FPGA學習系列：37. USB2.0的設計

設計背景：

USB(Universal Serial Bus2.0，通用串行總線)是一種應用在計算機領域的新型接口技術。USB接口具有傳輸速度更快，支持熱插拔以及連接多個設備的特點。目前已經(jīng)在各類外部設備中廣泛的被采用。USB接口有三種:USB1.1，USB2.0和USB3.0。理論上USB1.1的傳輸速度可以達到12Mbps，而USB2.0則可以達到速度480Mbps，并且可以向下兼容USB1.1。

設計原理:

本次的設計主要設計我們用用的開發(fā)板是我們至芯出的第一代開發(fā)板，其中的USB芯片C是ypress的FX2LP系列中的CY7C68013A代，詳細的介紹不多說，見Cypress的官網(wǎng)：在這里我就簡化的給大家做一個簡單介紹。

FX2的設計架構如下圖，內嵌480MBit/s的收發(fā)器，鎖相環(huán)PLL，串行接口引擎SIE——集成了整個USB 2.0協(xié)議的物理層。為適應USB 2.0的480MBit/s的速率，F(xiàn)IFO端點可配置成2，3，4個緩沖區(qū)。 配置用的是“軟配置”——USB固件可由USB總線下載，片上不需集成ROM。擁有四個FIFO接口，可工作在內部或外部時鐘下。端點和FIFO接口的應用使外部邏輯和USB總線可高速連接。

基于FX2LP的USB開發(fā)，包括三部分：固件程序、驅動、上位機軟件。

固件程序我們在kiil中寫出來，然后配置到我們的芯片中，固件的開發(fā)對我們FPGA工程師來說是不用寫的，是別的工程師配置好芯片我們拿來用的，其主要的配置過程如下圖:先上電復位，然后初始化我們的寄存器變量，然后調用配置函數(shù)，打開中斷后，判斷是否接受到了我們的配置包，如果接收到了就調用TD_POLL()函數(shù)，這個是函數(shù)是不停的執(zhí)行掃描我們的端點等。然后判斷我們的芯片是否掛起，如果掛起就叫醒芯片，如果沒有就一直調用TD_POLL函數(shù)，這樣完成我們所需要的配置。

我們的項目是要把我們的FX2配置成從FIFO的模式， 配置為單片機工作時鐘24M，端點2輸出，字節(jié)1024，端點6輸入，字節(jié)1024，信號全設置為低電平有效等。我們的模塊驅動時鐘我們配置成內部輸出時鐘，也就是讓FX2給我們的設計當做時鐘源，輸出一個最大的配置時鐘48M的時鐘。

在這邊說一下，我們的FX2的數(shù)據(jù)存儲區(qū)叫端點，有512,1024字節(jié)兩個存儲大小之分。

從FIFO的說明：

當有一個與FX2芯片相連的外部邏輯只需要利用FX2做為一個USB 2.0接口而實現(xiàn)與主機的高速通訊，而它本身又能夠提供滿足Slave FIFO要求的傳輸時序，可以做為Slave FIFO主控制器時，即可考慮用此傳輸方式。

Slave FIFO傳輸?shù)氖疽鈭D如下：

在這種方式下，FX2內嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相關的寄存器以及控制FX2何時工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件將相關的寄存器配置完畢，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部邏輯（如FPGA）即可按照Slave FIFO的傳輸時序，高速與主機進行通訊，而在通訊過程中不需要8051固件的參與。

FX2系列的有3種封裝方式，我們我的開發(fā)板用的是56引腳的封裝方式的電路圖，其電路圖如下所示：

端口介紹：

IFCLK：FX2輸出的時鐘，可做為通訊的同步時鐘；

SLCS：FIFO的片選信號，外部邏輯控制，當SLCS輸出高時，不可進行數(shù)據(jù)傳輸；

SLOE：FIFO輸出使能，外部邏輯控制，當SLOE無效時，數(shù)據(jù)線不輸出有效數(shù)據(jù)；

SLRD：FIFO讀信號，外部邏輯控制，同步讀時，F(xiàn)IFO指針在SLRD有效時的每個IFCLK的上升沿遞增。

SLWR：FIFO寫信號，外部邏輯控制，同步寫時，在SLWR有效時的每個IFCLK的上升沿時數(shù)據(jù)被寫入，F(xiàn)IFO指針遞增

FD[15:0]：數(shù)據(jù)線；

FIFOADR[1:0]：選擇四個FIFO端點的地址線，外部邏輯控制。

FLAGA,B,C端點的空滿標志位

我們的開發(fā)驅動大家可以在網(wǎng)上找，然后根據(jù)自己系統(tǒng)裝上合適的驅動，或者在我們的至芯論壇上搜EZ-USB，就可以看到我們老師發(fā)的帖子來講解驅動的安裝。

我們的上位機軟件用的是官方的開發(fā)工具，只有如下的安裝包

然后安裝第一個和第二個就好了。

設計代碼:

讀模塊：

0moduleusb_rd(pi_clk,pi_rst_n,pi_usb_flagb,pi_usb_flagc, pio_usb_data,

1 po_usb_oe_n,po_usb_rd_n,po_usb_address,po_usb_wr_n,led);

2

3 inputpi_clk;

4 inputpi_rst_n;

5 inputpi_usb_flagb; //端點2標志信號

6 inputpi_usb_flagc;//端點6標志信號

7 inout[15:0]pio_usb_data;//輸入輸出端口

8

9 outputregpo_usb_oe_n;//讀標志信號

10 outputregpo_usb_rd_n;//寫使能

11 outputregpo_usb_wr_n;//讀使能

12 outputreg[1:0]po_usb_address;//端點地址選擇

13 outputregled; //接收標志正確指示燈

14

15 reg[15:0]temp_data;

16 reg[9:0]count;

17 reg[2:0]state;

18

19 assignpio_usb_data =(state ==10)?1:16'hzzzz; //讀數(shù) 據(jù)，可以一直釋放數(shù)據(jù)總線的控制權

20

21 always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

22 if(!pi_rst_n)

23 begin

24 state <=0;

25 po_usb_oe_n <=1;

26 po_usb_rd_n <=1;

27 count <=0;

28 po_usb_wr_n <=1;

29 temp_data <=0;

30 end

31 else

32 case(state)

33 0 : state <=1;

34

35 1 : begin

36 po_usb_address <=2'b00;//地址指向端點2

37 state <=2;

38 end

39

40 2 : if(!pi_usb_flagb) //判斷端點2已經(jīng)滿

41 begin

42 po_usb_rd_n <=0;

43 state <=3;

44 po_usb_oe_n <=0;

45 end

46 else

47 state <=2;

48

49 3 : begin

50 if(count <512-1) //接收1024字節(jié)的數(shù) 據(jù)

51 begin

52 count <=count +1'b1;

53 end

54 else

55 begin

56 count <=0;

57 state <=4;

58 end

59 if(count ==2)

60 begin

61 temp_data <=pio_usb_data;

62 end

63 end

64

65 4 : begin

66 po_usb_rd_n <=1;

67 po_usb_oe_n <=1;

68 state <=0;

69 end

70

71 default: state <=0;

72 endcase

73

74 always@(*)

75 if(!pi_rst_n)

76 led <=1;

77 elseif(temp_data ==16'h33ff)//判斷我們接收數(shù)據(jù)是否正確

78 led <=0;

79

80endmodule

寫模塊：

0moduleusb_wr(pi_clk,pi_rst_n,pi_usb_flagb,pi_usb_flagc, pio_usb_data,

1 po_usb_oe_n,po_usb_wr_n,po_usb_address,po_usb_rd_n);

2

3 inputpi_clk;

4 inputpi_rst_n;

5 inputpi_usb_flagb; //端點2標志信號

6 inputpi_usb_flagc; //端點6標志信號

7 inout[15:0]pio_usb_data; //輸入輸出端口

8

9 outputregpo_usb_oe_n; //讀標志信號

10 outputregpo_usb_wr_n; //寫使能

11 outputregpo_usb_rd_n; //讀使能

12 outputreg[1:0]po_usb_address; //端點地址選擇

13

14 reg[15:0]temp_data;

15 reg[2:0]state;

16

17 //在狀態(tài)的3，拿回數(shù)據(jù)總線控制全，給寫入數(shù)據(jù)

18 assignpio_usb_data =(state ==3)?temp_data :16'hzzzz;

19

20 always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

21 if(!pi_rst_n)

22 begin

23 state <=0;

24 po_usb_oe_n <=1;

25 po_usb_wr_n <=1;

26 temp_data <=0;

27 po_usb_rd_n <=1;

28 end

29 else

30 case(state)

31 0 : state <=1;

32

33 1 : begin

34 po_usb_address <=2'b10;//地址指向端點6

35 state <=2;

36 end

37

38 2 : if(!pi_usb_flagc) //判斷端點6已經(jīng)空

39 begin

40 po_usb_wr_n <=0;

41 state <=3;

42 end

43 else

44 state <=2;

45

46 3 : if(temp_data <256-1) //發(fā)送1024 字節(jié)的數(shù)據(jù)

47 temp_data <=temp_data +1'b1;

48 else

49 begin

50 temp_data <=0;

51 state <=4;

52 end

53

54 4 : begin

55 po_usb_wr_n <=1;

56 state <=0;

57 end

58

59 default: state <=0;

60 endcase

61

62endmodule

上位機測試：

我們安裝好驅動和下載的上位機軟件，然后在下面的界面中，點擊”LGEEPROM”按鈕，下載我們寫好的的.IIC固件。

然后在下面的頁面中會出現(xiàn)先選擇other endpt xfers選項

會出現(xiàn)我們的4個端點，然后我們選擇寫入的端點或者讀的端點執(zhí)行讀寫操作

寫的端點是6端點，我們選擇這個端點，我們的寫入端點是1024個字節(jié)，我設置的是512字節(jié)，也就是寫入2次就可以寫滿了，

如下圖，和我們代碼中寫入數(shù)據(jù)值是一樣的。

讀操作也就是要讀我們的端點2，我們先要給端點一個數(shù)，然后才能讀我們的端點，我們寫入我們圖中顯示的數(shù)，因為我們設計的是讀出的數(shù)如果第三個數(shù)位33ff 就讓我們的燈亮，值得一說的是，我們上位機顯示的時候是把低位顯示到了前面，高位顯示到了后面，我們一個包是1024字節(jié)，后面的數(shù)自動補零，讀出數(shù)據(jù)后可以看到我們的led燈亮，驗證出我們的設計正確。