FPGA的嵌入式系统USB接口设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 FPGA的嵌入式系统USB接口设计 系统工作过程：当有来电时，DAA向FPGA申请中断。FPGA收到中断后，使用USB的中断传输向主机有外接来电，则PC的应用软件会提示用户选择摘机或拒绝。摘机后，FPGA在接收到命令后就会接通电话，然后语音数据通过USB的同步传输开展双向传送。当用户向外拨号时，其过程与来电时的情况是相同的。 2 系统硬件模块设计 2.1系统硬件框图 本设计采用FPGA作为控制器件，其控制对象是USB2.0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56。图2为EZ-USB器件工作在Slave FIFO模式下时FX2 USB和FPGA的典

2、型电路连接图。 2.2 FPGA和USB简介 设计中的控制器件FPGA选用Ahrea公司的EP2C8Q208C8，而USB设备器件则选用Cypress公司的CY7C68013A-56。EP2C8Q208C8是Ahera Cyclone II系列器件中的一种，Cyclone II FPGA是基于Stratix II的90 nm工艺生产的低成本FPGA。Cyclone II FPGA的应用主要定位在终端市场，如消费类电子、计算机、工业和汽车等领域。EP2C8Q208C8内部有2个锁相环(PLL)和8个全局时钟网络，8 256个逻辑单元(LE)个，36个M4K RAM，18个乘法器模块，可用IO数1

3、38个。EP2C8Q208C8具有低成本、高性能、低功耗和对IP-PBX系统的可扩展性(足够多的IO接口)的优点，因此这里选择该器件作为系统的控制器件。 CY7C68013A-56器件是第1个包含USB2.0的集成微控制器，其内部集成有1个增强型的8051，1个智能USB串行接口引擎(SIE)，1个USB数据收发器，3个8位。IO、16位地址线、8.5 KB RAM和4 KB的FIFO等。增强型8051内核完全与标准805l兼容，而性能可到达标准805l的3倍以上。图3为CY7C68013A-56的构造框图。 CY7C68013A器件在数据传输时利用4 KB的FIFO，包含7个端点：EPOIN

4、OUT，EPlIN，EPlOUT，EP2，EP4，EP6，EP8。其中EPO、EPIIN和EPlOUT是3个64 B的缓冲端点，只能被固件访问，EP0是默认的数据输入输出端口缓存，默认工作于控制传输，EPlIN和EPlOUT是独立的64 B缓存，可以配置成块传输、中断传输或同步传输。端点2、4、6、8是大容量高宽带的数据传输端点，可配置为各种带宽以满足实际需求。端点2、6能配置成每帧成512 B或l 024 B，并可配置为2、3、4级，则EP2，EP6能被配置为4 KB的缓存；端点4、8则能配置为每帧512 B的缓存。 3 系统软件设计 3.1 USB Firmware设计 由于设计中使用FP

5、GA控制USB设备开展语音电话通信，所以在USB部分使用3种USB传输模式：控制传输、中断传输、等时传输。控制传输用于实现设备枚举主机的标准请求以及厂商自定义请求；中断传输用于实现设备对主机的唤醒，是的设备主动向主机发送数据的传输方式；等时传输用于实现语音数据的双向同步传输。USB Firmware设计重点是语音的通信段。 CY7C68013A具有PORTS、Slave FIFO、GPlF共3种工作模式。PORTS模式是基本的数据传输方式，其数据传输需CPU直接参与，适于传输速率要求不高的场合；GPIF模式是主机方式，内部主机控制端点FIFO；Slave FIFO模式是从机方式，外部控制器，如

6、FPGA、DSP。应用中使用异步FIFO方式，采用内部48 MHz时钟，自动方式，而固件程序的编写则以Cypress公司提供的固件程序框架为根底，在其初始化函数中添加自己的配置代码。 在整个系统中，CY7C68013A的固件主要完成以下工作：初始化USB器件；作为USB接口与主机通信并传输数据；利用CY7C68013A器件的Slave FlFO接口控制USB器件和外部控制器之间的数据传输。因此同件主程序比较复杂，除了上面的TD_lnit()初始化外，还需要大量函数，但基本构造相对简单，包括3个过程：USB控制器的初始化；主函数，包括处理标准设备请求的代码；中断处理，包括处理各种中断的程序代码。

7、图4为同件主程序流程。 3.2 USB驱动程序 USB系统软件由主机中的软件和设备同件构成。USB主机中的软件主要包括USB设备驱动(USBDD)、USB总线驱动(USBD)和USB主控制器驱动(HCD)。 USB设备驱动程序(或客户驱动程序)处于顶层，它支持特定设备类的驱动，负责与其对应的USB设备开展通信和读写控制，实现各个USB设备特殊的功能应用。连接USB设备的每种类型的功能单元都必须具有客户驱动程序。客户驱动程序把USB设备看作是一个可被访问的端点的集合。USB设备可以被控制并与其功能单元通信。USB设备驱动程序通过IO请求包(IRP)向USB总线驱动程序发送请求。这些请求包将一个给

8、定的传输初始化。这种传输可以来自于一个USB目标设备或发送到USB设备。 USB总线驱动(USBD)是在主机控制器驱动和USB设备驱动之间的模块，它对应USB协议的USBD，在Windows系统中由USBD.SYS模块提供。它是在某一操作系统上对USB总线和协议提供支持的软件，独立于USB设备和USB设备驱动，并对它们开展控制和提供统一编程接口。 USB主控制器驱动程序(HCD)处于层，它负责对主机控制器开展抽象和对USB提供低级支持。 3.3 PC端的软件设计 PC端的软件设计采用面向对象程序设计，分为类(包括Provider，Data，Net)和应用类(包括UI，Call，Record)。

9、其中类提供对硬件、操作系统和网络环境的支持，应用类在类的根底上提供对用户操作的支持。Provider类定义对USB设备的读写操作，提供读取数据方法(readusb()和写数据方法(writeusb()；Data类包括地址数据(Address)、音频数据(Audio)和控制数据(Command)的定义，并提供数据的分解方法(Decompose()和组合方法(Compose()；Net类提供对网络的支持，包括网络协议的选择和数据的接收与发送。UI类提供对用户界面的支持，包括窗口、对话框等，实现基本用户框架与应用入口；Call类提供通话功能；Record类则提供电话录音功能；根据不同应用要求，可扩展其他应用类。具体构造如图5所示。 4 结束语 USB灵活的接口和可编程特性可简化外部硬件的设计，提高系统可靠性。而USB2.O控制器CY7C68013A也广泛应用于许多数据传输领域。FPGA已成为通信、计算机