利用FPGA實現外設通信接口之： 典型實例-USB 2.0接口的設計與實現

10.7典型實例17：USB2.0接口的設計與實現

10.7.1實例的內容及目標

1．實例的主要內容

本節旨在設計實現了FPGA通過FX2USB2.0接口芯片與PC機進行高速數據通信，分為讀數據、寫數據和讀寫數據3部分內容。幫助讀者進一步了解USB接口芯片的工作原理和設計方法。

2．實例目標

通過本實例，讀者應達到如下目標。

·了解FX2CY7C68013芯片的工作原理和SlaveFIFO模式時序。

·了解FX2的固件設計以及USB驅動程序設計。

·熟練掌握狀態機的使用。

·實現FPGA與PC機之間的USB接口通信。

10.7.2USB接口通信實戰步驟

首先創建工程并為工程添加文件，如圖10.30所示。

然后編譯工程并下載至硬件，如圖10.31所示。

圖10.30創建工程并添加文件 圖10.31編譯工程并下載

接下來可以加載固件了，固件程序的載入有兩種方式。

（1）通過芯片的I2C總線連接外部的EEPROM，固件代碼事先通過燒寫器寫入EEPROM中，USB設備上電運行時，通過I2C總線將EEPROM中固件代碼載入。EZ-USB支持外部EEPROM通過總線來下載固件，這種方式使開發者可以從外圍硬件來下載8051程序代碼，但是不利于在設備開發階段使用。

（2）使用該芯片特有軟配置功能，將固件程序存儲在計算機中，當該設備接入USB電纜時，由于EZ-USB具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉以后，用戶只需要通過Cypress公司提供的開發軟件USBControlPanel中Download項，就可以將固件載入到控制芯片中。該方法完全是軟操作，不需要額外的硬件設備，方便程序的修改調試。

使用USBControlPanel進行固件程序下載的界面如圖10.32所示。

圖10.32USBControlPanel界面

單擊“Download…”按鈕，選擇“slavefifo.hex”。下載固件成功以后顯示如圖10.33信息。

圖10.33下載固件程序

其中，通過單擊“GetPipes”按鈕可以查看通道信息。

現在固件程序后，即可進行USB通信測試。

根據不同的程序，選擇相應的測試軟件，測試USB接口的傳輸速度。如圖10.34所示是RedLogic工作室提供的基于紅色颶風II的USB測試軟件。

圖10.34USB測試軟件

10.7.3USB接口通信實例結果

實現FPGA與PC機之間的USB通信，并且在PC機的超級終端上面測試USB的讀寫速度，如圖10.35和圖10.36所示。關于EZ-USB的詳細內容，可參見工程文件夾中提供的相關文檔。

圖10.35USB測試結果

圖10.36USB測試結果

10.7.4FPGA代碼的設計實現

本程序功能是配合CY68013的SlaveFIFO接口時序。它完成接收從主機下傳的60KB數據，寫入板上SRAM里，然后從板上SRAM中讀出，再上傳至主機。整個傳輸過程通過CY68013的SlaveFIFO來交互。

整個程序由一個狀態機構成，包括以下狀態：

ParameterIDLE=H0,

READ_EVENT=H1,

POINT_TO_OUT_FIFO=H2,

DATA_READY=H3,

READ_INTERVAL=H4,

READ=H5,

READ_END=H6,

WRITE_EVENT=H7,

POINT_TO_IN_FIFO=H8,

WRITE_READY=H9,

WRITE=HA,

WRITE_END=HB;

每個狀態的作用描述如下。

·IDLE：整個操作過程（包括讀SLAVEFIFO和寫SLAVEFIFO）的入口。對相關的寄存器進行初始化，然后轉入READ_EVENT狀態，開始讀SLAVEFIFO操作。

·READ_EVENT：把u_addr[1:0]置為’b00，指向輸出FIFO（對應端點6），然后轉入POINT_TO_OUT_FIFO狀態。

·POINT_TO_OUT_FIFO：判斷u_flagc是否為高（u_flagc為高指示輸出FIFO為空，即輸出FIFO中有數據），如果為高，則啟動讀過程，把u_sloe置為低，轉入DATA_READY狀態，第一個16位數據出現在總線上；否則說明輸出FIFO中無數據，等待。

·DATA_READY：判斷u_flagc是否為高，如果為高，把u_slrd拉低，繼續讀取下16位數據。同時為把上一16位數據寫入SRAM做準備（主要是SRAM的三態總線），同時轉入READ狀態，否則轉入POINT_TO_OUT_FIFO，等待下一次讀取過程。

·READ：把上一16位數據寫入SRAM，同時把u_slrd拉高，當前16位數據讀取結束。判斷是否是60KB數據，如果不是，則轉入DATA_READY狀態，繼續讀操作；否則轉入READ_END狀態，讀操作結束。

·READ_END：把相關寄存器置為初始態，轉入WRITE_EVENT狀態，開始寫操作。

·POINT_TO_IN_FIFO：為從SRAM中讀取數據作準備，轉入WRITE_READY狀態。

·WRITE_READY：判斷u_flagb是否為高（u_flagb為高指示輸入FIFO非滿），如果為高，則啟動寫過程，從SRAM中讀取數據并送到SLAVEFIFO總線上，把u_lswr置為低，轉入WRITE狀態；否則說明輸入FIFO已滿，等待。

·WRITE：把u_slwr置為高，當前數據寫入SLAVEFIFO。判斷是否是60KB數據，如果不是，則轉入WRITE_READY狀態，繼續寫操作；否則轉入WRITE_END狀態，寫操作結束。

·WRITE_END：把相關寄存器置為初始態，轉入IDLE狀態，開始下一個60KB的讀寫操作。

狀態機的源代碼如下：

case(STATE)

IDLE:

begin

//添加RESET狀態

data_wr=h0; //USB接口信號初始化

u_slwr=b1;

u_slrd=b1;

u_sloe=b1;

u_addr0=b1;

u_addr1=b1;

oe=b0;

sram_d_i=h0; //SRAM的控制信號初始化

sram_a=h3ffff;

sram_re=b1;

sram_wr=b1;

wr_flag=b0;

STATE=READ_EVENT;

end

READ_EVENT:

begin

wr_flag=b1; //設定讀寫標志

u_addr0=b0; //指定端點FIFO

u_addr1=b0;

STATE=POINT_TO_OUT_FIFO;

end

POINT_TO_OUT_FIFO:

begin

if(u_flagc) //如果flagc高，FIFO不空，開始讀數據

begin

u_sloe=b0; //開始從FX2的端點FIFO讀數據

u_slrd=b1;

STATE=DATA_READY;

end

else

begin //如果flagc為低，FIFO為空，等待FIFO有數據

u_sloe=b1; //停止從FX2的端點FIFO讀數據

u_slrd=b1;

STATE=POINT_TO_OUT_FIFO;

end

end

DATA_READY:

begin

if(u_flagc) //如果flagc為高，繼續讀取下一個數據

begin

u_slrd=b0;

sram_a=sram_a+1; //把上一個讀取的數據寫入SRAM

sram_d_i=data;

sram_wr=b0;

sram_re=b1;

STATE=READ; //完成數據寫入后，進入讀數據狀態

end

else

begin

u_slrd=b1; //如果FIFO空，回到等待狀態

u_sloe=b1;

STATE=POINT_TO_OUT_FIFO;

end

end

READ:

Begin

u_slrd=b1; //完成上一個數據的SRAM寫周期

sram_re=b1;

sram_wr=b1;

if(sram_a!=ADDR_FULL) //如果SRAM地址沒有到最大值，繼續讀操作

STATE=DATA_READY;

else

STATE=READ_END; //如果SRAM地址到達最大值，結束讀操作

end

READ_END:

begin

u_slrd=b1; //回到初始狀態，準備寫操作

u_sloe=b1;

u_addr0=b0;

u_addr1=b0;

sram_a=h3ffff;

STATE=WRITE_EVENT;

end

WRITE_EVENT:

begin

u_addr0=b0; //指定寫數據的端點FIFO

u_addr1=b1;

oe=b1;

wr_flag=b0;

STATE=POINT_TO_IN_FIFO;

end

POINT_TO_IN_FIFO:

begin

sram_a=sram_a+1; //從SRAM中讀取一個數據

sram_re=b0;

sram_wr=b1;

STATE=WRITE_READY;

end

WRITE_READY:

begin

if(u_flagb)

begin //如果FIFO不滿，開始寫數據到FX2的FIFO

data_wr=sram_d;

u_slwr=b0;

u_slrd=b1;

STATE=WRITE;

end

else

begin

u_slwr=b1; //如果FIFO已滿，等待

u_slrd=b1;

STATE=WRITE_READY;

end

end

WRITE:

begin

u_slwr=b1;

u_slrd=b1;

if(sram_a!=ADDR_FULL)

begin

sram_a=sram_a+1; //如果SRAM地址沒有達到最大值，繼續從SRAM讀數據

sram_wr=b1;

sram_re=b0;

STATE=WRITE_READY;

end

else

begin

sram_a=h3ffff;//如果SRAM地址達到最大值，復位SRAM地址，進入寫結束

sram_wr=b1;

sram_re=b1;

STATE=WRITE_END;

end

end

WRITE_END:

begin

wr_flag=b0; //結束寫FX2FIFO狀態，回到初始的IDLE狀態

sram_a=h3ffff;

u_addr0=b1;

u_addr1=b1;

STATE=IDLE;

end

default:

STATE=IDLE;

endcase

10.7.5小結

本節對利用USB接口芯片FX2來完成FPGA和PC機的高速數據傳輸做了介紹，并通過編譯下載在紅色颶風的開發板上實現了預定功能。