基于FPGA技術的USB2.0接口設計實踐

今天給大俠帶來基于FPGA的USB2.0設計，附源碼，獲取源碼，請在“FPGA技術江湖”公眾號內回復“ USB2.0設計源碼”，可獲取源碼文件。話不多說，上貨。

2019年9月4日，USB-IF終于正式公布USB 4規(guī)范。它引入了Intel此前捐獻給USB推廣組織的Thunderbolt雷電協(xié)議規(guī)范，雙鏈路運行(Two-lane)，傳輸帶寬因此提升，與雷電3持平，都是40Gbps。需要注意的是，你想要體驗最高傳輸速度，就必須使用經過認證的全新數(shù)據線。USB4保留了良好的兼容性，可向下兼容USB 3.2/3.1/3.0、雷電3。除此之外，USB4將只有USB Type-C一種接口，并支持多種數(shù)據、顯示協(xié)議，包括DisplayPort，可以一起充分利用高速帶寬，也支持USB PD供電。

比較遺憾的是，USB4的發(fā)布時間暫未公布。值得注意的是，此次發(fā)布的USB4是規(guī)范，而并非USB4.0。在此之前，USB Implemente rs Forum（USB-IF）計劃取消USB 3.0/3.1命名，統(tǒng)一劃歸為USB 3.2。其中USB 3.0更名USB 3.2 Gen 1（5Gbps），USB 3.1更名USB 3.2 Gen 2(10Gbps)，USB 3.2更名為USB 3.2 Gen 2x2（20Gbps）。

以上就是關于USB標準以及命名的訊息，而今天我們要做設計的是USB2.0，USB2.0的設備是按照2.0的電源標準設計的，設備所需的電流小于500mA，而USB3.0接口可以提供更大的電流，所以用在USB3.0接口是安全的，這就是標準向下兼容的道理。反之，USB3.0的設備，是否能夠在USB2.0接口使用，就要查看設備的說明書。通常的電源都是電壓源，設備與電源的電壓必須相等，而電源的輸出電流要大于設備的電流，即電源功率要大于設備功率。

現(xiàn)在大部分USB設備(比如USB接口的鼠標、鍵盤、閃存、U盤等等)都是采用了USB通用驅動，而你的系統(tǒng)有USB通用驅動的話(比如XP就內建了USB通用驅動)就能用。而有些USB設備是需要特殊驅動的，比如某些手機，連接到電腦的USB口，是需要安裝驅動才能使用的。下面我們一起動手做一做，了解一下如何設計。

設計原理

USB(Universal Serial Bus2.0，通用串行總線)是一種應用在計算機領域的新型接口技術。USB接口具有傳輸速度更快，支持熱插拔以及連接多個設備的特點。目前已經在各類外部設備中廣泛的被采用。USB接口有三種:USB1.1，USB2.0和USB3.2。理論上USB1.1的傳輸速度可以達到12Mbps，而USB2.0則可以達到速度480Mbps，并且可以向下兼容USB1.1。

本次設計我們選擇一款開發(fā)設備，一塊廉價的開發(fā)板，其中的USB芯片是Cypress的FX2LP系列中的CY7C68013A代，詳細的介紹大家可以去Cypress的官網查詢。下面簡述一下設計思路。

FX2的設計架構如下圖，內嵌480MBit/s的收發(fā)器，鎖相環(huán)PLL，串行接口引擎SIE——集成了整個USB 2.0協(xié)議的物理層。為適應USB 2.0的480MBit/s的速率，F(xiàn)IFO端點可配置成2，3，4個緩沖區(qū)。配置用的是“軟配置”——USB固件可由USB總線下載，片上不需集成ROM。擁有四個FIFO接口，可工作在內部或外部時鐘下。端點和FIFO接口的應用使外部邏輯和USB總線可高速連接。

基于FX2LP的USB開發(fā)，包括三部分：固件程序、驅動、上位機軟件。固件程序我們在kiil中寫出來，然后配置到我們的芯片中，固件的開發(fā)對于FPGA工程師來說是不用寫的，是其他工程師配置好芯片后我們直接拿來使用，其主要的配置過程如下圖。

先上電復位，然后初始化寄存器變量，然后調用配置函數(shù)，打開中斷后，判斷是否接受到了配置包，如果接收到了就調用TD_POLL()函數(shù)，這個是函數(shù)是不停的執(zhí)行掃描端點等。然后判斷芯片是否掛起，如果掛起就叫醒芯片，如果沒有就一直調用TD_POLL函數(shù)，這樣就完成所需要的配置。

這里的項目設計要求是要把FX2配置成從FIFO的模式，配置為單片機工作時鐘24M，端點2輸出，字節(jié)1024，端點6輸入，字節(jié)1024，信號全設置為低電平有效等。模塊驅動時鐘配置成內部輸出時鐘，也就是讓FX2給項目設計當作時鐘源，輸出一個最大的配置時鐘48M的時鐘。FX2的數(shù)據存儲區(qū)叫端點，有512、1024字節(jié)兩個存儲大小之分。

從FIFO說明

當有一個與FX2芯片相連的外部邏輯只需要利用FX2做為一個USB 2.0接口而實現(xiàn)與主機的高速通訊，而它本身又能夠提供滿足Slave FIFO要求的傳輸時序，可以做為Slave FIFO主控制器時，即可考慮用此傳輸方式。?

Slave FIFO傳輸?shù)氖疽鈭D如下：?

在這種方式下，F(xiàn)X2內嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相關的寄存器以及控制FX2何時工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件將相關的寄存器配置完畢，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部邏輯（如FPGA）即可按照Slave FIFO的傳輸時序，高速與主機進行通訊，而在通訊過程中不需要8051固件的參與。

FX2系列的有3種封裝方式，我們我的開發(fā)板用的是56引腳的封裝方式的電路圖，其電路圖如下所示：

端口介紹

IFCLK：FX2輸出的時鐘，可做為通訊的同步時鐘。

SLCS：FIFO的片選信號，外部邏輯控制，當SLCS輸出高時，不可進行數(shù)據傳輸。

SLOE：FIFO輸出使能，外部邏輯控制，當SLOE無效時，數(shù)據線不輸出有效數(shù)據。

SLRD：FIFO讀信號，外部邏輯控制，同步讀時，F(xiàn)IFO指針在SLRD有效時的每個IFCLK的上升沿遞增。

SLWR：FIFO寫信號，外部邏輯控制，同步寫時，在SLWR有效時的每個IFCLK的上升沿時數(shù)據被寫入，F(xiàn)IFO指針遞增。

FD[15:0]：數(shù)據線。

FIFOADR[1:0]：選擇四個FIFO端點的地址線，外部邏輯控制。

FLAG A,B,C端點的空滿標志位。

開發(fā)驅動大家可以在網上找，然后根據自己系統(tǒng)裝上合適的驅動。上位機軟件用的是官方的開發(fā)工具，只有如下的安裝包，然后安裝第一個和第二個就好了。

設計代碼

總模塊usb：

module  usb(pi_clk, clk, pi_rst_n, pi_usb_flagb, pi_usb_flagc, pio_usb_data, 
  po_usb_oe_n, po_usb_wr_n, po_usb_address, po_usb_rd_n, led);


  input clk;
  input pi_clk;
  input pi_rst_n;
  input pi_usb_flagb;          
  input pi_usb_flagc;          
  inout [15:0] pio_usb_data;


  output  po_usb_oe_n;          
  output  po_usb_wr_n;          
  output  po_usb_rd_n;          
  output  [1:0] po_usb_address;  
  output led;
  wire po_rst_n;


  delay delay_dut(
    .pi_clk(pi_clk),
    .pi_rst_n(pi_rst_n), 
    .po_rst_n(po_rst_n)
  );


  usb_wr wr_dut(
    .pi_clk(pi_clk),
    .pi_rst_n(po_rst_n),
    .pi_usb_flagb(pi_usb_flagb), 
    .pi_usb_flagc(pi_usb_flagc), 
    .pio_usb_data(pio_usb_data), 
    .po_usb_oe_n(po_usb_oe_n), 
    .po_usb_wr_n(po_usb_wr_n),
    .po_usb_address(po_usb_address),
    .po_usb_rd_n(po_usb_rd_n)
  );


  my_pll  my_pll_inst (
    .areset ( ~ pi_rst_n ),
    .inclk0 ( clk ),
    .c0 ( c0_sig ),
    .locked ( locked_sig )
  );
??
endmodule

讀模塊usb_rd：

module usb_rd(pi_clk, pi_rst_n, pi_usb_flagb, pi_usb_flagc, pio_usb_data, 
  po_usb_oe_n, po_usb_rd_n, po_usb_address, po_usb_wr_n, led);


  input pi_clk;
  input pi_rst_n;
  input pi_usb_flagb;              //端點2標志信號
  input pi_usb_flagc;                    //端點6標志信號
  inout [15:0]  pio_usb_data;            //輸入輸出端口


  output reg po_usb_oe_n;                //讀標志信號
  output reg po_usb_rd_n;                //寫使能
  output reg po_usb_wr_n;                //讀使能
  output reg [1:0] po_usb_address;       //端點地址選擇
  output reg led;


  reg [15:0] temp_data;
  reg [9:0] count;
  reg [2:0] state;


  assign pio_usb_data = (state == 10) ? 1 : 16'hzzzz;    //讀數(shù)據，可以一直釋放數(shù)據總線的控制權


  always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
    if(!pi_rst_n)
      begin
        state <= 0;
        po_usb_oe_n <= 1;
        po_usb_rd_n  <= 1;
        count <= 0;
        po_usb_wr_n <= 1;
        temp_data <= 0;
      end
    else
      case (state)  
        0  :  state <= 1;


        1  :  begin
              po_usb_address <= 2'b00;  //地址指向端點2
              state <= 2;          
            end


        2  :  if(!pi_usb_flagb)      //判斷端點2已經滿
              begin
                po_usb_rd_n  <= 0;
                state <= 3;
                po_usb_oe_n <= 0;
              end
            else
              state <= 2;


        3  :  begin  
            if(count < 512 - 1)      //接收1024字節(jié)的數(shù)據
              begin
                count <= count + 1'b1;
              end
            else
              begin
                count <= 0;
                state <= 4;
              end
            if (count == 2)
              begin
                temp_data <= pio_usb_data;
              end
            end


        4  :  begin
              po_usb_rd_n  <= 1;
              po_usb_oe_n <= 1;
              state <= 0;
            end


        default:  state <= 0;
      endcase


  always @ (*)
    if(!pi_rst_n)
      led <= 1;
    else if (temp_data == 16'h33ff)
      led <= 0;


endmodule

寫模塊 usb_wr：

module usb_wr(pi_clk, pi_rst_n, pi_usb_flagb, pi_usb_flagc, pio_usb_data, 
  po_usb_oe_n, po_usb_wr_n, po_usb_address, po_usb_rd_n);


  input pi_clk;
  input pi_rst_n;
  input pi_usb_flagb;            //端點2標志信號
  input pi_usb_flagc;            //端點6標志信號
  inout [15:0] pio_usb_data;            //輸入輸出端口


  output reg po_usb_oe_n;          //讀標志信號
  output reg po_usb_wr_n;          //寫使能
  output reg po_usb_rd_n;          //讀使能
  output reg [1:0] po_usb_address;    //端點地址選擇


  reg [15:0] temp_data;
  reg [2:0] state;


  //在狀態(tài)的3，拿回數(shù)據總線控制全，給寫入數(shù)據
  assign pio_usb_data = (state == 3) ? temp_data : 16'hzzzz;


  always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
    if(!pi_rst_n)
      begin
        state <= 0;
        po_usb_oe_n <= 1;
        po_usb_wr_n  <= 1;
        temp_data <= 0;
        po_usb_rd_n <= 1;
      end
    else
      case (state)  
        0  :  state <= 1;


        1  :  begin
              po_usb_address <= 2'b10;  //地址指向端點6
              state <= 2;          
            end


        2  :  if(!pi_usb_flagc)      //判斷端點6已經空
              begin
                po_usb_wr_n  <= 0;
                state <= 3;
              end
            else
              state <= 2;


        3  :  if(temp_data < 512 - 1)        //發(fā)送1024字節(jié)的數(shù)據
              temp_data <= temp_data + 1'b1;
            else
              begin
                temp_data <= 0;
                state <= 4;
              end


        4  :  begin
              po_usb_wr_n  <= 1;
              state <= 0;
            end


        default:  state <= 0;
      endcase


endmodule

延時模塊?delay：

module delay(pi_clk, pi_rst_n, po_rst_n);


  input pi_clk;
  input pi_rst_n;


  output reg po_rst_n;


  parameter T1ms = 50000;
  reg [15:0] count;


  always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
    if(!pi_rst_n)
      begin
        count <= 0;
        po_rst_n <= 0;
      end
    else
      begin
        if(count < T1ms - 1)  
          count <= count + 1;
        else
          begin
            count <= count;
            po_rst_n <= 1;
          end
      end


endmodule

上位機測試

安裝好驅動和下載的上位機軟件，然后在下面的界面中，點擊”LGEEPROM”按鈕，下載我們寫好的的.IIC固件。

然后在下面的頁面中會出現(xiàn)先選擇other endpt xfers選項中會出現(xiàn)4個端點，然后選擇寫入的端點或者讀的端點執(zhí)行讀寫操作。

寫的端點是6端點，選擇這個端點，寫入端點是1024個字節(jié)，這里設置的是512字節(jié)，也就是寫入2次就可以寫滿了，如下圖，和我們編寫的代碼中寫入數(shù)據值是一樣的。

讀操作也就是要讀端點2，我們先要給端點一個數(shù)，然后才能讀我們的端點，我們寫入圖中顯示的數(shù)，因為我們設計的是讀出的數(shù)，如果第三個數(shù)位33ff ，就讓我們的燈亮，值得一說的是，我們上位機顯示的時候是把低位顯示到了前面，高位顯示到了后面，我們一個包是1024字節(jié)，后面的數(shù)自動補零，讀出數(shù)據后可以看到我們的led燈亮，驗證出我們的設計正確。