利用FPGA实现外设通信接口之：利用FPGA实现USB 2.0通信接口
10.3 利用FPGA实现USB 2.0通信接口
10.3.1 USB 2.0接口的实现方式
利用FPGA来实现USB 2.0接口的方式一般有两种，一是借助外围的USB接口芯片，二是FPGA内部实现USB协议控制器，外部通过USB的PHY芯片来实现接口。
对于第一种方式，FPGA不需要实现USB通信协议，开发的风险小，而且性能稳定，因此被大部分设计者所采用。而第二种方式需要购买USB的IP核，门槛较高。如果自己开发基于FPGA的USB协议栈，风险高，而且兼容性和稳定性很难保证。
目前市场上的USB 2.0接口芯片厂家和型号比较多，其中Cypress Semiconductor公司的EZ-USB FX2（CY7C68013）是世界上第一款集成USB 2.0的微处理器，它集成了USB 2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。
FX2这种独创性结构可使数据传输率达到56MByte/s，即USB 2.0允许的最大带宽。在FX2中，智能SIE可以硬件处理许多USB 1.1和USB 2.0协议，从而减少了开发时间、确保了USB的兼容性。
GPIF（General Programmable Interface）和主/从端点FIFO（8位或16位数据总线）为ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了简单和无缝连接接口。
CY7C68013结构图如图10.4所示。FPGA与CY7C68013的电路连接关系可以参考本书2.2.11小节的内容。
图10.4 CY7C68013 FX2结构示意图
10.3.2 FX2接口芯片的Slave FIFO传输模式
当FPGA与FX2芯片相连时，只需要利用FX2作为一个USB 2.0数据通道来实现与主机的高速通信。FPGA能够提供满足Slave FIFO要求的传输时序，可以作为Slave FIFO主控制器。`
Slave FIFO传输的示意图如图10.5所示。
图10.5 Slave FIFO传输的示意图
在这种方式下，FX2内嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相关的寄存器以及控制FX2何时工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件将相关的寄存器配置完毕，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，FPGA就可按照Slave FIFO的传输时序，高速与主机进行通信，而在通信过程中不需要8051固件的参与。
在Slave FIFO方式下，FPGA与FX2的连接信号图如图10.6所示。
下面是信号线的说明。
IFCLK：FX2输出的时钟，可作为通信的同步时钟。
FLAGA、FLAGB、FLAGC、FLAGD：FX2输出的FIFO状态信息，如满、空等。
SLCS：FIFO的片选信号，外部逻辑控制，当SLCS输出高时，不可进行数据传输。
SLOE：FIFO输出使能，外部逻辑控制，当SLOE无效时，数据线不输出有效数据。
SLRD：FIFO读信号，外部逻辑控制，同步读时，FIFO指针在SLRD有效时的每个IFCLK的上升沿递增，异步读时，FIFO读指针在SLRD的每个有效至无效的跳变沿时递增。
SLWR：FIFO写信号，外部逻辑控制，同步写时，在SLWR有效时的每个IFCLK的上升沿时数据被写入，FIFO指针递增，异步写时，在SLWR的每个有效至无效的跳变沿时数据被写入，FIFO写指针递增。
PKTEND：包结束信号，外部逻辑控制，在正常情况下，外部逻辑向FX2的FIFO中写数，当写入FIFO端点的字节数等于FX2固件设定的包大小时，数据将自动被打成一包进行传输，但有时外部逻辑可能需要传输一个字节数小于FX2固件设定的包大小的包，这时，它只需在写入一定数目的字节后，声明此信号，此时FX2硬件不管外部逻辑写入了多少字节，都自动将之打成一包进行传输。
FD[15:0]：数据线。
FIFOADR[1:0]：选择4个FIFO端点的地址线，外部逻辑控制。
10.3.3 Slave FIFO模式的典型操作时序
1．同步Slave FIFO写操作
同步Slave FIFO写的标准连接图如图10.7所示。
同步Slave FIFO写的标准时序如下。
· IDLE：当写事件发生时，进状态1。
· 状态1：使FIFOADR[1:0]指向IN FIFO，进状态2。
· 状态2：如FIFO满，在当前状态等待，否则进状态3。
· 状态3：驱动数据到数据线上，使SLWR有效，持续一个IFCLK周期，进状态4。
· 状态4：如需传输更多的数，进状态2，否则进状态IDLE。
状态跳转示意图如图10.8所示。
图10.7 同步Slave FIFO写的标准连接图 图10.8 同步Slave FIFO写的标准时序
假定FX2设定包大小为512字节，当FPGA向FIFO端点中写入的数据达512字节时，FX2硬件自动将已写入的512字节打成一包准备进行传输。这个动作就和在普通传输中，FX2固件向FIFO端点中写入512字节后，把512这个数写入EPxBC中一样，只不过这个过程是由硬件自动完成的。在这里可以看出“FX2固件不参与数据传输过程”的含义了。外部逻辑只需按上面的时序图所示的时序向FIFO端点中一个一个字节（或字）地写数，写到一定数量，FX2硬件自动将数据打包传输，这一切均不需固件的参与，由此实现高速数据传输。
2．同步Slave FIFO读操作
同步Slave FIFO读的标准连接图如图10.9所示。
同步Slave FIFO读的标准时序如下。
· IDLE：当读事件发生时，进状态1。
· 状态1：使FIFOADR[1:0]指向OUT FIFO，进状态2。
· 状态2：使SLOE有效，如FIFO空，在当前状态等待，否则进状态3，
· 状态3：从数据线上读数，使SLRD有效，持续一个IFCLK周期，以递增FIFO读指针，进状态4。
· 状态4：如需传输更多的数，进状态2，否则进状态IDLE。
状态跳转示意图如图10.10所示。
3．异步Slave FIFO写操作
异步Slave FIFO写的标准连接图如图10.11所示。
图10.10 同步Slave FIFO读状态跳转示意图 图10.11 异步Slave FIFO写的标准连接图
异步Slave FIFO写的标准时序如下。
· IDLE：当写事件发生时，进状态1。
· 状态1：使FIFOADR[1:0]指向IN FIFO，进状态2。
· 状态2：如FIFO满，在当前状态等待，否则进状态3。
· 状态3：驱动数据到数据线上，使SLWR有效，再无效，以使FIFO写指针递增，进状态4。
· 状态4：如需传输更多的数，进状态2，否则进状态IDLE。
状态跳转示意图如图10.12所示。
4．异步Slave FIFO读操作
异步Slave FIFO读的标准连接如图10.13所示。
图10.12 异步Slave FIFO写状态跳转示意图 图10.13 异步Slave FIFO读的标准连接图
异步Slave FIFO读的标准时序如下。
· IDLE：当读事件发生时，进状态1。
· 状态1：使FIFOADR[1:0]指向OUT FIFO，进状态2。
· 状态2：如FIFO空，在当前状态等待，否则进状态3。
· 状态3：使SLOE有效，使SLRD有效，从数据线上读数，再使SLRD无效，以递增FIFO读指针，再使SLOE无效，进状态4。
· 状态4：如需传输更多的数，进状态2，否则进状态IDLE。
状态跳转示意图如图10.14所示。
10.3.4 FX2的固件程序设计
在FX2芯片的固件程序设计中，最关键的就是系统初始化函数TD_Init（void），下面讲解这个函数的部分代码。
//时钟设置
CPUCS = 0x12; // 48MHz CLKOUT 输出使能
IFCONFIG =0x43; // 使用外部时钟，IFCLK输入不反向
SYNCDELAY; // 同步延迟
EP2CFG=0xA0; // 需要设定为4缓冲，每个缓冲区大小为512字节
SYNCDELAY;
EP4CFG=0x00;
SYNCDELAY;
EP6CFG=0xE0;
SYNCDELAY;
EP8CFG=0x00;
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0x80; // 激活 NAK-ALL 避免竞争
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0x02; // 复位 FIFO 2
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0x06; // 复位 FIFO 6
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0x00; // 取消激活 NAK-ALL
SYNCDELAY;
PINFLAGSAB = 0xE6; // FLAGA 设定为 EP6PF, FLAGB 设定为 EP6FF
SYNCDELAY;
PINFLAGSCD = 0xf8; // FLAGC 设定为 EP2EF, FLAGD 保留
SYNCDELAY;
PORTACFG |= 0x00; // SLCS有效
SYNCDELAY;
FIFOPINPOLAR = 0x00; // 所有信号低电平有效
SYNCDELAY;
10.3.5 USB 2.0接口的典型应用
由于USB 2.0接口的数据传输速度快，而且使用方便，因此被广泛应用于各种便携设备中。例如，基于USB 2.0接口的数据采集终端，可以将各种类型的数据采集到电脑主机中进行处理和结果显示，其典型的结构如图10.15所示。
图10.15 基于USB 2.0接口的数据采集终端结构框图