【紫光同创国产FPGA教程】【第二十八章】USB双向测速例程
本原创教程由芯驿电子科技（上海）有限公司（ALINX）创作，版权归本公司所有，如需转载，需授权并注明出处（http://www.alinx.com）。适用于板卡型号：PGL22G1. 简介本教程介绍如何使用FTDI公司的FT232H驱动芯片进行USB数据传输，文中从底层FPGA、驱动层固件（FT232H固件）及上位机测试软件设计方面阐述了USB开发的整个流程。2. 实验原理2.1 FT232H原理介绍FT232H是由FTDI公司生产的单路USB2.0驱动芯片，USB速度高达480Mb/s，支持转UART或FIFO模式，并可配置成多种工业串行或并行接口：（1）可配置成UART接口；（2）FT245同步FIFO接口；（3）FT245风格异步FIFO接口；（4）同步或异步Bit-Bang接口；（5）MPSSE接口；（6）Fast串口；（7）CPU风格FIFO接口；（8）FT1248接口。在本实验中配置成FT245同步FIFO接口。下面是FT232H的内部结构图。https://pic3.zhimg.com/80/v2-cfe61624483e1031200b3645d223e0ae_720w.jpg2.2 硬件原理图如下为AX7035/AX7050开发板的USB部分原理图，USB驱动芯片采用FT232HL，配置为FT245 FIFO模式，通过与93LC56存储芯片相连，将FT232HL配置为FT245 FIFO模式的信息存储于芯片中。https://pic1.zhimg.com/80/v2-d1450cc19e4deb872528d678dc0f8f0c_720w.jpgAX7050 USB部分原理图https://pic2.zhimg.com/80/v2-c76ef1d2d4378c7b7d9f2707799181c5_720w.jpgAX7035 USB部分原理图2.3 FT245 FIFO接口引脚如下表所示为FT245 FIFO接口，ADBUS为并行接口，供FPGA使用，RXF#，TXE#为FT232H输出信号，用于通知FPGA是否可读可写，RD#，WR#为读写输入信号，由FPGA控制，CLKOUT为输出时钟60MHz，OE#为输出全能，需要在RD#有效之前至少提前一个时钟周期。https://pic3.zhimg.com/80/v2-6748cb4358c0f0816fdb28db25937eaa_720w.jpg2.4 FT245 FIFO时序下图为FT245 FIFO模式时序图，读时序中，首先FT232H将RXF#拉低，此时可以读取FIFO里的数据，FPGA可将OE#先拉低，过至少一个时钟周期，再将RD#拉低，在CLKOUT上升沿采集数据；写时序中，FT232H将TXE#拉低，表示现在可写，FPGA可将WR#拉低，在CLKOUT上升沿写入数据。https://pic4.zhimg.com/80/v2-44166da790c1e6c82a1b123241de092f_720w.jpg3. 程序设计程序设计比较简单，功能实现为将从FT232H的读FIFO中读取的数据存储到双口RAM中，再将数据从RAM读取出来发送到FT232H的写FIFO中，实现数据的环通。代码实现根据前面所讲的时序图，实现其功能即可。https://pic1.zhimg.com/80/v2-da4b2c49df0345b87efc6c27e0d1b460_720w.jpg代码中采用了简单的状态机，首先在IDLE状态下判断ft_rxf_n信号是否是0，如果是0，进入READ状态，开始读取FT232H的数据，并存入RAM中，如果ft_rxf_n拉高，进入IDLE状态；否则判断ft_txe_n是否为0并且RAM空间不为空，进入WRITE状态，将RAM数据写入FT232H，如果ft_txe_n拉高或者RAM空了，进入IDLE状态。引脚名称功能描述
ft_clkFT232H时钟，CLKOUT频率60MHz
rst复位信号，高电平有效
ft_rxf_nRXF# FT232H FIFO可以读，低电平有效
ft_txe_nTXE# FT232H FIFO可以写，低电平有效
ft_oe_nOE# 输出使能，低电平有效
ft_rd_nRD# 读信号，低电平有效
ft_wr_nWR#写信号，低电平有效
ft_dataFT232H数据端口，8位位宽，双向IO
4. 实验流程4.1 安装FTDI D2xx driver在05_芯片手册\ft232h文件夹中可以找到CDM v2.12.28 WHQL Certified_x64.zip，将其解压。https://pic2.zhimg.com/80/v2-584e6bd4923731a3f51ffb58465cf045_720w.jpg取出开发板，连接上开发板的USB接口，打开电源https://pic2.zhimg.com/80/v2-60bb2cf294fd92c92cdf08fe7cc56425_720w.jpg打开设备管理器，出现新设备，右键点击更新驱动程序软件https://pic4.zhimg.com/80/v2-3c12f04832c3bb540a0483424ce88c0b_720w.jpg点击浏览计算机以查找驱动程序软件https://pic3.zhimg.com/80/v2-7e2a78079a0c2bc0ef26dbbb60ac69e2_720w.jpg点击浏览找到解压的文件夹，点击确定，并点击下一步。成功安装驱动后如下图：https://pic1.zhimg.com/80/v2-fc21e87f38908284236186a4f92a3134_720w.jpg可以看到出现 USB Serial Converter设备https://pic2.zhimg.com/80/v2-1bdfab74cfbf9672bf6a8809fd59afa5_720w.jpg4.2 实验现象将程序下载到FPGA中，找到上位机测速软件，打开软件https://pic2.zhimg.com/80/v2-18952edff2e37f35eddfede4a615f25d_720w.jpg选择USB设备，点击开始按钮https://pic2.zhimg.com/80/v2-45e9468aa525a7ee5ac1b86358acd095_720w.jpg可以看到读写速度在40MB/s附近变动，点击暂停按钮可停止测速。https://pic1.zhimg.com/80/v2-49978d9e55862a4337dd5dc7369535a8_720w.jpg有些同学想要看看USB传输的数据，在这里我们提供 了“USB测试工具“，工具在下图中位置：https://pic4.zhimg.com/80/v2-b0f6fb8df37b7f7333abfef9fb99bcdf_720w.jpg操作如下：1）首先确保程序（与测速软件一致）已下载到FPGA中，连接好USB线，找到上位机测速软件并打开，在选择设备下拉框里找到USB 设备， 如果没有显示 USB 设备， 点击“刷新” 按钮 之后选择好设备， 点击“打开” 按钮。如下图：https://pic1.zhimg.com/80/v2-43c6f264bd2b3223016a678e45bf9c94_720w.jpg2）在数据输入框输入十六进制数据， 再点击发送， 可以在显示窗口看到发送和接收的数据， 进行数据对比， 验证正确性。https://pic3.zhimg.com/80/v2-77d87cc1b0a1b5fc97029e01ee3cf3aa_720w.jpg在这里需要注意下：发送数据需要为偶数个，否则上位机会截取偶数个数据发送， 如下图， 最后一个数据 f 并没有发送出去。https://pic4.zhimg.com/80/v2-886e50e324cce9a9ab7d8734aafe2a93_720w.jpg3）“刷新” 按钮类似于关闭端口， 点击“刷新” 按钮后， 发送数据， 不会有反应， 需要点击
“打开” 按钮打开 USB 设备。https://pic1.zhimg.com/80/v2-52ece54d0ac2cb7291552a6ed133cba8_720w.jpg5. 总结本实验介绍了FT232H芯片FT245 FIFO模式的读写测速，大家可以结合各自的应用编写上位机程序实现所需功能。
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