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利用FPGA实现外设通信接口之: 典型实例-USB 2.0接口的设计与实现

2013/08/30
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10.7  典型实例17:USB 2.0接口的设计与实现

10.7.1  实例的内容及目标

1.实例的主要内容

本节旨在设计实现了FPGA通过FX2 USB 2.0接口芯片与PC机进行高速数据通信,分为读数据、写数据和读写数据3部分内容。帮助读者进一步了解USB接口芯片的工作原理和设计方法。

2.实例目标

通过本实例,读者应达到如下目标。

·  了解FX2 CY7C68013芯片的工作原理和Slave FIFO模式时序。

·  了解FX2的固件设计以及USB驱动程序设计。

·  熟练掌握状态机的使用。

·  实现FPGA与PC机之间的USB接口通信。

10.7.2  USB接口通信实战步骤

首先创建工程并为工程添加文件,如图10.30所示。

然后编译工程并下载至硬件,如图10.31所示。

       

图10.30  创建工程并添加文件       图10.31  编译工程并下载

 

接下来可以加载固件了,固件程序的载入有两种方式。

(1)通过芯片的I2C总线连接外部的EEPROM,固件代码事先通过烧写器写入EEPROM中,USB设备上电运行时,通过I2C总线将EEPROM中固件代码载入。EZ-USB支持外部EEPROM通过总线来下载固件,这种方式使开发者可以从外围硬件来下载8051程序代码,但是不利于在设备开发阶段使用。

(2)使用该芯片特有软配置功能,将固件程序存储在计算机中,当该设备接入USB电缆时,由于EZ-USB具有重新枚举的能力,所以在初始化枚举以后,用户只需要通过Cypress公司提供的开发软件USB Control Panel中Download项,就可以将固件载入到控制芯片中。该方法完全是软操作,不需要额外的硬件设备,方便程序的修改调试。

使用USB Control Panel进行固件程序下载的界面如图10.32所示。

图10.32  USB Control Panel界面

单击“Download…”按钮,选择“slavefifo.hex”。下载固件成功以后显示如图10.33信息。

图10.33  下载固件程序

其中,通过单击“GetPipes”按钮可以查看通道信息。

现在固件程序后,即可进行USB通信测试。

根据不同的程序,选择相应的测试软件,测试USB接口的传输速度。如图10.34所示是Red Logic工作室提供的基于红色飓风II的USB测试软件。

图10.34  USB测试软件

 

10.7.3  USB接口通信实例结果

实现FPGA与PC机之间的USB通信,并且在PC机的超级终端上面测试USB的读写速度,如图10.35和图10.36所示。关于EZ-USB的详细内容,可参见工程文件夹中提供的相关文档。

图10.35  USB测试结果

图10.36  USB测试结果

 

10.7.4  FPGA代码的设计实现

本程序功能是配合CY68013的Slave FIFO接口时序。它完成接收从主机下传的60KB数据,写入板上SRAM里,然后从板上SRAM中读出,再上传至主机。整个传输过程通过CY68013的Slave FIFO来交互。

整个程序由一个状态机构成,包括以下状态:

Parameter IDLE='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;

每个状态的作用描述如下。

·  IDLE:整个操作过程(包括读SLAVE FIFO和写SLAVE FIFO)的入口。对相关的寄存器进行初始化,然后转入READ_EVENT状态,开始读SLAVE FIFO操作。

·  READ_EVENT:把u_addr[1:0]置为’b00,指向输出FIFO(对应端点6),然后转入POINT_TO_OUT_FIFO状态。

·  POINT_TO_OUT_FIFO:判断u_flagc是否为高(u_flagc为高指示输出FIFO为空,即输出FIFO中有数据),如果为高,则启动读过程,把u_sloe置为低,转入DATA_READY状态,第一个16位数据出现在总线上;否则说明输出FIFO中无数据,等待。

·  DATA_READY:判断u_flagc是否为高,如果为高,把u_slrd拉低,继续读取下16位数据。同时为把上一16位数据写入SRAM做准备(主要是SRAM的三态总线),同时转入READ状态,否则转入POINT_TO_OUT_FIFO,等待下一次读取过程。

·  READ:把上一16位数据写入SRAM,同时把u_slrd拉高,当前16位数据读取结束。判断是否是60KB数据,如果不是,则转入DATA_READY状态,继续读操作;否则转入READ_END状态,读操作结束。

·  READ_END:把相关寄存器置为初始态,转入WRITE_EVENT状态,开始写操作。

·  POINT_TO_IN_FIFO:为从SRAM中读取数据作准备,转入WRITE_READY状态。

·  WRITE_READY:判断u_flagb是否为高(u_flagb为高指示输入FIFO非满),如果为高,则启动写过程,从SRAM中读取数据并送到SLAVE FIFO总线上,把u_lswr置为低,转入WRITE状态;否则说明输入FIFO已满,等待。

·  WRITE:把u_slwr置为高,当前数据写入SLAVE FIFO。判断是否是60KB数据,如果不是,则转入WRITE_READY状态,继续写操作;否则转入WRITE_END状态,写操作结束。

 

·  WRITE_END:把相关寄存器置为初始态,转入IDLE状态,开始下一个60KB的读写操作。

状态机的源代码如下:

case(STATE)

     IDLE:

          begin

          //添加RESET状态

          data_wr<='h0;                // USB接口信号初始化

          u_slwr<='b1;

          u_slrd<='b1;

          u_sloe<='b1;

          u_addr0<='b1;

          u_addr1<='b1;

          oe<='b0;

     

          sram_d_i<='h0;               // SRAM的控制信号初始化

          sram_a<='h3ffff;

          sram_re<='b1;

          sram_wr<='b1;

          wr_flag<='b0;

          

          STATE<=READ_EVENT;

          end

     READ_EVENT:

          begin

          wr_flag<='b1;               // 设定读写标志

          u_addr0<='b0;               // 指定端点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,开始读数据

               begin

               u_sloe<='b0;          // 开始从FX2的端点FIFO读数据

               u_slrd<='b1;

               STATE<=DATA_READY;

               end

          else

              begin               // 如果flagc为低,FIFO为空,等待FIFO有数据

              u_sloe<='b1;      // 停止从FX2的端点FIFO读数据

              u_slrd<='b1;

              STATE<=POINT_TO_OUT_FIFO;

              end

          end

     DATA_READY:

          begin

          if(u_flagc)             // 如果flagc为高,继续读取下一个数据

              begin

              u_slrd<='b0;       

              sram_a<=sram_a+1;  // 把上一个读取的数据写入SRAM

              sram_d_i<=data;

              sram_wr<='b0;

              sram_re<='b1;

              STATE<=READ;        // 完成数据写入后,进入读数据状态

              end

          else

              begin

              u_slrd<='b1;        // 如果FIFO空,回到等待状态

              u_sloe<='b1;

              STATE<=POINT_TO_OUT_FIFO;

              end

          end

     READ:

          Begin              

          u_slrd<='b1;            // 完成上一个数据的SRAM写周期

          sram_re<='b1;

          sram_wr<='b1;

          

          if(sram_a!=ADDR_FULL)   // 如果SRAM地址没有到最大值,继续读操作

              STATE<=DATA_READY;

          else

              STATE<=READ_END;  // 如果SRAM地址到达最大值,结束读操作

          end

     READ_END:

          begin

          u_slrd<='b1;           // 回到初始状态,准备写操作

          u_sloe<='b1;

          u_addr0<='b0;

          u_addr1<='b0;

          sram_a<='h3ffff;

          STATE<=WRITE_EVENT;

          end

     WRITE_EVENT:

          begin

          u_addr0<='b0;         // 指定写数据的端点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;   // 从SRAM中读取一个数据

          sram_re<='b0;

          sram_wr<='b1;

          STATE<=WRITE_READY;

          end

     WRITE_READY:

          begin

          if(u_flagb) 

              begin              // 如果FIFO不满,开始写数据到FX2的FIFO

              data_wr<=sram_d;

              u_slwr<='b0;

              u_slrd<='b1;

              STATE<=WRITE;

              end

          else

              begin       

              u_slwr<='b1;        // 如果FIFO已满,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地址没有达到最大值,继续从SRAM读数据

              sram_wr<='b1;

              sram_re<='b0;

              STATE<=WRITE_READY;

              end

          else

              begin

              sram_a<='h3ffff; // 如果SRAM地址达到最大值,复位SRAM地址,进入写结束

              sram_wr<='b1;

              sram_re<='b1;

              STATE<=WRITE_END;

              end

          end

     WRITE_END:

          begin

          wr_flag='b0;          // 结束写FX2 FIFO状态,回到初始的IDLE状态

          sram_a<='h3ffff;

          u_addr0<='b1;

          u_addr1<='b1;

          STATE<=IDLE;

          end

     default:

          STATE<=IDLE;

     endcase

10.7.5  小结

本节对利用USB接口芯片FX2来完成FPGA和PC机的高速数据传输做了介绍,并通过编译下载在红色飓风的开发板上实现了预定功能。

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