基于CYPRESS的USB3.0總線技術的開發應用

1.引言

USB(Universal Serial Bus,通用串行總線)以其無需配置、即插即用等特性獲得了廣泛的應用。2004年提出的USB2.0標準，傳輸速度最大能夠達到480Mbps.但在USB3.0標準中，它的最大傳輸速度幾乎是傳統USB2.0傳輸速度的10倍，達到了5.0Gbps,被定義為“超高速U S B接口”.本文基于CYPRESS的FX3系列USB3.0芯片，對USB3.0總線進行研究開發。

2.USB3.0接口芯片概述

賽普拉斯的EZ-USB FX3是新一代的USB3.0外設控制器，具有高度集成的靈活特性，允許系統設計者將USB3.0添加至任何系統。本文采用的是FX3系列USB3.0芯片CYUSB3014.

FX3是完全兼容USB3.0 V1.0和USB2.0規范的，集成的USB2.0 OTG控制器允許芯片作為主從設備使用。另外，它還支持一些常用的外設接口，如SPI,I2C,UART和I2S可以與外部設備進行通信。

FX3具有一個可進行完全配置的并行通用可編程接口GPIF II,它可以與任何處理器、ASIC或是FPGA連接。它可以輕松無縫地連接至多種常用接口，比如異步SRAM、異步和同步地址數據復用式接口、并行ATA等等。EZ-USB FX3集成了USB3.0和USB2.0物理層(PHY)以及32位ARM926EJ-S微處理器，具有強大的數據處理能力，并可用于構建定制應用。

3.系統整體設計

本系統設計主要由軟件部分和硬件部分組成。軟件部分主要包括三大部分：PC機應用程序、FX3固件程序、FPGA程序。硬件部分主要由FPGA、USB3.0芯片和DDR2組成，硬件的系統框圖如圖2所示。本文主要完成了硬件、PC機應用程序和FPGA程序的設計。

FX3固件程序使用的是Cypress的SDK開發包的固件程序。

3.1 DDR模塊設計

與FPGA相比，USB3.0接口是一個高速的接收單元。在不同工作速度的系統之間，數據緩存是不可或缺的部分，一般來說，使用FIFO基本可以使各系統工作在自己的時鐘頻率下，而不需要反復的互相握手信號就能進行數據的交流。本文設計的數據是保存在計算機上，由于各計算機的硬件配置可能會不一樣，我們設計了DDR2虛擬FIFO模塊來進行數據緩存，為批量傳輸時能夠提供足夠的緩存，不用擔心為緩存不夠電腦來不及存取數據造成數據丟失。

本系統選用兩片MT47H64M16HR,兩片DDR并聯控制總線和地址總線，總存儲容量達到2Gbit,讀寫寬度都為16bit,它具有豐富的資源，足夠滿足本系統的需要。

3.2 USB3.0接口設計

與USB2.0不同的是，USB3.0在與計算機通訊時，它有自己專用的數據通路，專用的數據發送線路和獨立的數據接收線路，即圖3中四線差分信號SSRX+/-和SSTX+/-,從而可以真正的實現全雙工。同時，USB3.0還兼容了USB2.0的D+/-信號接口，從而可以與USB2.0無縫連接。使用從器件FIFO接口與FPGA鏈接，傳輸速度能達到可達到320MBps.圖3為USB芯片與FPGA和PC機的電路連接。

3.3 FPGA邏輯設計

FPGA是整個系統的核心，它需要產生測試數據并將數據存儲到DDR2中，以及將DDR2中讀出的數據轉移到CYUSB3014大的內部FIFO中，因此它主要由如圖2內部所示模塊構成。

3.3.1 USB接口模塊

USB接口模塊主要處理讀寫命令。讀寫命令需要計算機通過USB控制傳輸，傳遞到CYUSB3014中，再由CYUSB3014將具體的命令轉化為電平信號送到FPGA的IO口。USB接口模塊根據UART_RX上的電平信號，判斷出是讀命令還是寫命令，最終產生CYUSB3014的片選CS、使能OE、讀/寫控制等有效信號。

當為寫命令時，CYUSB3014需要將從DDR2中讀取的數據發送出去;當為讀命令，讀取CYUSB3014傳遞過來的數據，流程圖如圖4所示。

圖5、圖6分別為同步寫入和讀出數據的時序圖。由于讀寫最大包為1024字節，所以實際每一包傳輸需要256個周期。圖中的輸入/出DQ數據為測試數據模塊和PC機產生的測試數據，RX即UART_RX信號。

3.3.2 測試數據模塊

當計算機向FPGA發出讀命令時，FPGA產生測試數據。32位數據，高16位為0,低16位循環計數，發送一個周期后，自動清零。

批量(bulk)傳輸時的最大包大小為1024字節，因此測試數據在0~255之間循環變化。

產生測試數據后，數據傳輸流程為DATA->

DDR2->FIFO->CYUSB3014->PC機，實現了將測試數據上傳到PC機的功能。

3.3.3 DDR2接口模塊

該部分直接負責外圍DDR2接口，利用FPGA的DDRII SDRAM IP核實現，按照DDR2芯片MT47H64M16HR來設定控制器的時序參數，控制器根據這些參數值生成滿足MT47H64M16HR時序的接口，再由DDR2模塊進行讀寫控制。

4.測試結果及分析

4.1 寫入數據測試

當應用程序向USB發出寫命令時，FPGA產生測試數據并傳給FX3以便上傳給PC機。

采集1000MB的數據進行記錄，以便在MATLAB中進行分析。

CYPRESS官方開發包中自帶了streamer軟件進行速度測試。在Endpoint選項中選擇Bulk in endpoint端點(Bulk Out對應的是PC機向FPGA寫數據)。由于批量傳輸時的最大包為1024字節，因此需要將Packets perXfer設置為256或以下，Xfers to Queue置為4.不同的USB3.0控制器，速度的測試結果會有所不同。如圖7所示是在64位WIN7系統下的測試及分析結果。如圖7(a)中所示，經過一段時間的速度測試，23704個成功包，0失敗，往P C中寫入數據的速度能夠達到178800KB/S,即1.43Gbps.為了驗證數據的正確性，在MATLAB中對采集的8.0Gb數據進行分析。由于測試數據是0~255之間循環變化，因此可以根據每一包數據的數據差是否為1來判斷數據的正確性，當不為1時報錯。

如圖7(b)所示，讀取的數據是正確的，沒有發生丟數或錯數的情況。

4.2 讀出數據測試

類似的，當應用程序向USB發出讀命令時，同時會產生一組有規律的測試數據，并傳送給CYUSB3014,FPGA直接讀取數據。如下圖8(a)所示是讀入速度測試結果，18252個成功包，0失敗，往USB中寫入數據的速度能夠達到179000KB/S,即1.432Gbps.在FPGA中記錄下隨機采集的32k數據并進行分析，同樣的可以根據數據間的差來判斷數據的正確性，如圖8(b)所示，寫入的數據時正確的，沒有發生丟數錯數的情況。

5.結束語

本文在FPGA和CYUSB3014的基礎上，對USB3.0進行了開發應用。鑒于本文的系統架構，雖然測試數據都是FPGA內部產生，但是對于實際使用高采樣率AD的數據采集系統具有很大的借鑒意義。