀、寫(xiě)（包括地址和數(shù)據(jù)）以及FIFO的讀,、寫(xiě),、空閑等7種不同的狀態(tài)，CTL控制線(xiàn)的每種編碼決定了唯一的操作狀態(tài),?！ ?.3芯片固件程序設(shè)計(jì) 固件設(shè)計(jì)的核心是GPIF的設(shè)計(jì)［67］,，GPIF設(shè)計(jì)不當(dāng)以及上位機(jī)調(diào)用不合理會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的整體速度不高?！ PIF電路工作在48 MHz時(shí)鐘下,，數(shù)據(jù)線(xiàn)有16位,，兩個(gè)周期實(shí)現(xiàn)一次FIFO的讀寫(xiě),，故理論上能夠達(dá)到48 MB/s的傳輸速率。
本文采用了“量子FIFO”的處理結(jié)構(gòu),，很好地解決了USB高速模式的帶寬問(wèn)題,。 在GPIF高速數(shù)據(jù)傳輸中,，GPIF波形的描述符決定了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的時(shí)序,。通常用Cypress公司的GPIF工具進(jìn)行配置，在GPIF方式下,，所有的讀寫(xiě)和控制邏輯都可以通過(guò)軟件編程的形式實(shí)現(xiàn),，具有很大的靈活性。
由于GPIF的狀態(tài)機(jī)只能由一個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到兩個(gè)不同的狀態(tài),，而在FIFO讀寫(xiě)過(guò)程中需要檢測(cè)的變量和跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)比較多,，有時(shí)就需要進(jìn)行多級(jí)跳轉(zhuǎn)，這樣嚴(yán)重限制了數(shù)據(jù)的傳輸速度,。為解決這個(gè)問(wèn)題,，本文在分析了所有的跳轉(zhuǎn)情況后，將正常讀寫(xiě)FIFO的跳轉(zhuǎn)次數(shù)減少,，而將特殊情況跳轉(zhuǎn)次數(shù)增加,，使得兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行一次讀寫(xiě)操作，這樣保證了功能的實(shí)現(xiàn),，且保證了48 MB/s的讀寫(xiě)速度,。
圖3給出了FIFO讀操作模式下設(shè)計(jì)的GPIF的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。當(dāng)USB控制線(xiàn)設(shè)置為FIFO讀模式時(shí),，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)S1,此時(shí),，申請(qǐng)F(tuán)IFO數(shù)據(jù)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)USB數(shù)據(jù)總線(xiàn)，此時(shí)如果GPIF內(nèi)部的FIFO沒(méi)有問(wèn)題且FPGA給出以準(zhǔn)備好的信號(hào),，進(jìn)入S2狀態(tài),， S2申請(qǐng)讀FIFO，F(xiàn)IFO可讀,，則進(jìn)入狀態(tài)S3,，向USB總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果GPIF的FIFO沒(méi)有問(wèn)題且未讀完,，則回到狀態(tài)S2,，如此循環(huán),，直到數(shù)據(jù)讀完。讀完數(shù)據(jù)后,，最終會(huì)回到空閑狀態(tài),，表明本次數(shù)據(jù)傳輸完成。
從上面的過(guò)程中可以看出,，在兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成了一個(gè)16 bit數(shù)據(jù)的傳輸,，充分利用了USB2.0的數(shù)據(jù)帶寬，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率,?！ D4給出了FIFO寫(xiě)操作模式下的GPIF的轉(zhuǎn)換圖，與上面的分析類(lèi)似,，兩個(gè)周期內(nèi)就能夠完成一次數(shù)據(jù)傳輸,。
2.4驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
Cypress 提供了Windows系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)，并以C++靜態(tài)鏈接庫(kù)的形式提供了調(diào)用驅(qū)動(dòng)的函數(shù)庫(kù),。設(shè)計(jì)中在此基礎(chǔ)上封裝了讀寄存器,、寫(xiě)寄存器、讀FIFO,、寫(xiě)FIFO四個(gè)函數(shù),，并以DLL形式提供給用戶(hù)。上層使用的是MATLAB平臺(tái),，需要在該平臺(tái)上配置MEX編譯器,，并使用loadlibrary函數(shù)以加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，加載后便可以調(diào)用DLL里提供的讀寫(xiě)函數(shù)了,。DLL也能被其他平臺(tái)調(diào)用,。
3性能測(cè)試
為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案，本文在帶有CY7C68013A和XILINX ARTIX 7 的電路板上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和傳輸速度進(jìn)行了測(cè)試,。
3.1測(cè)試方法
對(duì)寄存器的讀寫(xiě)驗(yàn)證比較簡(jiǎn)單,，只需先通過(guò)DLL中的讀寫(xiě)寄存器函數(shù)對(duì)不同地址的寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作，然后讀出來(lái)進(jìn)行比對(duì)即可,。
而對(duì)FIFO讀操作驗(yàn)證,，需要在FPGA的內(nèi)部例化一個(gè)FIFO和一個(gè)計(jì)數(shù)器，并將計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)從0到65 535依次寫(xiě)入到FIFO中,，然后上層MATLAB中讀到的FIFO的值就應(yīng)該是從0到65 535依次遞增的序列,。而通過(guò)測(cè)量讀取一定數(shù)目的數(shù)據(jù)的時(shí)間就可以計(jì)算出USB的讀出速度。FIFO寫(xiě)操作的驗(yàn)證與FIFO讀類(lèi)似,，不過(guò)在將數(shù)據(jù)寫(xiě)進(jìn)FIFO后,，需要由FPGA將FIFO中的數(shù)據(jù)與期望的數(shù)列比較。
3.2測(cè)試結(jié)果
本文在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證,，對(duì)寄存器和FIFO的讀寫(xiě)操作完整正確,，對(duì)FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)的實(shí)測(cè)速度達(dá)到了47 MB/s,，接近于理論上的48 MB/s。4結(jié)論 本文在USB2.0協(xié)議的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了FPGA與上位機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),，驗(yàn)證了該方案?jìng)鬏敂?shù)據(jù)的正確性并且實(shí)測(cè)速度能夠達(dá)到47 MB/s，接近于理論上的48 MB/s傳輸速度,。該方案具有穩(wěn)定,、高速以及調(diào)用方便的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中,。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 王成儒, 李英偉. USB2.0 原理與工程開(kāi)發(fā)［M］. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2004
?。?］ 譚安菊,龔彬. USB2.0控制器CY7C68013與FPGA接口的Verilog HDL實(shí)現(xiàn)［J］. 電子工程師,2007,，33（7）:52 55.
［3］ 吳振宇,常玉保,馮林. 基于FPGA和USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào),2006,，27（S1）:125 126.
?。?］ 安榮,任勇峰,李圣昆. 基于FPGA和USB2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］. 儀表技術(shù)與傳感器,2009（3）:49 51.
［5］ 錢(qián)峰. EZ USB FX2 單片機(jī)原理,、編程及應(yīng)用［M］.北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2006.
?。?］ EZ USB Technical Reference Manual［EB/OL］. （2014 05 02）［2016 03 30］http://www.cypress.com/?rID=38232.
［7］ Cypress CyAPI Programmer's Reference［EB/OL］. （2011 xx xx）［2016 03 30］http://www.cypress.com/?docID=41365.
