通过CY7C68013控制器与FPGA芯片实现Verilog HDL接口设计

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，它解决了与网络通信问题，而且端口扩展性能好、容易使用。最新的USB2.0支持3种速率：低速1.5 Mbit/s，全速12 Mbit/s，高速480 Mbit/s。这3种速率可以满足目前大部分外设接口的需要。

本文介绍了目前使用较多的USB2.0控制器CY7C68013芯片与FPGA（现场可编程门阵列）芯片接口的Verilog HDL（硬件描述语言）实现。本系统可扩展，完全可用于其他高速数据采集系统中。

1 系统构成

本系统主要是由FPGA和USB2.0控制器CY7C268013组成，系统框图及其信号连接关系如图1所示。可以根据实际系统的需要，用FPGA实现预定功能，如数据采集卡、控制硬盘读写等。

1.1 控制器CY7C68013

Cypress公司的EZ-USB FX 2是第一个包含USB2.0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。

1.1.1 CY7C68013结构特点

EZ-USB FX2提供了一种独持架构，使USB接口和应用环境直接共享FIFO，而微控制器可不参与数据传输，但允许以FIFO或RAM的方式访问这些共享FIFO，这种被称之为“量子FIFO”的处理架构，较好地解决了USB高速模式的带宽问题。

FX2芯片在数据传输时主要利用了4 kB的FIFO，分为7个端点：EPOIN&OUT、EP1IN、EP1OUT、EP2、EP4、EP6和EP8。其中EPO、EPlIN和EP1OUT是3个64 B的缓存，只能被固件访问，EP0是一个默认的数据输入输出端口缓存；EP1IN和EP1OUT是单独的64 B缓存，呵以配置这些端点为块传输、中断传输或同步传输；端点2、4、6、8是大容量高带宽的数据传输端点，可以配置为各种带宽以满足实际需要，端点2、4是输出端点，端点6、8是输入端点。值得注意的是，端点4、8能配置为每帧512 B，而端点2、6却能配置为每帧512 B或1 024 B，并可配置为2、3、4级，这样EP2或EP6最大能配置为4 kB的缓存。

其在内部的传输控制是通过full（满）和empty（空）两个控制信号来完成的，当full为真时不能再写数据，当empty为真时不能再对FIFO进行读，其内部数据传输示意图如图3所示。

如图3所示，USB执行OUT传输，将EP2端点设成512 B四重FIFO。在USB端和外部接门端都并不知道有四重FIFO。USB端只要有1个FIFO为“半满”，就可以继续发送数据。当操作的FIFO写“满”时，FX2自动将其转换到外部接口端，排队等候读取；并将USB接口队列中下一个为“空”的FIFO转移到USB接口上，供其继续写数据。外部接门端与此类似，只要有1个FIFO为“半满”，就可以继续读取数据。当前操作的FIFO读“空”时，FX2自动将其转换到USB接口端，排队等候写入；并将外部接口队列中下一个为“满”的FIFO转移到外部接口上，供其继续读取。

1.1.2 Fx2接口方式

FX2有Slave FIFO和GPIF两种接口方式。

Slave FIFO是从机方式，即FX的CPU不直接参与USB数据处理，而是简单地把FX作为USB和外部数据处理逻辑（如ASIC、DSP和IDE（串行接口引擎）控制器）之间的通道，数据流并不经过CPU，而是通过FX的FIFO直接传输。FIFO通过外部主机控制，同时，FIFO提供所需的时序信号、握手信号（满、空等）和输出使能等。

可编程接口GPIF是主机方式，GPIF作为内部主机控制端点FIFO，其core是一个可编程状态机，可以生成多达6个控制输出信号和9个地址输出信号，能外接6个外部Ready输入信号和2个内部Ready输入信号。通过用户自定义的波形描述符来控制状态机，使用软件编程读写控制波形，几乎可以对任何8/16 hit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 接口的Verilog HDL编程实现

在本设计巾采用Slave FIFO从机方式实现FPGA对FX的控制，通过Verilog HDL编程实现。FPGA可以根据实际情况选定。我们在设计时选用Xilinx公司的Virtex-Ⅱ设备（XC2V10004FG456C）。

2.1 异步FIFO读数据

FX读数据也就是数据从FX传到FPGA的过程，其过程如下：

a）反复检测控制线状态，当读事件发生时，即控制线con_out_z=0和RD_disk=10时，转到 b；

b）分配FIFOADR［1：0］=00，这时FIFO指针会指向输出端点，表明使用端点EP2；

c）检查FIFO是否空，当empy=1时表示FIFO不空，转到状态d，否则保持在状态C；

d）赋值SLOE=0，使双向数据线FD在输出状态，采样FD数据线上的数据，并在SLRD的上升沿使FIFO指针门动加1，跳转到e；

e）假如有更多的数据需要读，转到状态b，否则转到状态a。

对读数据编程如下：

用Mentor软件Modelsim进行仿真验证，其仿真波形如图4所示。在此过程中，SLRD信号特别重要，在SLRD的下降沿把FlFO中的数据放到FD数据线上；在SLRD的上升沿把FIFO指针加1，并指向下一个单元。

2.2 异步FIFO写数据

向FIFO写数据是读数据的逆过程，也就是把FP-GA数据写入FX的FIFO，其编程过程如下：

a）查询控制信号线con_out_z和WR_disk，看是否有读事件发生，如果有，就转移到状态b，否则保持在状态a；

b）分配FIFOAFR［1：0］=10，FIFO指针指向输入端点，转向状态c；

c）检查FIFO的满标志是否为1，假如fuIl=1，表示FIFO不满，转到状态d，否则保持在状态c；

d）把外部数据indata放在FD上，同时把SLWR拉高，以使得FIFO指针自动加1，然后转到状态e；

e）假如有更多的数据要传输，转到状态b，否则转到状态a。

其程序与写FIFO数据时一样，只是在生成SLWR信号时，需要注意控制信号之间的保持延时时间约束，这可以通过仿真结果进行适当修改。

读数据信号仿真波形如图5所示。但必须注意的是，在SLWR的下降沿把indata数据线上的数据放到FD数据线上；在SLWR的上降沿把FD数据线上的数据放人FIFO，并同时使FIFO指针加1，指向下一个缓存单元。

3 结束语

现在USB2.O控制器CY7C68013已经应用到许多数据传输领域，由于此芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计，提高了系统可靠性，也利于PCB（印制电路板）的制作与调试。本设计可扩展性好，因此可用于需要处理大容量的数据采集系统中。本设计已经用于对IDE硬盘的读写控制中，实现了对IDE硬盘的快速读写。