傻瓜式教程--基于FPGA的CYUSB3014双向通信

一、概述

      CYUSB3014是赛普拉斯在近几年推出的新一代USB3.0的外设控制器，可以解决USB2.0带宽限制，或者单独开发USB协议和驱动的难题。赛普拉斯将CYUSB3014简称为EZ-USB FX3，具有高度的灵活特性，开发人员只需要下载FX3的固件库，就能使用USB3.0的功能。

      目前在一些电子产品中，使用主控器加PHY芯片最流行的方式是用FPGA+FX3这种搭配来实现USB3.0接口的。

       赛普拉斯官方数据手册中对FX3的描述如下：EZ-USB FX3 具有一个可进行完全配置的并行通用可编程接口GPIF II，它可与任何处理器、ASIC 或 FPGA 连接。这个通用可编程接口 GPIF II 是赛普拉斯旗舰 USB 2.0 产品 FX2LP 中的GPIF的增强版本。它可轻松无缝地连接至多种常用接口，比如异步 SRAM、异步和同步地址数据复用式接口、并行 ATA 等等。

       EZ-USB FX3 集成了 USB 3.0 和 USB 2.0 物理层 (PHY) 以及 32位ARM926EJ-S 微处理器，具有强大的数据处理能力，并可用于构建定制应用。采用了一种巧妙的架构，使从 GPIF II 到USB 接口的数据传输速度可达 320 MBps[1]。通过集成的 USB 2.0 OTG 控制器，可以实现需要双角色使用场合的应用。例如EZ-USB FX3 可以作为 MSC 和 HID 级设备的 OTG主机使用。

二、CYUSB3014内部逻辑框图

FX3的功能是在FPGA/MCU/CPU这些控制器和USB接口之间作为一个桥梁。CPU将需要发送的并行数据，通过GPIF II接口传给FX3，FX3内部将数据打包成带有USB3.0协议的数据包，通过USB标准接口对外传输。这样开发人员即不用掌握USB3.0协议的底层架构，还能使用UVC的协议将数据传输到带有USB3.0接口的主机（电脑）上。

    在FX3的内部，具有一个ARM9的核，内部集成了存储代码和数据的512KB片上SRAM，通过JTAG口烧写程序，FX3就能作为ARM使用。常见的应用场景如下所示.

三、CYUSB3014硬件配置

电源

FX3电源有3个部分：内核电源；数字I/O口电源；I/0模拟电源

内核电源

• VDD ：逻辑内核的供电电压。额定供电电压为 1.2 V。该电域为内核逻辑电路供电。下列也必须使用同样的供电：

• AVDD ：用于 PLL、晶体振荡器和其他内核模拟电路的 1.2 V供电。

• U3TXVDDQ/U3RXVDDQ ：用于 USB 3.0 接口的 1.2 V 供电电压。

数字I/O口电源

• IO_VDDQ：指用于数字 I/O 的一组独立供电。供电电压为 1.8V 至 3.3V。EZ- USB FX3 为数字I/O 提供下列六个独立供电

• VIO2 - IO2 供电

• VIO3 - IO3 供电

• VIO4 -UART/SPI/I2S 供电

• VIO5 - I2C 和 JTAG 供电（支持 1.2V 至3.3V）

• CVDDQ - 时钟供电电域

I/0模拟电源

VBATT/VBUS ：用于 USB I/O 和模拟电路的 3.2V 至 6V 电池供电。通过 EZ-USB FX3 的内部电压调节器向 USB 收发器供电。VBATT 将内部调节为 3.3V。

3.2启动配置

CYUSB3014的启动配置，主要是通过PMODE三个管脚实现的，将PMODE管脚上拉，悬空，接地就可以实现不同的启动配置。具体方法见下表。

时钟配置

FX3支持两种时钟配置，一种是使用无源的外部晶振，另外一种是在CLKIN专用时钟引进上连接外部的时钟。

常见的使用方式是配置为000，使用一颗19.2MHz的晶振就可以。

四、GPIFII接口

GPIFII接口手册中描述如下：

EZ-USB FX3 具有高性能通用可编程接口 GPIF II。此接口能实现类似于 FX2LP 的 GPIF 和从器件 FIFO 接口的功能，但更为高级。

GPIF II 是一种可编程状态机，其所启用的灵活接口可用作工业标准或专用接口中的主控或从器件。并行和串行接口均可通过GPIF II 实现。

GPIF II 的特性总结如下：

• 可用作主控或从器件

• 提供 256 种固件可编程状态

• 支持 8 位、16 位和 32 位并行数据总线

• 接口频率可高达 100 MHz。

• 使用 32 位数据总线时支持 14 根可配置控制引脚。所有控制引脚可作为输入/ 输出或双向引脚。

• 使用 16/8 位数据总线时支持 16 根可配置控制引脚。所有控制引脚可作为输入/ 输出或双向引脚。

使用方式如下：

上面这幅框图的意思是，GPIF II口用作32位并行数据总线，其中A[1:0]的功能是指内部在使用4个缓冲器区的哪一个。FLAG信号是FX3内部SLAVE FIFO状态的标志信息。其他几根信号属于控制信号。

五、开发环境

• FPGA 开发板（内含CYUSB3014芯片）

• quartus prime17.1

• 操作系统win10

• 带usb3.0接口的电脑

• 只要带CYUSB3014芯片的fpga开发板都可以参考本教程

六、准备工作

缓冲区可以通过固件来配置，上图是2缓存，每个缓冲区是1kB,为了提高性能，我在固件中设置的是4缓存，每个缓冲区16KB.数据总线32位宽，时钟100MHz，实测上下行通信都能达到338MB/s。

• CYUSB3014芯片与fpga连接使用的是GPIF接口，我们只需要把CYUSB3014当成fifo来使用即可。

 

 

• 七、驱动

• 先安装FX3_SDK_Windows_v1.3.3，这个软件安装目录，下面有简称为SDK

• 在SDK目录中，有提供很多文档、固件实例和相应的驱动

• 在进行试验前要先安装好cypress提供的usb驱动，插上usb后，电脑就会检测到未识别的设备，这时打开设备管理器，右键未识别的usb，然后手动选择驱动。

• 八、固件

• 对于固件这块，有兴趣的同学可以自己去研究一下，如果只是使用的话，就可以直接使用本教程提供的固件。使用本实例的固件，你就可以基本可以把当成usb2.0一样使用了，因为他们都是slave fifo模块。

• 如果自己想折腾一下的话，需要注意的就是标志信号的设置，usb标志信号比较灵活。下面主要讲解一下标志信号的设置。

• 九、GPIF II Designer

• Cypress官方提供了一个软件，可以用来设置gpif接口信号（包括标志信号），本教程只针对slave fifo，其他的模式自己去查看文档。

1. 打开GPIF II软件

    

 

 

  2. 点击红色圈的地方

3. 想要编辑更多的信息，点击 File->Save project as Editable…

4. 编辑区按上图设置，右边的框图主要是设置标志信号FLAGA/FLAGB/FLAGC/FLAGD.双击右边的标志，各标志设置如下所示： 

 

 

 

5.四个标志都设置为低有效！！！初始值倒无所谓，并且都设置为专用标志,设置完后，只需要编译一下就可以了生成我们需要的头文件了。

 

6.将这个.h文件放到固件的工程中，替换固件相应的.h文件即可。

 

 

7.这些在本工程里面都已经做好了，如果没有说明特别的需要，就直接使用本项目提供的固件工程即可，就不需要自己再去设计GPIF接口了。

• 10 写标志

• flag_a和flag_b设置成线程0（P2U，即FPGA往CYUSB3014写）专用标志，flag_b为有水印值标志，

• 当写满时，正常的flag_a会拉低，但是拉低的时间有点迟了，导致fpga检测到flag_a为低时，已经写溢出了，而flag_b的水印值可以使标志提前拉低，以便fpga检测到flag_b为低，不会发生写溢出。

 

因为我们slwr信号是要根据flag来驱动的，假如没有水印值标志，使用flag_a，检测到flag_a == 0时，再将slwr拉高，是不是就会发生写溢出了。通过上图不难发现只需要将flag_a提前4个周期拉低就可以满足我们的要求了。所以我们设置水印值为4.到时候看看signal_tap抓的图就知道了。

CyU3PGpifSocketConfigure设置水印值

• 读标志

• flag_c 和 flag_d 设置成线程3（U2P，即FPGA从CYUSB3014读）专用标志，flag_d为有水印值标志，

• 当读空时，正常的flag_c会拉低，但是拉低的时间有点迟了，导致fpga检测到flag_a为低时，已经读空了，而flag_d的水印值可以使标志提前拉低，以便fpga检测到flag_b为低，不会发生读空

• 

• 和写操作类似，slrd信号是要根据flag来驱动的，假如没有水印值标志，使用flag_c，检测到flag_c == 0时，再将slrd拉高，是不是就会发生读空了。通过上图不难发现只需要将flag_c提前3个周期拉低就可以满足我们的要求了。所以我们设置水印值为3.到时候看看signal_tap抓的图就知道了

• 另外需要主要的地方是fifo_addr到数据有效有3个周期延迟

•  打开ezUsbSuite.exe

   

• 导入本教程提供的固件工程

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  最后再提醒一下，fifo的大小是16k,P2U的缓冲区设置为8个，U2P缓冲区设置为4个，这种配置可以最大的提高传输速度。需要注意的是，不管是写还是读，都是以16k为单位的，也就是说即便你只是想发送一个4字节的指令，你也要发送16k字节，多余发0就可以了。

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• 设置完后，就可以编译了，画重点了，使用debug编译的速度大概在252MB/s，使用release编译的速度大概在338MB/s.

• 测试

• 本教程提供的固件，是同时支持读写的。

• 下载固件

• 在调试期间，先将引导方式设置为usb引导

 

 

 

• 读测试

• 打开本教程提供的fpga程序，设置slrd下降沿触发。

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• 因为读缓冲区的大小是16k字节，而我们发送数据一般都是一些指令，数据量比较小，所以我在数据结构做了个调整，前4个字节是你要发送的数据的长度（32位），在fpga中，有cmd_flag和cmd_data信号，根据这两个信号就知道读的数据了。具体自己看我的代码。

• 写测试

 

 

• 写测试就简单了，点击transfer data-in，pc就会读取16k数据。数据为0-16‘h0000_0FFF。

• 测速

• 打开streamer软件

 

 

 

可以看出读写速度都差不多在338MB/s左右。性能还是不错。