利用FPGA實(shí)現(xiàn)外設(shè)通信接口之： 典型實(shí)例-USB 2.0接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

10.7典型實(shí)例17：USB2.0接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

10.7.1實(shí)例的內(nèi)容及目標(biāo)

1．實(shí)例的主要內(nèi)容

本節(jié)旨在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了FPGA通過FX2USB2.0接口芯片與PC機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信，分為讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)和讀寫數(shù)據(jù)3部分內(nèi)容。幫助讀者進(jìn)一步了解USB接口芯片的工作原理和設(shè)計(jì)方法。

2．實(shí)例目標(biāo)

通過本實(shí)例，讀者應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo)。

·了解FX2CY7C68013芯片的工作原理和SlaveFIFO模式時(shí)序。

·了解FX2的固件設(shè)計(jì)以及USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

·熟練掌握狀態(tài)機(jī)的使用。

·實(shí)現(xiàn)FPGA與PC機(jī)之間的USB接口通信。

10.7.2USB接口通信實(shí)戰(zhàn)步驟

首先創(chuàng)建工程并為工程添加文件，如圖10.30所示。

然后編譯工程并下載至硬件，如圖10.31所示。

圖10.30創(chuàng)建工程并添加文件 圖10.31編譯工程并下載

接下來可以加載固件了，固件程序的載入有兩種方式。

（1）通過芯片的I2C總線連接外部的EEPROM，固件代碼事先通過燒寫器寫入EEPROM中，USB設(shè)備上電運(yùn)行時(shí)，通過I2C總線將EEPROM中固件代碼載入。EZ-USB支持外部EEPROM通過總線來下載固件，這種方式使開發(fā)者可以從外圍硬件來下載8051程序代碼，但是不利于在設(shè)備開發(fā)階段使用。

（2）使用該芯片特有軟配置功能，將固件程序存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，當(dāng)該設(shè)備接入U(xiǎn)SB電纜時(shí)，由于EZ-USB具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉以后，用戶只需要通過Cypress公司提供的開發(fā)軟件USBControlPanel中Download項(xiàng)，就可以將固件載入到控制芯片中。該方法完全是軟操作，不需要額外的硬件設(shè)備，方便程序的修改調(diào)試。

使用USBControlPanel進(jìn)行固件程序下載的界面如圖10.32所示。

圖10.32USBControlPanel界面

單擊“Download…”按鈕，選擇“slavefifo.hex”。下載固件成功以后顯示如圖10.33信息。

圖10.33下載固件程序

其中，通過單擊“GetPipes”按鈕可以查看通道信息。

現(xiàn)在固件程序后，即可進(jìn)行USB通信測(cè)試。

根據(jù)不同的程序，選擇相應(yīng)的測(cè)試軟件，測(cè)試USB接口的傳輸速度。如圖10.34所示是RedLogic工作室提供的基于紅色颶風(fēng)II的USB測(cè)試軟件。

圖10.34USB測(cè)試軟件

10.7.3USB接口通信實(shí)例結(jié)果

實(shí)現(xiàn)FPGA與PC機(jī)之間的USB通信，并且在PC機(jī)的超級(jí)終端上面測(cè)試USB的讀寫速度，如圖10.35和圖10.36所示。關(guān)于EZ-USB的詳細(xì)內(nèi)容，可參見工程文件夾中提供的相關(guān)文檔。

圖10.35USB測(cè)試結(jié)果

圖10.36USB測(cè)試結(jié)果

10.7.4FPGA代碼的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本程序功能是配合CY68013的SlaveFIFO接口時(shí)序。它完成接收從主機(jī)下傳的60KB數(shù)據(jù)，寫入板上SRAM里，然后從板上SRAM中讀出，再上傳至主機(jī)。整個(gè)傳輸過程通過CY68013的SlaveFIFO來交互。

整個(gè)程序由一個(gè)狀態(tài)機(jī)構(gòu)成，包括以下狀態(tài)：

ParameterIDLE=H0,

READ_EVENT=H1,

POINT_TO_OUT_FIFO=H2,

DATA_READY=H3,

READ_INTERVAL=H4,

READ=H5,

READ_END=H6,

WRITE_EVENT=H7,

POINT_TO_IN_FIFO=H8,

WRITE_READY=H9,

WRITE=HA,

WRITE_END=HB;

每個(gè)狀態(tài)的作用描述如下。

·IDLE：整個(gè)操作過程（包括讀SLAVEFIFO和寫SLAVEFIFO）的入口。對(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化，然后轉(zhuǎn)入READ_EVENT狀態(tài)，開始讀SLAVEFIFO操作。

·READ_EVENT：把u_addr[1:0]置為’b00，指向輸出FIFO（對(duì)應(yīng)端點(diǎn)6），然后轉(zhuǎn)入POINT_TO_OUT_FIFO狀態(tài)。

·POINT_TO_OUT_FIFO：判斷u_flagc是否為高（u_flagc為高指示輸出FIFO為空，即輸出FIFO中有數(shù)據(jù)），如果為高，則啟動(dòng)讀過程，把u_sloe置為低，轉(zhuǎn)入DATA_READY狀態(tài)，第一個(gè)16位數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線上；否則說明輸出FIFO中無(wú)數(shù)據(jù)，等待。

·DATA_READY：判斷u_flagc是否為高，如果為高，把u_slrd拉低，繼續(xù)讀取下16位數(shù)據(jù)。同時(shí)為把上一16位數(shù)據(jù)寫入SRAM做準(zhǔn)備（主要是SRAM的三態(tài)總線），同時(shí)轉(zhuǎn)入READ狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)入POINT_TO_OUT_FIFO，等待下一次讀取過程。

·READ：把上一16位數(shù)據(jù)寫入SRAM，同時(shí)把u_slrd拉高，當(dāng)前16位數(shù)據(jù)讀取結(jié)束。判斷是否是60KB數(shù)據(jù)，如果不是，則轉(zhuǎn)入DATA_READY狀態(tài)，繼續(xù)讀操作；否則轉(zhuǎn)入READ_END狀態(tài)，讀操作結(jié)束。

·READ_END：把相關(guān)寄存器置為初始態(tài)，轉(zhuǎn)入WRITE_EVENT狀態(tài)，開始寫操作。

·POINT_TO_IN_FIFO：為從SRAM中讀取數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備，轉(zhuǎn)入WRITE_READY狀態(tài)。

·WRITE_READY：判斷u_flagb是否為高（u_flagb為高指示輸入FIFO非滿），如果為高，則啟動(dòng)寫過程，從SRAM中讀取數(shù)據(jù)并送到SLAVEFIFO總線上，把u_lswr置為低，轉(zhuǎn)入WRITE狀態(tài)；否則說明輸入FIFO已滿，等待。

·WRITE：把u_slwr置為高，當(dāng)前數(shù)據(jù)寫入SLAVEFIFO。判斷是否是60KB數(shù)據(jù)，如果不是，則轉(zhuǎn)入WRITE_READY狀態(tài)，繼續(xù)寫操作；否則轉(zhuǎn)入WRITE_END狀態(tài)，寫操作結(jié)束。

·WRITE_END：把相關(guān)寄存器置為初始態(tài)，轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)，開始下一個(gè)60KB的讀寫操作。

狀態(tài)機(jī)的源代碼如下：

case(STATE)

IDLE:

begin

//添加RESET狀態(tài)

data_wr=h0; //USB接口信號(hào)初始化

u_slwr=b1;

u_slrd=b1;

u_sloe=b1;

u_addr0=b1;

u_addr1=b1;

oe=b0;

sram_d_i=h0; //SRAM的控制信號(hào)初始化

sram_a=h3ffff;

sram_re=b1;

sram_wr=b1;

wr_flag=b0;

STATE=READ_EVENT;

end

READ_EVENT:

begin

wr_flag=b1; //設(shè)定讀寫標(biāo)志

u_addr0=b0; //指定端點(diǎn)FIFO

u_addr1=b0;

STATE=POINT_TO_OUT_FIFO;

end

POINT_TO_OUT_FIFO:

begin

if(u_flagc) //如果flagc高，F(xiàn)IFO不空，開始讀數(shù)據(jù)

begin

u_sloe=b0; //開始從FX2的端點(diǎn)FIFO讀數(shù)據(jù)

u_slrd=b1;

STATE=DATA_READY;

end

else

begin //如果flagc為低，F(xiàn)IFO為空，等待FIFO有數(shù)據(jù)

u_sloe=b1; //停止從FX2的端點(diǎn)FIFO讀數(shù)據(jù)

u_slrd=b1;

STATE=POINT_TO_OUT_FIFO;

end

end

DATA_READY:

begin

if(u_flagc) //如果flagc為高，繼續(xù)讀取下一個(gè)數(shù)據(jù)

begin

u_slrd=b0;

sram_a=sram_a+1; //把上一個(gè)讀取的數(shù)據(jù)寫入SRAM

sram_d_i=data;

sram_wr=b0;

sram_re=b1;

STATE=READ; //完成數(shù)據(jù)寫入后，進(jìn)入讀數(shù)據(jù)狀態(tài)

end

else

begin

u_slrd=b1; //如果FIFO空，回到等待狀態(tài)

u_sloe=b1;

STATE=POINT_TO_OUT_FIFO;

end

end

READ:

Begin

u_slrd=b1; //完成上一個(gè)數(shù)據(jù)的SRAM寫周期

sram_re=b1;

sram_wr=b1;

if(sram_a!=ADDR_FULL) //如果SRAM地址沒有到最大值，繼續(xù)讀操作

STATE=DATA_READY;

else

STATE=READ_END; //如果SRAM地址到達(dá)最大值，結(jié)束讀操作

end

READ_END:

begin

u_slrd=b1; //回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備寫操作

u_sloe=b1;

u_addr0=b0;

u_addr1=b0;

sram_a=h3ffff;

STATE=WRITE_EVENT;

end

WRITE_EVENT:

begin

u_addr0=b0; //指定寫數(shù)據(jù)的端點(diǎn)FIFO

u_addr1=b1;

oe=b1;

wr_flag=b0;

STATE=POINT_TO_IN_FIFO;

end

POINT_TO_IN_FIFO:

begin

sram_a=sram_a+1; //從SRAM中讀取一個(gè)數(shù)據(jù)

sram_re=b0;

sram_wr=b1;

STATE=WRITE_READY;

end

WRITE_READY:

begin

if(u_flagb)

begin //如果FIFO不滿，開始寫數(shù)據(jù)到FX2的FIFO

data_wr=sram_d;

u_slwr=b0;

u_slrd=b1;

STATE=WRITE;

end

else

begin

u_slwr=b1; //如果FIFO已滿，等待

u_slrd=b1;

STATE=WRITE_READY;

end

end

WRITE:

begin

u_slwr=b1;

u_slrd=b1;

if(sram_a!=ADDR_FULL)

begin

sram_a=sram_a+1; //如果SRAM地址沒有達(dá)到最大值，繼續(xù)從SRAM讀數(shù)據(jù)

sram_wr=b1;

sram_re=b0;

STATE=WRITE_READY;

end

else

begin

sram_a=h3ffff;//如果SRAM地址達(dá)到最大值，復(fù)位SRAM地址，進(jìn)入寫結(jié)束

sram_wr=b1;

sram_re=b1;

STATE=WRITE_END;

end

end

WRITE_END:

begin

wr_flag=b0; //結(jié)束寫FX2FIFO狀態(tài)，回到初始的IDLE狀態(tài)

sram_a=h3ffff;

u_addr0=b1;

u_addr1=b1;

STATE=IDLE;

end

default:

STATE=IDLE;

endcase

10.7.5小結(jié)

本節(jié)對(duì)利用USB接口芯片F(xiàn)X2來完成FPGA和PC機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸做了介紹，并通過編譯下載在紅色颶風(fēng)的開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。