徐超，劉沖,王永綱
　?。ㄖ袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230026）

       摘要：FPGA因其具有高度的靈活性與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力而被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中。USB2.0因其數(shù)據(jù)傳輸速率快和接口的多樣化而廣泛使用。以USB2.0控制器CY7C68013A為接口設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與FPGA中FIFO與寄存器之間的讀寫。經(jīng)測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了47 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，接近USB2.0控制芯片的最高速率48 MB/s。
　　關(guān)鍵詞：FPGA；USB2.0；CY7C68013A；數(shù)據(jù)傳輸　　

0引言
　　目前，系統(tǒng)設(shè)備不斷向高速化、集成化、低功耗的方向飛速發(fā)展。而現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主流平臺(tái)之一。FPGA具有高度的靈活性和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，常被用來(lái)定制外設(shè)的控制器以及前端處理模塊。但FPGA并沒(méi)有提供和上位機(jī)之間直接通信的接口，為了更方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析和保存，就需要解決FPGA和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌趩?wèn)題。
　　USB2.0已經(jīng)廣泛使用于個(gè)人電腦中，USB2.0相比于以前的USB版本在速度上有兩個(gè)很大的提升。USB2.0協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）速度快，在高速塊傳輸，最大數(shù)據(jù)字段的模式下，最高可以達(dá)到60 MB/s［1］，本文設(shè)計(jì)的塊傳輸，512 B數(shù)據(jù)字段的模式下，可達(dá)53.2 MB/s； (2）連接簡(jiǎn)單，可即插即用；（3）可支持多設(shè)備采用“級(jí)聯(lián)”方式連接外設(shè)。
　　本文通過(guò)USB2.0 的外設(shè)控制器CY7C68013A，實(shí)現(xiàn)了FPGA 和上位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸接口的設(shè)計(jì)［24］，經(jīng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)能夠接近理論上的傳輸速度。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　USB系統(tǒng)是一個(gè)主從系統(tǒng)，所有的命令是由主設(shè)備（上位機(jī)）發(fā)出，從設(shè)備接收到命令后，執(zhí)行所要求的操作。在主設(shè)備要求讀數(shù)據(jù)時(shí)，從設(shè)備才會(huì)向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1給出了整個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　系統(tǒng)讀寫時(shí)，由上位機(jī)的應(yīng)用程序發(fā)起請(qǐng)求，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序接口（API）調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序控制USB控制器向CY7C68013A發(fā)送數(shù)據(jù)，CY7C68013A的SIE模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后根據(jù)內(nèi)部的固件程序通過(guò)GPIF模塊向FPGA發(fā)送時(shí)序波形并讀寫數(shù)據(jù)。在對(duì)FPGA進(jìn)行讀寫FIFO或者Register時(shí)，F(xiàn)PGA與USB芯片之間的控制信號(hào)由內(nèi)部的GPIF決定。
2系統(tǒng)軟硬件組成
　　2.1USB2.0接口
　　USB2.0［5］的接口芯片采用CY7C68013A。該芯片包含了USB2.0的集成微控制器，內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型的8051CPU，該芯片負(fù)責(zé)配置芯片的工作方式、數(shù)據(jù)流的控制等，一個(gè)串行接口引擎SIE，解析USB協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的收發(fā)，以及可編程的其他外圍接口。該芯片還提供了一種獨(dú)特的架構(gòu)，是USB接口和應(yīng)用環(huán)境共享Slave FIFOs，微控制器不需要參與數(shù)據(jù)的傳輸，這樣就大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。本文采用GPIF的模式，通過(guò)對(duì)GPIF的編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。EZ-USB FX2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　2.2FPGA的接口設(shè)計(jì)
　　FPGA不僅需要和內(nèi)部其他邏輯模塊連接，還需要對(duì)USB的GPIF進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。因此，為通用起見，設(shè)計(jì)FPGA接口實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的讀、寫和FIFO的讀、寫操作。
　　GPIF對(duì)FPGA的控制信號(hào)CTL只有三位，能區(qū)分8種不同的狀態(tài)。為了讓FPGA能區(qū)分寄存器讀、寫（包括地址和數(shù)據(jù)）以及FIFO的讀、寫、空閑等7種不同的狀態(tài)，CTL控制線的每種編碼決定了唯一的操作狀態(tài)。
　　2.3芯片固件程序設(shè)計(jì)
　　固件設(shè)計(jì)的核心是GPIF的設(shè)計(jì)［67］，GPIF設(shè)計(jì)不當(dāng)以及上位機(jī)調(diào)用不合理會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的整體速度不高。
　　GPIF電路工作在48 MHz時(shí)鐘下，數(shù)據(jù)線有16位，兩個(gè)周期實(shí)現(xiàn)一次FIFO的讀寫，故理論上能夠達(dá)到48 MB/s的傳輸速率。
　　本文采用了“量子FIFO”的處理結(jié)構(gòu)，很好地解決了USB高速模式的帶寬問(wèn)題。
　　在GPIF高速數(shù)據(jù)傳輸中，GPIF波形的描述符決定了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的時(shí)序。通常用Cypress公司的GPIF工具進(jìn)行配置，在GPIF方式下，所有的讀寫和控制邏輯都可以通過(guò)軟件編程的形式實(shí)現(xiàn)，具有很大的靈活性。
　　由于GPIF的狀態(tài)機(jī)只能由一個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到兩個(gè)不同的狀態(tài)，而在FIFO讀寫過(guò)程中需要檢測(cè)的變量和跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)比較多，有時(shí)就需要進(jìn)行多級(jí)跳轉(zhuǎn)，這樣嚴(yán)重限制了數(shù)據(jù)的傳輸速度。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文在分析了所有的跳轉(zhuǎn)情況后，將正常讀寫FIFO的跳轉(zhuǎn)次數(shù)減少，而將特殊情況跳轉(zhuǎn)次數(shù)增加，使得兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行一次讀寫操作，這樣保證了功能的實(shí)現(xiàn)，且保證了48 MB/s的讀寫速度。
　　圖3給出了FIFO讀操作模式下設(shè)計(jì)的GPIF的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。當(dāng)USB控制線設(shè)置為FIFO讀模式時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)S1,此時(shí)，申請(qǐng)F(tuán)IFO數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)USB數(shù)據(jù)總線，此時(shí)如果GPIF內(nèi)部的FIFO沒(méi)有問(wèn)題且FPGA給出以準(zhǔn)備好的信號(hào)，進(jìn)入S2狀態(tài)， S2申請(qǐng)讀FIFO，F(xiàn)IFO可讀，則進(jìn)入狀態(tài)S3，向USB總線發(fā)送數(shù)據(jù)，如果GPIF的FIFO沒(méi)有問(wèn)題且未讀完，則回到狀態(tài)S2，如此循環(huán)，直到數(shù)據(jù)讀完。讀完數(shù)據(jù)后，最終會(huì)回到空閑狀態(tài)，表明本次數(shù)據(jù)傳輸完成。

　　從上面的過(guò)程中可以看出，在兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成了一個(gè)16 bit數(shù)據(jù)的傳輸，充分利用了USB2.0的數(shù)據(jù)帶寬，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。
　　圖4給出了FIFO寫操作模式下的GPIF的轉(zhuǎn)換圖，與上面的分析類似，兩個(gè)周期內(nèi)就能夠完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.4驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
　　Cypress 提供了Windows系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)，并以C++靜態(tài)鏈接庫(kù)的形式提供了調(diào)用驅(qū)動(dòng)的函數(shù)庫(kù)。設(shè)計(jì)中在此基礎(chǔ)上封裝了讀寄存器、寫寄存器、讀FIFO、寫FIFO四個(gè)函數(shù)，并以DLL形式提供給用戶。上層使用的是MATLAB平臺(tái)，需要在該平臺(tái)上配置MEX編譯器，并使用loadlibrary函數(shù)以加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，加載后便可以調(diào)用DLL里提供的讀寫函數(shù)了。DLL也能被其他平臺(tái)調(diào)用。
3性能測(cè)試
　　為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案，本文在帶有CY7C68013A和XILINX ARTIX7 的電路板上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和傳輸速度進(jìn)行了測(cè)試。
　　3.1測(cè)試方法
　　對(duì)寄存器的讀寫驗(yàn)證比較簡(jiǎn)單，只需先通過(guò)DLL中的讀寫寄存器函數(shù)對(duì)不同地址的寄存器進(jìn)行寫操作，然后讀出來(lái)進(jìn)行比對(duì)即可。
　　而對(duì)FIFO讀操作驗(yàn)證，需要在FPGA的內(nèi)部例化一個(gè)FIFO和一個(gè)計(jì)數(shù)器，并將計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)從0到65 535依次寫入到FIFO中，然后上層MATLAB中讀到的FIFO的值就應(yīng)該是從0到65 535依次遞增的序列。而通過(guò)測(cè)量讀取一定數(shù)目的數(shù)據(jù)的時(shí)間就可以計(jì)算出USB的讀出速度。FIFO寫操作的驗(yàn)證與FIFO讀類似，不過(guò)在將數(shù)據(jù)寫進(jìn)FIFO后，需要由FPGA將FIFO中的數(shù)據(jù)與期望的數(shù)列比較。
　　3.2測(cè)試結(jié)果
　　本文在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)寄存器和FIFO的讀寫操作完整正確，對(duì)FIFO進(jìn)行讀寫的實(shí)測(cè)速度達(dá)到了47 MB/s，接近于理論上的48 MB/s。
4結(jié)論
　　本文在USB2.0協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了FPGA與上位機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，驗(yàn)證了該方案?jìng)鬏敂?shù)據(jù)的正確性并且實(shí)測(cè)速度能夠達(dá)到47 MB/s，接近于理論上的48 MB/s傳輸速度。該方案具有穩(wěn)定、高速以及調(diào)用方便的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中。

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