基于FPGA技术的USB2.0接口设计实践

今天给大侠带来基于FPGA的USB2.0设计，附源码，获取源码，请在“FPGA技术江湖”公众号内回复“ USB2.0设计源码”，可获取源码文件。话不多说，上货。

2019年9月4日，USB-IF终于正式公布USB 4规范。它引入了Intel此前捐献给USB推广组织的Thunderbolt雷电协议规范，双链路运行(Two-lane)，传输带宽因此提升，与雷电3持平，都是40Gbps。需要注意的是，你想要体验最高传输速度，就必须使用经过认证的全新数据线。USB4保留了良好的兼容性，可向下兼容USB 3.2/3.1/3.0、雷电3。除此之外，USB4将只有USB Type-C一种接口，并支持多种数据、显示协议，包括DisplayPort，可以一起充分利用高速带宽，也支持USB PD供电。

比较遗憾的是，USB4的发布时间暂未公布。值得注意的是，此次发布的USB4是规范，而并非USB4.0。在此之前，USB Implementers Forum（USB-IF）计划取消USB 3.0/3.1命名，统一划归为USB 3.2。其中USB 3.0更名USB 3.2 Gen 1（5Gbps），USB 3.1更名USB 3.2 Gen 2(10Gbps)，USB 3.2更名为USB 3.2 Gen 2x2（20Gbps）。

以上就是关于USB标准以及命名的讯息，而今天我们要做设计的是USB2.0，USB2.0的设备是按照2.0的电源标准设计的，设备所需的电流小于500mA，而USB3.0接口可以提供更大的电流，所以用在USB3.0接口是安全的，这就是标准向下兼容的道理。反之，USB3.0的设备，是否能够在USB2.0接口使用，就要查看设备的说明书。通常的电源都是电压源，设备与电源的电压必须相等，而电源的输出电流要大于设备的电流，即电源功率要大于设备功率。

现在大部分USB设备(比如USB接口的鼠标、键盘、闪存、U盘等等)都是采用了USB通用驱动，而你的系统有USB通用驱动的话(比如XP就内建了USB通用驱动)就能用。而有些USB设备是需要特殊驱动的，比如某些手机，连接到电脑的USB口，是需要安装驱动才能使用的。下面我们一起动手做一做，了解一下如何设计。

设计原理

USB(Universal Serial Bus2.0，通用串行总线)是一种应用在计算机领域的新型接口技术。USB接口具有传输速度更快，支持热插拔以及连接多个设备的特点。目前已经在各类外部设备中广泛的被采用。USB接口有三种:USB1.1，USB2.0和USB3.2。理论上USB1.1的传输速度可以达到12Mbps，而USB2.0则可以达到速度480Mbps，并且可以向下兼容USB1.1。

本次设计我们选择一款开发设备，一块廉价的开发板，其中的USB芯片是Cypress的FX2LP系列中的CY7C68013A代，详细的介绍大家可以去Cypress的官网查询。下面简述一下设计思路。

FX2的设计架构如下图，内嵌480MBit/s的收发器，锁相环PLL，串行接口引擎SIE——集成了整个USB 2.0协议的物理层。为适应USB 2.0的480MBit/s的速率，FIFO端点可配置成2，3，4个缓冲区。配置用的是“软配置”——USB固件可由USB总线下载，片上不需集成ROM。拥有四个FIFO接口，可工作在内部或外部时钟下。端点和FIFO接口的应用使外部逻辑和USB总线可高速连接。

基于FX2LP的USB开发，包括三部分：固件程序、驱动、上位机软件。 固件程序我们在kiil中写出来，然后配置到我们的芯片中，固件的开发对于FPGA工程师来说是不用写的，是其他工程师配置好芯片后我们直接拿来使用，其主要的配置过程如下图。

先上电复位，然后初始化寄存器变量，然后调用配置函数，打开中断后，判断是否接受到了配置包，如果接收到了就调用TD_POLL()函数，这个是函数是不停的执行扫描端点等。然后判断芯片是否挂起，如果挂起就叫醒芯片，如果没有就一直调用TD_POLL函数，这样就完成所需要的配置。

这里的项目设计要求是要把FX2配置成从FIFO的模式， 配置为单片机工作时钟24M，端点2输出，字节1024，端点6输入，字节1024，信号全设置为低电平有效等。模块驱动时钟配置成内部输出时钟，也就是让FX2给项目设计当作时钟源，输出一个最大的配置时钟48M的时钟。FX2的数据存储区叫端点，有512、1024字节两个存储大小之分。

从FIFO说明

当有一个与FX2芯片相连的外部逻辑只需要利用FX2做为一个USB 2.0接口而实现与主机的高速通讯，而它本身又能够提供满足Slave FIFO要求的传输时序，可以做为Slave FIFO主控制器时，即可考虑用此传输方式。 

Slave FIFO传输的示意图如下： 

在这种方式下，FX2内嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相关的寄存器以及控制FX2何时工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件将相关的寄存器配置完毕，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部逻辑（如FPGA）即可按照Slave FIFO的传输时序，高速与主机进行通讯，而在通讯过程中不需要8051固件的参与。

FX2系列的有3种封装方式，我们我的开发板用的是56引脚的封装方式的电路图，其电路图如下所示：

端口介绍

IFCLK：FX2输出的时钟，可做为通讯的同步时钟。

SLCS：FIFO的片选信号，外部逻辑控制，当SLCS输出高时，不可进行数据传输。

SLOE：FIFO输出使能，外部逻辑控制，当SLOE无效时，数据线不输出有效数据。

SLRD：FIFO读信号，外部逻辑控制，同步读时，FIFO指针在SLRD有效时的每个IFCLK的上升沿递增。

SLWR：FIFO写信号，外部逻辑控制，同步写时，在SLWR有效时的每个IFCLK的上升沿时数据被写入，FIFO指针递增。

FD[15:0]：数据线。

FIFOADR[1:0]：选择四个FIFO端点的地址线，外部逻辑控制。

FLAG A,B,C端点的空满标志位。

开发驱动大家可以在网上找，然后根据自己系统装上合适的驱动。上位机软件用的是官方的开发工具，只有如下的安装包，然后安装第一个和第二个就好了。

设计代码

总模块usb：

module  usb(pi_clk, clk, pi_rst_n, pi_usb_flagb, pi_usb_flagc, pio_usb_data, 
  po_usb_oe_n, po_usb_wr_n, po_usb_address, po_usb_rd_n, led);


  input clk;
  input pi_clk;
  input pi_rst_n;
  input pi_usb_flagb;          
  input pi_usb_flagc;          
  inout [15:0] pio_usb_data;


  output  po_usb_oe_n;          
  output  po_usb_wr_n;          
  output  po_usb_rd_n;          
  output  [1:0] po_usb_address;  
  output led;
  wire po_rst_n;


  delay delay_dut(
    .pi_clk(pi_clk),
    .pi_rst_n(pi_rst_n), 
    .po_rst_n(po_rst_n)
  );


  usb_wr wr_dut(
    .pi_clk(pi_clk),
    .pi_rst_n(po_rst_n),
    .pi_usb_flagb(pi_usb_flagb), 
    .pi_usb_flagc(pi_usb_flagc), 
    .pio_usb_data(pio_usb_data), 
    .po_usb_oe_n(po_usb_oe_n), 
    .po_usb_wr_n(po_usb_wr_n),
    .po_usb_address(po_usb_address),
    .po_usb_rd_n(po_usb_rd_n)
  );


  my_pll  my_pll_inst (
    .areset ( ~ pi_rst_n ),
    .inclk0 ( clk ),
    .c0 ( c0_sig ),
    .locked ( locked_sig )
  );
  
endmodule

读模块usb_rd：

module usb_rd(pi_clk, pi_rst_n, pi_usb_flagb, pi_usb_flagc, pio_usb_data, 
  po_usb_oe_n, po_usb_rd_n, po_usb_address, po_usb_wr_n, led);


  input pi_clk;
  input pi_rst_n;
  input pi_usb_flagb;              //端点2标志信号
  input pi_usb_flagc;                    //端点6标志信号
  inout [15:0]  pio_usb_data;            //输入输出端口


  output reg po_usb_oe_n;                //读标志信号
  output reg po_usb_rd_n;                //写使能
  output reg po_usb_wr_n;                //读使能
  output reg [1:0] po_usb_address;       //端点地址选择
  output reg led;


  reg [15:0] temp_data;
  reg [9:0] count;
  reg [2:0] state;


  assign pio_usb_data = (state == 10) ? 1 : 16'hzzzz;    //读数据，可以一直释放数据总线的控制权


  always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
    if(!pi_rst_n)
      begin
        state <= 0;
        po_usb_oe_n <= 1;
        po_usb_rd_n  <= 1;
        count <= 0;
        po_usb_wr_n <= 1;
        temp_data <= 0;
      end
    else
      case (state)  
        0  :  state <= 1;


        1  :  begin
              po_usb_address <= 2'b00;  //地址指向端点2
              state <= 2;          
            end


        2  :  if(!pi_usb_flagb)      //判断端点2已经满
              begin
                po_usb_rd_n  <= 0;
                state <= 3;
                po_usb_oe_n <= 0;
              end
            else
              state <= 2;


        3  :  begin  
            if(count < 512 - 1)      //接收1024字节的数据
              begin
                count <= count + 1'b1;
              end
            else
              begin
                count <= 0;
                state <= 4;
              end
            if (count == 2)
              begin
                temp_data <= pio_usb_data;
              end
            end


        4  :  begin
              po_usb_rd_n  <= 1;
              po_usb_oe_n <= 1;
              state <= 0;
            end


        default:  state <= 0;
      endcase


  always @ (*)
    if(!pi_rst_n)
      led <= 1;
    else if (temp_data == 16'h33ff)
      led <= 0;


endmodule

写模块 usb_wr：

module usb_wr(pi_clk, pi_rst_n, pi_usb_flagb, pi_usb_flagc, pio_usb_data, 
  po_usb_oe_n, po_usb_wr_n, po_usb_address, po_usb_rd_n);


  input pi_clk;
  input pi_rst_n;
  input pi_usb_flagb;            //端点2标志信号
  input pi_usb_flagc;            //端点6标志信号
  inout [15:0] pio_usb_data;            //输入输出端口


  output reg po_usb_oe_n;          //读标志信号
  output reg po_usb_wr_n;          //写使能
  output reg po_usb_rd_n;          //读使能
  output reg [1:0] po_usb_address;    //端点地址选择


  reg [15:0] temp_data;
  reg [2:0] state;


  //在状态的3，拿回数据总线控制全，给写入数据
  assign pio_usb_data = (state == 3) ? temp_data : 16'hzzzz;


  always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
    if(!pi_rst_n)
      begin
        state <= 0;
        po_usb_oe_n <= 1;
        po_usb_wr_n  <= 1;
        temp_data <= 0;
        po_usb_rd_n <= 1;
      end
    else
      case (state)  
        0  :  state <= 1;


        1  :  begin
              po_usb_address <= 2'b10;  //地址指向端点6
              state <= 2;          
            end


        2  :  if(!pi_usb_flagc)      //判断端点6已经空
              begin
                po_usb_wr_n  <= 0;
                state <= 3;
              end
            else
              state <= 2;


        3  :  if(temp_data < 512 - 1)        //发送1024字节的数据
              temp_data <= temp_data + 1'b1;
            else
              begin
                temp_data <= 0;
                state <= 4;
              end


        4  :  begin
              po_usb_wr_n  <= 1;
              state <= 0;
            end


        default:  state <= 0;
      endcase


endmodule

延时模块 delay：

module delay(pi_clk, pi_rst_n, po_rst_n);


  input pi_clk;
  input pi_rst_n;


  output reg po_rst_n;


  parameter T1ms = 50000;
  reg [15:0] count;


  always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
    if(!pi_rst_n)
      begin
        count <= 0;
        po_rst_n <= 0;
      end
    else
      begin
        if(count < T1ms - 1)  
          count <= count + 1;
        else
          begin
            count <= count;
            po_rst_n <= 1;
          end
      end


endmodule

上位机测试

安装好驱动和下载的上位机软件，然后在下面的界面中，点击”LGEEPROM”按钮，下载我们写好的的.IIC固件。

然后在下面的页面中会出现先选择other endpt xfers选项中会出现4个端点，然后选择写入的端点或者读的端点执行读写操作。

写的端点是6端点，选择这个端点，写入端点是1024个字节，这里设置的是512字节，也就是写入2次就可以写满了，如下图，和我们编写的代码中写入数据值是一样的。

读操作也就是要读端点2，我们先要给端点一个数，然后才能读我们的端点，我们写入图中显示的数，因为我们设计的是读出的数，如果第三个数位33ff ，就让我们的灯亮，值得一说的是，我们上位机显示的时候是把低位显示到了前面，高位显示到了后面，我们一个包是1024字节，后面的数自动补零，读出数据后可以看到我们的led灯亮，验证出我们的设计正确。

以上就是我们的基于FPGA的usb2.0设计了，希望能给各位大侠起到参考学习作用，此次设计到此结束，有缘再见，告辞。

审核编辑：黄飞