一种使用ARM+FPGA高速访问USB设备的设计方案详解

引言

目前FPGA通过USB接口获取USB设备中数据的方案大致分为两大类，一类为在FPGA内部实现USB设备控制，另一类为在FPGA外部实现USB设备控制。在FPGA内部实现的方案需要在FPGA内部实现USB控制器，在内部实现或者外接USB收发器。该方案的实现具有较大难度，同时由于USB协议和文件系统都相当复杂，需要使用相当多的FPGA资源，因此完全不能满足快速开发和低FPGA资源占用率的要求。在FPGA外部实现的方案通常使用单芯片的USB解决方案，典型的方案有两种：一种是集成了USB控制器和USB收发器，但需自行实现文件系统，如美国Cypress公司的CY7C67300;另一种是实现了包括文件系统在内的所有USB读取U盘所需的软硬件，只需要FPGA发送命令进行控制即可实现读取U盘，如南京沁恒电子的CH376。在这两类方案中，CY7C67300集成度高，但其只支持USB 1.1，传输速率较低;同时需要FPGA对其进行配置和控制及实现文件系统，FPGA端的开发量较大。CH376支持USB2.0接口，是一个真正的单芯片解决方案;但CH376只支持FAT16/32文件系统，不支持NTFS文件系统，无法读取大于4 GB的大文件。另外，CH376需要FPGA进行配置和控制，因此需要实现CH376的控制逻辑并占用一定的FPGA资源。

由于现有方案均存在数据传输速率低、FPGA开发量大的缺点，本文提出了一种使用ARM+FPGA的方案，通过ARM处理器读取USB设备数据并传输给FPGA，从而实现FPGA从USB设备获取数据。该方案既能达到较高的数据传输速率，又能降低FPGA开发量，同时还具有很高的灵活性。

1 系统设计

本方案的系统设计如图1所示。该系统由ARM处理器、FPGA和USB设备构成，FPGA通过内部开辟的异步RAM空间接收数据，ARM处理器负责将USB设备中数据通过并行总线转发给FPGA，USB设备支持常见的U盘、照相机、移动硬盘等支持USB接口的从设备。本设计还将ARM处理器的两个引脚与FPGA的通信。指令线用于ARM向FPGA发送准备进行数据传输的指令;响应线用于FPGA在接收到ARM的通知并准备好后响应ARM。与FPGA相连的DDR存储器用于高速缓存大量图像数据，支持常见的DDR、DDR2和DDR3等类型。

1.1 ARM处理器选择

本方案选用的ARM处理器为韩国三星公司的S5PV210。S5PV210是一款基于ARM Cortex—A8内核的RSIC处理器，该芯片拥有强大的计算能力、丰富的内部资源和外部接口，主频高达1 GHz，同时它还拥有优化的外部存储器接口。外部存储器接口为异步接口，时钟频率为133MHz，位宽为16位，具有完善且可调的时序控制功能，可用于连接ROM、SRAM、oneNAND、NAND Flash等多种存储器，能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。本方案使用这个接口完成数据从ARM处理器到FPGA的高速传输。

1.2 ARM与FPGA接口设计

本方案将FPGA异步RAM连接在ARM处理器的XM0内存总线上，作为一个位宽为16位的SRAM使用，其对应的硬件地址为0x10000000到0x1000 1002，共4 098字节。由于异步RAM的位宽为16位，故只需使用地址线ADDR 1～ADDR 13。指令线连接ARM处理器的GPIO引脚，方向为输出，高电平有效。响应线连接ARM处理器的中断引脚，方向为输入，上升沿有效。

1.3 软件设计

在本方案中，ARM处理器以帧为单位向FPGA传输数据。每帧长度为4 098字节，其中，帧头长度为2字节，数据长度为4 096字节。帧格式如图2所示。

帧类型的取值为：此帧不是最后帧为00，此帧是最后帧则为11。帧长度为帧数据的长度，以字节为单位。

本方案所设计的软件分为两个部分一一驱动程序和应用程序，软件总体框图如图3所示。驱动程序在Linux系统中注册硬件并提供控制硬件的功能函数，以供应用程序调用。应用程序使用驱动程序提供的功能函数控制硬件，完成整个传输过程。软件总体流程图如图4所示。

1.3.1 驱动程序设计

本方案涉及3种驱动程序：USB驱动程序、文件系统驱动程序和FPGA驱动程序。

Linux系统有丰富完善的USB设备和文件系统支持。本方案使用Linux系统中自带的USB Mass Storage驱动程序和文件系统驱动程序，自行编写FPGA驱动程序。FPGA驱动程序基于Linux系统字符设备驱动程序模型进行编写。FPGA驱动程序的主要函数有初始化函数init（）、写入中断服务函数write_int（）、写入函数write（）。

初始化函数init（）首先将FPGA异步RAM对应的硬件地址0x10000000～0x10001002映射为Linux系统中的内存虚拟地址A到A+4098（设映射的内存虚拟地址起始为A），实现在Linux系统中直接向异步RAM写入数据。然后，设置指令线、响应线所对应的寄存器。将指令线的方向设置为输出，并输出低电平;响应线的方向设置为中断输入。最后，函数将响应线中断服务函数设置为write_int（）。

写入函数write（）与写入中断服务函数write_int（）配合，完成一次数据传输：

①当应用程序调用写入函数后，函数首先设置指令线为高电平指示FPGA准备传输数据，然后将驱动程序置于休眠状态，等待唤醒。

②FPGA收到指令后判断现在能否传输数据，如果能，则在中断线上发送一个上升沿。ARM处理器捕捉到该上升沿后，调用write_int（），唤醒驱动程序。

③驱动程序被唤醒后，继续执行write（）。write（）函数首先根据应用程序提供的参数生成帧头，并将帧头写入地址ADDR和ADDR+1，完成帧头的传输。随后将数据写入地址ADDR+2及其后的地址，完成数据的传输。

1.3.2 应用程序设计

本方案通过Linux系统的热插拔机制自动启动应用程序。在U盘插入USB接口后，Linux系统自动加载USB驱动和FPGA驱动并启动应用程序。应用程序流程如图5所示。

运行应用程序时，通过设置参数能使应用程序读取U盘、移动硬盘甚至网络上的文件，使方案具有很高的灵活性。应用程序使用了多线程技术来充分利用系统资源，使用两个线程分别实现从U盘读取数据存入缓冲区的过程和将缓冲区内的数据传输至FPGA的过程。在读取线程或写入线程中，可以加入数据处理代码实现数据的预处理，减少FPGA工作量。应用程序分配了多个缓冲区提高性能，并使用了互斥锁实现读取线程与传输线程间的线程同步，确保数据正确传输。

1.4 ARM向FPGA传输数据设计

本方案在FPGA中实现一个异步RAM，其使用乒乓机制接收来自ARM处理器的数据，同时需要将异步RAM中的数据写入DDR 2存储器。异步RAM内部有两个数据缓冲模块。在乒乓机制中，两个模块分别执行不同的任务，当模块1接收数据来自ARM处理器的数据时，模块2将数据写入DDR 2存储器。当两个模块的任务都完成后，交换模块1和模块2的任务。与现有方案相比，本方案FPGA无需配置外部芯片，所需开发量较小。

2 测试与分析

2.1 传输速率测试

此测试传输3个不同大小的文件，记录数据传输时间，从而获得数据传输速率。

测试结果如表1所列。

由表1可知，在传输速率测试中，测得的最高数据传输速率为47.6 Mbps，比现有方案如CY7C67300、CH376的数据传输速率高。在传输速率测试中，传输100 KB文件的传输速率与传输1 MB和1 GB文件的传输速率相比偏低，而传输1 MB和1 GB文件的传输速率则相差不大。原因为：

①测试为先进行计时后开始传输，存在一段时间未传输数据。

②应用程序在传输开始前需要一段时间进行初始化，存在一段时间未传输数据。

在后两种测试中，以上两种未传输数据的时间占总时间的比重较低，因此数据传输速率较高。

2.2 传输准确率测试

此测试在FPGA内实现一个比较器，比较异步RAM接收到的数据与比较器内置数据是否一致，从而测试传输是否正确并确定正确率。经测试，此方案在传输过程中无差错发生，传输正确率为100%。

结语

FPGA与ARM处理器相配合实现FPGA高速获取U盘数据的方案，可以满足FPGA高速读取U盘数据的需求。在传输过程中无差错，且具有良好的灵活性。本方案具有很高的实用价值。