一款基于CYPRESS的USB3.0總線設計

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。