基于FPGA的USB2.0接口通信

基于FPGA的USB2.0接口通信

概述

本文主要介绍一种基于FPGA的FT232H接口通信开发方案。传统的USB通信开发对工程人员的要求比较高，除了上层应用软件以外，还需要掌握一定的USB传输协议、固件编程以及底层驱动等等。对于FPGA固件开发人员来说，我只关心数据如何可以正确的收发，说白了就是给我说清楚接口交互时相关信号之间的时序关系即可，其他的内容并不是这么关心。FTDI公司的FT232H应运而生，他把USB的相关协议封装在芯片内部，只把数据端口部分开发给工程开发人员。与市面上另外一款USB芯片（cypress的CY7C68013）相比，FT232H在模式配置上，有官方提供的工具软件直接进行模式配置，而不需要像前者那样，还要编写模式配置的相关代码，从而大大提高开发效率。

接口芯片FT232H

FT232H是一款单通道的高速USB转UART/FIFO芯片，支持USB2.0协议。通过配套的软件可以配置成不同的应用模式，如下图所示：

1. FT232H的内部结构

从图1中我们可以了解到，FT232H芯片内部可以划分为UTMI_PHY、USB_protocol and FIFO ctrol、Tx/Rx Buffer、MPSSE/Multi_purpose UART/FIFO controler以及EEPROM_interface这几部分。其中MPSSE/Multi_purpose UART/FIFO controler是面向用户设计的IO，通过配置成不同的模式，管脚对应的定义不一样。

         我们通过把FT232H配置成同步FIFO模式，已达到最快的传输速率。

1. FIFO模式下的拓扑结构

软件设计

芯片工作模式配置

FT232H在出厂的时候，默认是UART模式，配置长同步FIFO模式，需要通过官方提供的配置软件FT_PROG进行配置，配置过程十分简单，如下：

 

如上图所示，配置过程大体上可以分为上述3个步骤。需要注意的是在进行第一步之前，PC上需要安装好相应的驱动，才能够识别出芯片；还有一个需要注意的地方是，Property中product_desc里面的值可以自己修改，但是上位机一定要与之对应，否则编写的上位机软件有可能打不开设备。

代码设计

1. 同步FIFO模式下的读写时序关系

发送端（FPGA--->USB--->PC）

通常来说，为了处理好异时钟域数据传输问题，都会在FPGA端例化一个FIFO来作为与USB接口交互的缓存。在数据发送有个需要注意的地方，当发送速率比USB传输速率快，FT232H内部缓存被填满的时候（TXE#被拉高），会出现丢数据情况。在处理的时候需要特别注意一下。

我们画一下相关时序就知道怎么回事了。

1. FIFO常规模式下时序图

从图中可以看出，FIFO的读使能持续了5个clk,由于FIFO的输出最少都有1个clk的延迟，所以这次数据传输只传输了4个有效数据，剩下一个数据只能由下一次传输，当然这种情况，在传输流式的数据是没有问题的，碰上我之前的项目，读写由上位机发起，并且读写的数据长度也由上位机决定的时候，就会出现上位机会少接收一个数据的现象。

         那么有没有办法解决这种现象呢？答案是肯定的，我比较推荐的一种方法如下：

1. First_word Fall through模式的时序

将例化FIFO的时候，设置成First_word Fall through模式就可以了，至于这种模式是什么，请自行度娘脑补一下。

 

         方法还有很多，只要时序对的上即可。

接收端（PC—>USB--->FPGA）

接收端的设计比较简单，这里就不展开论述了。