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，它解決了與網(wǎng)絡(luò)通信問題，而且端口擴(kuò)展性能好、容易使用。最新的USB2.0支持3種速率：低速1.5 Mbit/s，全速12 Mbit/s，高速480 Mbit/s。這3種速率可以滿足目前大部分外設(shè)接口的需要。
本文介紹了目前使用較多的USB2.0控制器CY7C68013芯片與FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片接口的Verilog HDL(硬件描述語言)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)可擴(kuò)展，完全可用于其他高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)主要是由FPGA和USB2.0控制器CY7C268013組成，系統(tǒng)框圖及其信號連接關(guān)系如圖1所示。可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要，用FPGA實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，如數(shù)據(jù)采集卡、控制硬盤讀寫等。
1.1 控制器CY7C68013
Cypress公司的EZ-USB FX 2是第一個包含USB2.0的集成微控制器，它內(nèi)部集成了1個增強(qiáng)型的8051、1個智能USB串行接口引擎、1個USB數(shù)據(jù)收發(fā)器、3個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。
1.1.1 CY7C68013結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
EZ-USB FX2提供了一種獨(dú)持架構(gòu)，使USB接口和應(yīng)用環(huán)境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數(shù)據(jù)傳輸，但允許以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO，這種被稱之為"量子FIFO"的處理架構(gòu)，較好地解決了USB高速模式的帶寬問題。
FX2芯片在數(shù)據(jù)傳輸時主要利用了4 kB的FIFO，分為7個端點(diǎn)：EPOIN&OUT、EP1IN、EP1OUT、EP2、EP4、EP6和EP8。其中EPO、EPlIN和EP1OUT是3個64 B的緩存，只能被固件訪問，EP0是一個默認(rèn)的數(shù)據(jù)輸入輸出端口緩存；EP1IN和EP1OUT是單獨(dú)的64 B緩存，呵以配置這些端點(diǎn)為塊傳輸、中斷傳輸或同步傳輸；端點(diǎn)2、4、6、8是大容量高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)，可以配置為各種帶寬以滿足實(shí)際需要，端點(diǎn)2、4是輸出端點(diǎn)，端點(diǎn)6、8是輸入端點(diǎn)。值得注意的是，端點(diǎn)4、8能配置為每幀512 B，而端點(diǎn)2、6卻能配置為每幀512 B或1 024 B，并可配置為2、3、4級，這樣EP2或EP6最大能配置為4 kB的緩存。
其在內(nèi)部的傳輸控制是通過full(滿)和empty(空)兩個控制信號來完成的，當(dāng)full為真時不能再寫數(shù)據(jù)，當(dāng)empty為真時不能再對FIFO進(jìn)行讀，其內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖3所示。
如圖3所示，USB執(zhí)行OUT傳輸，將EP2端點(diǎn)設(shè)成512 B四重FIFO。在USB端和外部接門端都并不知道有四重FIFO。USB端只要有1個FIFO為"半滿"，就可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)操作的FIFO寫"滿"時，F(xiàn)X2自動將其轉(zhuǎn)換到外部接口端，排隊(duì)等候讀取；并將USB接口隊(duì)列中下一個為"空"的FIFO轉(zhuǎn)移到USB接口上，供其繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。外部接門端與此類似，只要有1個FIFO為"半滿"，就可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作的FIFO讀"空"時，F(xiàn)X2自動將其轉(zhuǎn)換到USB接口端，排隊(duì)等候?qū)懭耄徊⑼獠拷涌陉?duì)列中下一個為"滿"的FIFO轉(zhuǎn)移到外部接口上，供其繼續(xù)讀取。
1.1.2 Fx2接口方式
FX2有Slave FIFO和GPIF兩種接口方式。
Slave FIFO是從機(jī)方式，即FX的CPU不直接參與USB數(shù)據(jù)處理，而是簡單地把FX作為USB和外部數(shù)據(jù)處理邏輯(如ASIC、DSP和IDE(串行接口引擎)控制器)之間的通道，數(shù)據(jù)流并不經(jīng)過CPU，而是通過FX的FIFO直接傳輸。FIFO通過外部主機(jī)控制，同時，F(xiàn)IFO提供所需的時序信號、握手信號(滿、空等)和輸出使能等。
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，其core是一個可編程狀態(tài)機(jī)，可以生成多達(dá)6個控制輸出信號和9個地址輸出信號，能外接6個外部Ready輸入信號和2個內(nèi)部Ready輸入信號。通過用戶自定義的波形描述符來控制狀態(tài)機(jī)，使用軟件編程讀寫控制波形，幾乎可以對任何8/16 hit接口的控制器、存儲器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動讀寫，非常靈活。
2 接口的Verilog HDL編程實(shí)現(xiàn)
在本設(shè)計(jì)巾采用Slave FIFO從機(jī)方式實(shí)現(xiàn)FPGA對FX的控制，通過Verilog HDL編程實(shí)現(xiàn)。FPGA可以根據(jù)實(shí)際情況選定。我們在設(shè)計(jì)時選用Xilinx公司的Virtex-Ⅱ設(shè)備(XC2V10004FG456C)。
2.1 異步FIFO讀數(shù)據(jù)
FX讀數(shù)據(jù)也就是數(shù)據(jù)從FX傳到FPGA的過程，其過程如下：
a)反復(fù)檢測控制線狀態(tài)，當(dāng)讀事件發(fā)生時，即控制線con_out_z=0和RD_disk=10時，轉(zhuǎn)到 b；
b)分配FIFOADR[1：0]=00，這時FIFO指針會指向輸出端點(diǎn)，表明使用端點(diǎn)EP2；
c)檢查FIFO是否空，當(dāng)empy=1時表示FIFO不空，轉(zhuǎn)到狀態(tài)d，否則保持在狀態(tài)C；
d)賦值SLOE=0，使雙向數(shù)據(jù)線FD在輸出狀態(tài)，采樣FD數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，并在SLRD的上升沿使FIFO指針門動加1，跳轉(zhuǎn)到e；
e)假如有更多的數(shù)據(jù)需要讀，轉(zhuǎn)到狀態(tài)b，否則轉(zhuǎn)到狀態(tài)a。
對讀數(shù)據(jù)編程如下：
用Mentor軟件Modelsim進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其仿真波形如圖4所示。在此過程中，SLRD信號特別重要，在SLRD的下降沿把FlFO中的數(shù)據(jù)放到FD數(shù)據(jù)線上；在SLRD的上升沿把FIFO指針加1，并指向下一個單元。
2.2 異步FIFO寫數(shù)據(jù)
向FIFO寫數(shù)據(jù)是讀數(shù)據(jù)的逆過程，也就是把FP-GA數(shù)據(jù)寫入FX的FIFO，其編程過程如下：
a)查詢控制信號線con_out_z和WR_disk，看是否有讀事件發(fā)生，如果有，就轉(zhuǎn)移到狀態(tài)b，否則保持在狀態(tài)a；
b)分配FIFOAFR[1：0]=10，F(xiàn)IFO指針指向輸入端點(diǎn)，轉(zhuǎn)向狀態(tài)c；
c)檢查FIFO的滿標(biāo)志是否為1，假如fuIl=1，表示FIFO不滿，轉(zhuǎn)到狀態(tài)d，否則保持在狀態(tài)c；
d)把外部數(shù)據(jù)indata放在FD上，同時把SLWR拉高，以使得FIFO指針自動加1，然后轉(zhuǎn)到狀態(tài)e；
e)假如有更多的數(shù)據(jù)要傳輸，轉(zhuǎn)到狀態(tài)b，否則轉(zhuǎn)到狀態(tài)a。
其程序與寫FIFO數(shù)據(jù)時一樣，只是在生成SLWR信號時，需要注意控制信號之間的保持延時時間約束，這可以通過仿真結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修改。
讀數(shù)據(jù)信號仿真波形如圖5所示。但必須注意的是，在SLWR的下降沿把indata數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)放到FD數(shù)據(jù)線上；在SLWR的上降沿把FD數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)放人FIFO，并同時使FIFO指針加1，指向下一個緩存單元。
3 結(jié)束語
現(xiàn)在USB2.O控制器CY7C68013已經(jīng)應(yīng)用到許多數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，由于此芯片靈活的接口和可編程特性簡化了外部硬件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性，也利于PCB(印制電路板)的制作與調(diào)試。本設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性好，因此可用于需要處理大容量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)已經(jīng)用于對IDE硬盤的讀寫控制中，實(shí)現(xiàn)了對IDE硬盤的快速讀寫。