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?？梢愿鶕?jù)實際系統(tǒng)的需要,，用FPGA實現(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,，排隊等候讀?。徊SB接口隊列中下一個為"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,，排隊等候?qū)懭?；并將外部接口隊列中下一個為"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編程實現(xiàn)

在本設(shè)計巾采用Slave FIFO從機(jī)方式實現(xiàn)FPGA對FX的控制,，通過Verilog HDL編程實現(xiàn)。FPGA可以根據(jù)實際情況選定,。我們在設(shè)計時選用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，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)計已經(jīng)用于對IDE硬盤的讀寫控制中,，實現(xiàn)了對IDE硬盤的快速讀寫。