基于FPGA NANO2开发板实现USB2.0接口通信的设计方案

基于FPGA实现USB2.0接口通信， USB2.0 PHY芯片是Cypress68013， 68013内部集成8051 内核，USB2.0芯片读写需要对8051核进行固件配置。

一．FX2特性介绍

1．1、介绍

Cypress Semiconductor公司的EZ－USB FX2是世界上第一款集成USB2.0的微处理器，它集成了USB2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。FX2这种独创性结构可使数据传输率达到56Mbytes/s，即USB2.0允许的最大带宽。在FX2中，智能SIE可以硬件处理许多USB1.1和USB2.0协议，从而减少了开发时间和确保了USB的兼容性。GPIF（General Programmable Interface）和主/从端点FIFO（8位或16位数据总线）为ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了简单和无缝连接接口。

1．2、结构

CY7C68013结构图如图1所示。它有三种封装形式：56SSOP，100TQFP和128TQFP。

1．3、特征

★ 内嵌480MBit/s的收发器，锁相环PLL，串行接口引擎SIE——集成了整个USB 2.0协议的物理层。

★ 为适应USB 2.0的480MBit/s的速率，FIFO端点可配置成2，3，4个缓冲区。

★ 内嵌可工作在48MHz的增强型8051，它具有以下特征：

- 具有256Byte的寄存器空间，两个串口，三个定时器，两个数据指针。

- 四个机器周期（工作在48MHz下时为83.3ns）即组成一个指令周期。

- 特殊功能寄存器（包括I/O口控制寄存器）可高速访问。

- 应用USB向量中断，具有极短的ISR响应时间。

- 只用作USB事务管理，控制，不参与数据传输，较好地解决了USB高速模式的带宽问题。

★ “软配置”——USB固件可由USB总线下载，片上不需集成ROM。

★ 拥有四个FIFO接口，可工作在内部或外部时钟下。端点和FIFO接口的应用使外部逻辑和USB总线可高速连接。

★ 内嵌通用可编程接口GPIF，它是一个状态机，可充当主控制器，提供外部逻辑和USB总线的“无胶粘贴”。

★ 一种单片USB 2.0外设解决方案，不需要外部的协议物理层，FX2把所有的功能集成在一个芯片上。

二、Slave FIFO传输

2．1、概述

当有一个与FX2芯片相连的外部逻辑只需要利用FX2做为一个USB 2.0接口而实现与主机的高速通讯，而它本身又能够提供满足Slave FIFO要求的传输时序，可以做为Slave FIFO主控制器时，即可考虑用此传输方式。

Slave FIFO传输的示意图如下：

在这种方式下，FX2内嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相关的寄存器以及控制FX2何时工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件将相关的寄存器配置完毕，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部逻辑（如FPGA）即可按照Slave FIFO的传输时序，高速与主机进行通讯，而在通讯过程中不需要8051固件的参与。

2．2、硬件连接（标准）

在Slave FIFO方式下，外部逻辑与FX2的连接信号图如下：

IFCLK：FX2输出的时钟，可做为通讯的同步时钟；

FLAGA，FLAGB，FLAGC，FLAGD：FX2输出的FIFO状态信息，如满，空等；

SLCS：FIFO的片选信号，外部逻辑控制，当SLCS输出高时，不可进行数据传输；

SLOE：FIFO输出使能，外部逻辑控制，当SLOE无效时，数据线不输出有效数据；

SLRD：FIFO读信号，外部逻辑控制，同步读时，FIFO指针在SLRD有效时的每个IFCLK的上升沿递增，异步读时，FIFO读指针在SLRD的每个有效—无效的跳变沿时递增；

SLWR：FIFO写信号，外部逻辑控制，同步写时，在SLWR有效时的每个IFCLK的上升沿时数据被写入，FIFO指针递增，异步写时，在SLWR的每个有效—无效的跳变沿时数据被写入，FIFO写指针递增；

PKTEND：包结束信号，外部逻辑控制，在正常情况下，外部逻辑向FX2的FIFO中写数，当写入FIFO端点的字节数等于FX2固件设定的包大小时，数据将自动被打成一包进行传输，但有时外部逻辑可能需要传输一个字节数小于FX2固件设定的包大小的包，这时，它只需在写入一定数目的字节后，声明此信号，此时FX2硬件不管外部逻辑写入了多少字节，都自动将之打成一包进行传输；

FD［15:0］：数据线；

FIFOADR［1:0］：选择四个FIFO端点的地址线，外部逻辑控制。

2．3、 Slave FIFO的几种传输方式

2．3．1 、同步Slave FIFO写

同步Slave FIFO写的标准连接图如下：

同步Slave FIFO写的标准时序如下：

IDLE：当写事件发生时，进状态1；

状态1：使FIFOADR［1:0］指向IN FIFO，进状态2；

状态2：如FIFO满，在本状态等待，否则进状态3；

状态3：驱动数据到数据线上，使SLWR有效，持续一个IFCLK周期，进状态4；

状态4：如需传输更多的数，进状态2，否则进状态IDLE。

状态跳转示意图如下：

几种情况的时序图示意如下（FULL，EMPTY，SLWR，PKTEND均假定低有效）：

图示FIFO中本来没有数据，外部逻辑写入第一个数据时的情况。

图示假定FX2设定包大小为512字节，外部逻辑向FIFO端点中写入的数据达512字节时的情况。此时FX2硬件自动将已写入的512字节打成一包准备进行传输，这个动作就和在普通传输中，FX2固件向FIFO端点中写入512字节后，把512这个数写入EPxBC中一样，只不过这个过程是由硬件自动完成的。在这里可以看出“FX2固件不参与数据传输过程”的含义了。外部逻辑只须按上面的时序图所示的时序向FIFO端点中一个一个字节（或字）地写数，写到一定数量，FX2硬件自动将数据打包传输，这一切均不需固件的参与，由此实现高速数据传输。

图示的是FIFO端点被写满时的情况。

2．3．2 、同步Slave FIFO读：

同步Slave FIFO读的标准连接图如下：

同步Slave FIFO读的标准时序如下：

IDLE：当读事件发生时，进状态1；

状态1：使FIFOADR［1:0］指向OUT FIFO，进状态2；

状态2：使SLOE有效，如FIFO空，在本状态等待，否则进状态3；

状态3：从数据线上读数，使SLRD有效，持续一个IFCLK周期，以递增FIFO读指针，进状态4；

状态4：如需传输更多的数，进状态2，否则进状态IDLE。

状态跳转示意图如下：

几种情况的时序图示意如下（FULL，EMPTY，SLRD，SLOE均假定低有效）：

图示正常情况时的时序。

图示FIFO被读空时的情况。

几种情况的时序图示意如下（FULL，EMPTY，SLWR，PKTEND均假定低有效）：

图示FIFO中本来没有数据，外部逻辑写入第一个数据时的情况。

三、测试USB接口：

对于USB接口的测试，本次实验控制开发板上面的USB接口实现与PC机的通信。

用usb2.0线连接pc与开发板usb接口，先下载s3_dram.bit程序，在没有掉电的情况下，打开相应的EZ-USB软件（ez-usb为usb2.0接口PC端驱动，安装文件在 “CY7C68013开发相关工具” 目录下）。

在使用前，接上USB2.0接口到PC端，PC端设备管理器可以识别到USB设备，如果没有识别到USB设备，需要手动安装驱动，驱动文件为ezusbw2k.inf（测试目录下）的文件，手动选择inf所在目录。

启动画面如下图：

上图表示连接可以进行下面测试，通过EZ_USB软件下载相应固件s3_dpram.bit程序，slavefifo.hex文件在“下载bit”目录下点击Download，

双击打开相应读写的usb接口VC程序（如下图）

看到写的测试现象，流过的数据速率。

应用平台 ：红色飓风NANO2

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