徐超，劉沖,王永綱 （中國科學技術大學 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大的數據處理能力而被廣泛應用于數據采集與處理系統中。USB2.0因其數據傳輸速率快和接口的多樣化而廣泛使用。以USB2.0控制器CY7C68013A為接口設計和實現了上位機與FPGA中FIFO與寄存器之間的讀寫。經測試表明，該設計達到了47 MB/s的數據傳輸速率，接近USB2.0控制芯片的最高速率48 MB/s。
關鍵詞：FPGA；USB2.0；CY7C68013A；數據傳輸
0引言
目前，系統設備不斷向高速化、集成化、低功耗的方向飛速發展。而現場可編程門陣列FPGA經過這些年的發展，已經成為實現數字系統的主流平臺之一。FPGA具有高度的靈活性和強大的數據處理能力，常被用來定制外設的控制器以及前端處理模塊。但FPGA并沒有提供和上位機之間直接通信的接口，為了更方便地對數據進行后續的分析和保存，就需要解決FPGA和上位機之間的數據傳輸的接口問題。
USB2.0已經廣泛使用于個人電腦中，USB2.0相比于以前的USB版本在速度上有兩個很大的提升。USB2.0協議具有以下優點：（1）速度快，在高速塊傳輸，最大數據字段的模式下，最高可以達到60 MB/s［1］，本文設計的塊傳輸，512 B數據字段的模式下，可達53.2 MB/s； (2）連接簡單，可即插即用；（3）可支持多設備采用“級聯”方式連接外設。
本文通過USB2.0 的外設控制器CY7C68013A，實現了FPGA 和上位機之間數據傳輸接口的設計［24］，經測試，該設計能夠接近理論上的傳輸速度。
1系統結構
USB系統是一個主從系統，所有的命令是由主設備（上位機）發出，從設備接收到命令后，執行所要求的操作。在主設備要求讀數據時，從設備才會向主設備發送數據。圖1給出了整個設計的系統結構圖。
系統讀寫時，由上位機的應用程序發起請求，通過驅動程序接口（API）調用驅動程序。驅動程序控制USB控制器向CY7C68013A發送數據，CY7C68013A的SIE模塊對數據進行解析，然后根據內部的固件程序通過GPIF模塊向FPGA發送時序波形并讀寫數據。在對FPGA進行讀寫FIFO或者Register時，FPGA與USB芯片之間的控制信號由內部的GPIF決定。2系統軟硬件組成
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，內部集成了一個增強型的8051CPU，該芯片負責配置芯片的工作方式、數據流的控制等，一個串行接口引擎SIE，解析USB協議，實現對上位機的收發，以及可編程的其他外圍接口。該芯片還提供了一種獨特的架構，是USB接口和應用環境共享Slave FIFOs，微控制器不需要參與數據的傳輸，這樣就大大提高了整個系統的數據傳輸速率。本文采用GPIF的模式，通過對GPIF的編程實現數據的傳輸。EZ-USB FX2的內部結構圖如圖2所示。
2.2FPGA的接口設計
FPGA不僅需要和內部其他邏輯模塊連接，還需要對USB的GPIF進行數據的收發。因此，為通用起見，設計FPGA接口實現對寄存器的讀、寫和FIFO的讀、寫操作。 GPIF對FPGA的控制信號CTL只有三位，能區分8種不同的狀態。為了讓FPGA能區分寄存器讀、寫（包括地址和數據）以及FIFO的讀、寫、空閑等7種不同的狀態，CTL控制線的每種編碼決定了唯一的操作狀態。 2.3芯片固件程序設計 固件設計的核心是GPIF的設計［67］，GPIF設計不當以及上位機調用不合理會導致系統的整體速度不高。 GPIF電路工作在48 MHz時鐘下，數據線有16位，兩個周期實現一次FIFO的讀寫，故理論上能夠達到48 MB/s的傳輸速率。
本文采用了“量子FIFO”的處理結構，很好地解決了USB高速模式的帶寬問題。 在GPIF高速數據傳輸中，GPIF波形的描述符決定了整個數據傳輸過程的時序。通常用Cypress公司的GPIF工具進行配置，在GPIF方式下，所有的讀寫和控制邏輯都可以通過軟件編程的形式實現，具有很大的靈活性。
由于GPIF的狀態機只能由一個狀態跳轉到兩個不同的狀態，而在FIFO讀寫過程中需要檢測的變量和跳轉的狀態比較多，有時就需要進行多級跳轉，這樣嚴重限制了數據的傳輸速度。為解決這個問題，本文在分析了所有的跳轉情況后，將正常讀寫FIFO的跳轉次數減少，而將特殊情況跳轉次數增加，使得兩個時鐘周期內進行一次讀寫操作，這樣保證了功能的實現，且保證了48 MB/s的讀寫速度。
圖3給出了FIFO讀操作模式下設計的GPIF的狀態轉換示意圖。當USB控制線設置為FIFO讀模式時，系統進入狀態S1,此時，申請FIFO數據線驅動USB數據總線，此時如果GPIF內部的FIFO沒有問題且FPGA給出以準備好的信號，進入S2狀態， S2申請讀FIFO，FIFO可讀，則進入狀態S3，向USB總線發送數據，如果GPIF的FIFO沒有問題且未讀完，則回到狀態S2，如此循環，直到數據讀完。讀完數據后，最終會回到空閑狀態，表明本次數據傳輸完成。
從上面的過程中可以看出，在兩個時鐘周期內完成了一個16 bit數據的傳輸，充分利用了USB2.0的數據帶寬，提高了數據傳輸速率。 圖4給出了FIFO寫操作模式下的GPIF的轉換圖，與上面的分析類似，兩個周期內就能夠完成一次數據傳輸。
2.4驅動和應用程序設計
Cypress 提供了Windows系統下的驅動，并以C++靜態鏈接庫的形式提供了調用驅動的函數庫。設計中在此基礎上封裝了讀寄存器、寫寄存器、讀FIFO、寫FIFO四個函數，并以DLL形式提供給用戶。上層使用的是MATLAB平臺，需要在該平臺上配置MEX編譯器，并使用loadlibrary函數以加載動態鏈接庫，加載后便可以調用DLL里提供的讀寫函數了。DLL也能被其他平臺調用。
3性能測試
為了驗證該設計方案，本文在帶有CY7C68013A和XILINX ARTIX 7 的電路板上對數據傳輸的正確性和傳輸速度進行了測試。
3.1測試方法
對寄存器的讀寫驗證比較簡單，只需先通過DLL中的讀寫寄存器函數對不同地址的寄存器進行寫操作，然后讀出來進行比對即可。
而對FIFO讀操作驗證，需要在FPGA的內部例化一個FIFO和一個計數器，并將計數器輸出的數據從0到65 535依次寫入到FIFO中，然后上層MATLAB中讀到的FIFO的值就應該是從0到65 535依次遞增的序列。而通過測量讀取一定數目的數據的時間就可以計算出USB的讀出速度。FIFO寫操作的驗證與FIFO讀類似，不過在將數據寫進FIFO后，需要由FPGA將FIFO中的數據與期望的數列比較。
3.2測試結果
本文在MATLAB平臺上進行了驗證，對寄存器和FIFO的讀寫操作完整正確，對FIFO進行讀寫的實測速度達到了47 MB/s，接近于理論上的48 MB/s。4結論 本文在USB2.0協議的基礎上，設計并實現了FPGA與上位機之間的高速數據傳輸系統，驗證了該方案傳輸數據的正確性并且實測速度能夠達到47 MB/s，接近于理論上的48 MB/s傳輸速度。該方案具有穩定、高速以及調用方便的優點，目前已經應用于多個實驗裝置中。
參考文獻
［1］ 王成儒, 李英偉. USB2.0 原理與工程開發［M］. 北京: 國防工業出版社,2004
［2］ 譚安菊,龔彬. USB2.0控制器CY7C68013與FPGA接口的Verilog HDL實現［J］. 電子工程師,2007，33（7）:52 55.
［3］ 吳振宇,常玉保,馮林. 基于FPGA和USB2.0的高速數據采集系統［J］. 儀器儀表學報,2006，27（S1）:125 126.
［4］ 安榮,任勇峰,李圣昆. 基于FPGA和USB2.0的數據采集系統［J］. 儀表技術與傳感器,2009（3）:49 51.
［5］ 錢峰. EZ USB FX2 單片機原理、編程及應用［M］.北京: 北京航空航天大學出版社,2006.
［6］ EZ USB Technical Reference Manual［EB/OL］. （2014 05 02）［2016 03 30］http://www.cypress.com/?rID=38232.
［7］ Cypress CyAPI Programmer's Reference［EB/OL］. （2011 xx xx）［2016 03 30］http://www.cypress.com/?docID=41365.
