FPGA外接FT232H配置FIFO实现USB通信回环测试

USB英文全称 Universal Serial Bus，即通用串行总线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

FTDI 公司的USB2.0 芯片FT232H 进行USB 通信

FH232H芯片在内部不仅完成了USB 硬件接口差分电平转换，还封装了USB 的相关协议，留出数据交互接口

FH232H可以默认配置为UART模式，还可配置为JTAG,FIFO,IIC,SPI，本次将其配置为FIFO进行实验。

作为FPGA开发者只需要关注数据交互接口的时序即可实现USB功能。

MPSSE/Multi_purpose UART/FIFO controler：该模块为多功能UART/FIFO 控制器，它集成了面向用户的IO，直接负责与用户端（FPGA）进行数据交互。当把FT232H 配置成不同的模式时，管脚会有不同的含义

（I/O是对于FT232H来说）

ADBUS[7:0]: (I/O) 数据端口，双向IO接口（读写不能同时发生）

RD:      (IN)           FT232H中的数据输出使能，由FPGA发送给FT232H，低电平有效

WR:     (IN)            FT232H中的数据输入使能，由FPGA发送给FT232H，低电平有效

RXF:   (OUT)         FT232H中的FIFO数据可读标志位，低电平有效

TXE:    (OUT)        FT232H中的FIFO数据可写标志位，低电平有效

OE:     (IN)             FT232H中的数据输出，低电平有效

CLKOUT: (OUT)    60MHz时钟信号，由FT232H产生并传递给FPGA作为本次实验主时钟

SIWU:   (OUT)       FT232H中的数据立即发送使能，低电平有效

读时序：232拉低RXF表示有数据可读 > FPGA拉低OE使能输出 > 等待数据有效 > FPGA拉低RD > 有效数据 > 232拉高RXF > 读空 > FPGA需要同时拉高RD和OE

写时序：232中FIFO未满 > 232拉低TXE > FPGA拉低WR > 向232写入数据 > 232拉高TXE > 写满

硬件设计：参考https://github.com/WangXuan95/FPGA-ftdi245fifo，正点原子达芬奇Pro

连接好硬件后进行FT232H模式修改：

在官网下载ft_prog

安装后运行，去掉其他FT器件，按如图所示操作

编写代码实现回环（参考正点原子源码）

配置管脚，按硬件连接配置管脚

xilinx vivado FIFO IP核配置：

顶层模块

 

module usb_loopback (    input        usb_clk_60m,  //FT232输出的60M时钟input        sys_rst_n,    //系统复位 ,低电平input        usb_rxf_n,    //FT232H中FIFO数据的可读标input        usb_txe_n,    //FT232H中FIFO数据的可写标output       usb_oe_n,     //FT232H数据输出使能output       usb_rd_n,     //FT232H读使能信号output       usb_wr_n,     //FT232H写使能信号output       usb_siwu_n,   //send immediate/wake upoutput       c7,   //send immediate/wake upinout  [7:0] usb_data      //FT232H双向数据总线);    //wire definewire [7:0] fifo_data_in;  //从FT232进到FPGA的数据wire [7:0] fifo_data_out;  //从FPGA输出到FT232的数据wire       wr_en;  //FPGA FIFO写使能wire       rd_en;  //FPGA FIFO读使能wire       full;  //FPGA FIFO写满信号wire       empty;  //FPGA FIFO读空信号//*****************************************************//** main code//*****************************************************assign usb_siwu_n = 1'b1;  //立即发送，唤醒assign c7 = 1'b1;  //立即发送，唤醒//USB 同步FIFO读写     usb_rw u_usb_rw (        .usb_clk_60m(usb_clk_60m),        .rst_n      (sys_rst_n),        .usb_rxf_n  (usb_rxf_n),        .usb_txe_n  (usb_txe_n),        .usb_oe_n   (usb_oe_n),        .usb_rd_n   (usb_rd_n),        .usb_wr_n   (usb_wr_n),        .fifo_wr_en (wr_en),        .fifo_rd_en (rd_en),        .empty      (empty),        .usb_data   (usb_data),        .fifo_data_in (fifo_data_in),        .fifo_data_out(fifo_data_out)     );    //FPGA FIFO调用     fifo_generator_0 u_fifo_generator_0 (        .clk  (usb_clk_60m),    // input wire clk.srst (1'b0),           // input wire srst.din  (fifo_data_in),   // input wire [7 : 0] din.wr_en(wr_en),          // input wire wr_en.rd_en(rd_en),          // input wire rd_en.dout (fifo_data_out),  // output wire [7 : 0] dout.full (full),           // output wire full.empty(empty)           // output wire empty     );     // ila_0 u_ila_0 (// .clk(usb_clk_60m), // input wire clk// .probe0(fifo_data_out), // input wire [7:0]  probe0  // .probe1(fifo_data_in), // input wire [7:0]  probe1 // .probe2({usb_rxf_n,usb_txe_n,usb_oe_n,usb_rd_n,usb_wr_n}), // input wire [7:0]  probe2 // .probe3(0) // input wire [7:0]  probe3// );endmodule

 

USB模块：

 

module usb_rw (    input            usb_clk_60m,  //FT232 输出的60M 时钟input            rst_n,        //系统复位 ,低电平//FT232Hinput            usb_rxf_n,    //FT232H 中FIFO 数据的可读标志input            usb_txe_n,    //FT232H 中FIFO 数据的可写标志outputreg       usb_oe_n,     //FT232H 数据输出使能outputreg       usb_rd_n,     //FT232H 读使能信号outputreg       usb_wr_n,     //FT232H 写使能信号inout      [7:0] usb_data,     //FT232H 双向数据总线//FPGA FIFOoutputreg       fifo_wr_en,     //FPGA FIFO写使能outputreg       fifo_rd_en,     //FPGA FIFO读使能input            empty,          //FPGA FIFO读空信号input      [7:0] fifo_data_out,  //FPGA FIFO中读出的数据outputreg [7:0] fifo_data_in    //写入FPGA FIFO的数据);    // localparam definelocalparam IDLE = 4'b001;  //FT232H 空闲localparam READ = 4'b010;  //FT232H 读状态，此时数据从FT232H发送到FPGAlocalparam WRITE = 4'b100;  //FT232H 写状态，此时数据从FPGA发送到FT232H//reg definereg [2:0] cur_state;  //读写现状态reg [2:0] next_state;  //读写次状态reg       usb_oe_n_d1;  //usb_oe_n下一拍//*****************************************************//** main code//*****************************************************//在FT232H写状态，将FIFO的数据输出赋值给将USB数据总线，其他时候为高阻态assign usb_data = (next_state == WRITE) ? fifo_data_out : 8'hzz;    //产生FT232H数据输出使能usb_oe_nalways @(posedge usb_clk_60m ornegedge rst_n) beginif (!rst_n) usb_oe_n <= 1'b1;        elseif (!usb_rxf_n) usb_oe_n <= 1'b0;        else usb_oe_n <= 1'b1;    end//FT232H数据输出使能usb_oe_n打一拍always @(posedge usb_clk_60m ornegedge rst_n) beginif (!rst_n) usb_oe_n_d1 <= 1'b1;        else usb_oe_n_d1 <= usb_oe_n;    end//状态跳转always @(posedge usb_clk_60m ornegedge rst_n) beginif (!rst_n) cur_state <= IDLE;        else cur_state <= next_state;    end//读写状态跳转条件always @(*) begincase (cur_state)             IDLE: beginif (usb_rxf_n == 1'b0)  //usb_rxf_n拉低，，ft232中数据可读，下一时钟进入去读FT232H数据                     next_state <= READ;  //usb_txe_n拉低且FPGA FIFO不空进入FT232H写elseif ((usb_txe_n == 1'b0) && (empty == 1'b0)) next_state <= WRITE;//ft232可写且本地fifo不为空else next_state <= IDLE;            end             READ: begin//usb_rxf_n拉高，ft232数据读空，从FT232H读回到空闲状态if ((usb_oe_n_d1 == 1'b1) && (usb_rxf_n == 1'b1)) next_state <= IDLE;                else next_state <= READ;            end             WRITE: begin//usb_txe_n拉高或者FPGA FIFO被读空，回到空闲状态if ((usb_txe_n == 1'b1) || (empty == 1'b1)) next_state <= IDLE;                else next_state <= WRITE;            enddefault: next_state <= IDLE;        endcaseend//状态赋值always @(*) begincase (next_state)             IDLE: begin                 fifo_data_in <= 8'hzz;                 usb_rd_n <= 1'b1;                 usb_wr_n <= 1'b1;                 fifo_wr_en <= 1'b0;                 fifo_rd_en <= 1'b0;            end//读状态时，将usb数据赋值给fifo_data_in             READ: begin                 fifo_data_in <= usb_data;                 usb_wr_n <= 1'b1;                 fifo_rd_en <= 1'b0;                //在usb_oe_n为低且在usb_oe_n下一拍也为低时拉低usb_rd_n，其他时候为高if ((usb_oe_n_d1 == 0) && (usb_oe_n == 0)) usb_rd_n <= 1'b0;//拉低读取标志位，开始读取ft232数据else usb_rd_n <= 1'b1;                //在usb_oe_n下一拍为低，且usb_rxf_n也为低时使能FIFO写if ((usb_oe_n_d1 == 0) && (usb_rxf_n == 0)) fifo_wr_en <= 1'b1;//使能本地fifo写入数据else fifo_wr_en <= 1'b0;            end//写状态时，使能fifo_rd_en和usb_wr_n             WRITE: begin                 fifo_data_in <= 8'hzz;                 usb_rd_n <= 1'b1;                 fifo_wr_en <= 1'b0;                 usb_wr_n <= 1'b0;                 fifo_rd_en <= 1'b1;            enddefault: begin                 fifo_data_in <= 8'hzz;                 usb_rd_n <= 1'b1;                 usb_wr_n <= 1'b1;                  fifo_wr_en <= 1'b0;                 fifo_rd_en <= 1'b0;            endendcaseendendmodule

 

下载完成后断开下载线，只保留USB连接线，使用串口助手 ATK-FUSB测试：

成功的话会在接收窗口看到同样的数据返回。