基于Verilog的FPGA与USB 2.0高速接口设计
0 引 言
USB(通用串行总线)是英特尔、微软、IBM、康柏等公司1994年联合制定的一种通用串行总线规范，它具有数据传输速度快，成本低，可靠性高，支持即插即用和热插拔等优点，迅速得到广泛应用。
在高速的数据采集或传输中，目前使用较多的都是采用USB 2.0接口控制器和FPGA或DSP实现的，本设计在USB 2.0接口芯片CY7C68013的Slave FIFO模式下，利用FPGA作为外部主控制器实现对FX2 USB内部的FIFO进行控制，以实现数据的高速传输。该模块可普遍适用于基于USB 2.0接口的高速数据传输或采集中。
l 系统硬件模块设计
1.1 系统硬件框图
图1中展示了Slave FIFO方式下FX2 USB和FPGA的典型连接。其中，FD[7..O]为8位双向数据总线FLAGA~FLAGC为FX2内FIFO的标志管脚，映射FIFO的当前状态；SLCS为Slave FIFO的片选信号；SLOE用于使能数据总线FD的输出；FIFOADR[1..0]用于选择和FD连接的端点缓冲区(00代表端点2，01代表端点 4，10代表端点6，11代表端点8)；SLRD和SLWR可分别作为FIFO的读写选通信号。
1.2 USB 2.0接口芯片CY7C68013
1.2.1 CY7C68013的结构特点
Cypress公司的USB FX2是第一个包含USB 2.0的集成微控制器，它内部集成了1个增强型的8051，1个智能USB串行接口引擎，1个USB数据收发器，3个8位I／O口，16位地址线，8.5 KB RAM和4 KBFIFO等。增强性8051内核完全与标准8051兼容，而性能可达到标准8051的3倍以上。其框图如图2所示。
1.2.2 CY7C68013的工作模式
CY7C68013有Ports模式、Slave FIFO和GPIF三种接口方式。
Ports模式是一种最基本的数据传输方式，其数据传输主要由固件程序完成，需要CPU的参与，因此数据传输速率比较低，适用于传输速率要求不高的场合。
Slave FIFO方式是从机方式，外部控制器，如FPGA，可像对普通FIFO一样对FX2的多层缓冲FIFO进行读写。FX2内部的FIFO提供所需的时序信号、握手信号(满、空等)和输出使能等。这里就是在Slave FIFO模式下实现USB 2.O接口和FPGA的数据通信。
可编程接口GPIF是主机方式，GPIF作为内部主机控制端点FIFO，可以软件编程读写控制波形，几乎可以对任何8／16 b接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写，非常灵活。
2 系统软件模块设计
2.1 USB固件程序设计
应用中采用异步FIFO方式，使用内部48 MHz时钟，自动方式，固件程序采用Cypress公司提供的固件程序框架，在其初始化函数中添加了用户配置代码。该设计中异步自动从属FIFO数据传输的初始化代码如下：
2.2 FPGA控制程序设计
CY7C68013A提供的端口FIFO的读写操作，与普通FIFO读写操作方式一样。CY7C68013A为每个端口提供了“空”标志、“满”标志和“ 可编程级”标志。FPGA检测这些信号，用于控制读写的过程。FPGA在完成这些端口FIFO的操作时，采用Verilog HDL硬件描述语言实现了FIFO的读写时序，并在ALTERA公司提供的QuartusⅡ8.O开发工具中综合编译并映射到FPGA中运行。
2.2.1 从属FIFO异步“读”操作
实现异步从属FIFO“读”的状态机如图3所示。其状态转移进程如下：
IDLE：当“写”事件发生时，转到状态1。
状态1：指向OUT FIFO，激活FIFOADR[1：O]，转向状态2。
状态2：激活SLOE，如果FIFO空标志为“假”(FIFO不空)，则转向状态3；否则停留在状态2。
状态3：激活SLOE，SLRD，传送总线采样数据；撤销激活SLRD(指针加1)和SLOE，转向状态4。
状态4：如果有更多的数据要求，则转向状态2；否则转向IDLE。
实现以上状态机的仿真波形如图4所示。
2.2.2 从属FIFO异步“写”操作
实现异步从属FIFO“写”的状态机如图5所示。其状态转移进程如下：
IDLE：当写事件发生时，转到状态1。
状态1：指向IN FIFO，激活FIFOADR[1：O]，转向状态2。
状态2：如果FIFO满标志为“假”(FIFO不满)，则转向状态3；否则停留在状态2。
状态3：传送总线驱动数据。为一个IFCLK激活SLWR，转向状态4。
状态4：如果有更多的数据要写，则转向状态2；否则转向IDLE。
用QuartusⅡ进行仿真验证，其仿真波形如图6所示，在此过程中USB_SLWR信号很重要，经分析可知，本状态机实现的FIFO写控制信号完全正确。
3 实验结果
对传输的数据进行验证，可通过FPGA编程生成O～255的数据传送至CY7C68013的EP6端点，连续传送两次，然后利用EZ一USB Control Panel软件测试所接收到的数据，测试结果如图7所示，可以看出，数据传输准确无误。
4 结 语
USB 2.0控制器CY7C68013已经被广泛应用到许多数据传输领域，由于USB具有灵活的接口和可编程特性，大大简化了外部硬件的设计，提高了系统可靠性。该设计可扩展性好，已经被应用于数据传输与采集的板卡上，经实际测试，没有出现数据的误码等错误，数据传送正确，传输速率可达30 MHz／s以上，满足设计要求。